基于集群理念的高清新闻演播室系统设计
古林海 罗一宇 刘 辉
(广西电视台)
摘要
本文开篇首先介绍了计算机系统中广为人知的集群以及集群系统的概念，随后阐述了我台基于集群理念的两相新闻高清演播室集群系统的总体设计思路，并以此思路为指导详细阐述该集群系统及其各子系统（包括视频系统、音频系统、同步系统和对话系统）的具体设计和实现过程。
关键词
演播室 集群 集群系统 全高清 三级备份
1． 前言
2008年的奥运会似乎给我国高清电视的发展注入了一支强力催化剂，随后在全国各级电视台掀起了高清发展的热潮。尽管我台早在2007年就已经购有不少高清摄像机，但直至2009年，我台还没有建成一个完整的高清演播室系统，播出系统以及节目制作系统也都还是原来的标清系统，相对于其它很多省台来说，在高清电视发展方面我们已经落后了许多。鉴于此，从2010年开始，我台加快了高清发展的步伐，本文阐述的集群系统是我台第一个高清新闻演播室系统，也是我台第一个全高清演播室系统。为了便于后面的阐述，在这里首先介绍两个基本概念：集群与集群系统。 集群 集群原本是一个计算机术语。通俗一点说，集群是这样一种技术：它包括至少将两个系统连接到一起，使两个服务器能够像一台机器那样工作或者看起来好像一台机器。例如，一个有2台服务器生成的web服务器集群系统，它对每个终端用户都是透明的，而且看起来完全就像一个web服务器。采用集群系统的目的是为了提高系统的稳定性和网络中心的数据处理能力及服务能力。 集群系统与系统集群 系统本身是由多个相同或不同的设备相互联结构成的，系统集群就是将这些由不同设备组成、具有不同功能的系统看作一个个独立的系统单元，从而集中在一起组成一个新的更大的系统，这个新的系统就是我们所说的集群系统。集群的系统可以是同构的或者异构的，这取决于系统的设计需求。如果集群系统（即母系统）与其子系统从设备、结构、流程到系统功能都一模一样，则该系统就是纯粹意义上的集群系统。这样的系统并非要求所有设备都一模一样，但要求各子系统对应位置上的设备必须在功能和应用上与母系统保持一致，本文所讨论的系统正是这样一种集群系统。
2． 系统总体设计思路
2.1集群理念的引入 节目制作高效、稳定和安全是我们设计演播室系统时最关心的问题，而这些问题的核心又在于设备和系统备份手段的好坏。通常，为了达到这些目标，我们在系统设计时更多地考虑设备上的备份，却很少考虑从系统上进行备份，这不仅因为要做到系统级别的备份，成本极高，而且我们向来设计系统只局限于一个演播室内设计。显然，在一个演播室内设计一主一备两个系统不仅是极大的浪费而且也是没有必要的，但就从高效的角度而言，仅设备的备份确实远远不如系统上的备份，因此，我们这次系统的设计，首次跳出过去在一个演播室内做系统的思维，尝试将两个演播室联合起来进行设计，并引入计算机中系统集群与集群系统的概念，以设计实现真正意义上系统级备份的演播室系统。
2.2基于系统的扩展 任何新系统的设计都不应只局限于满足当时的需要，而应当充分考虑在系统使用寿命期内所能并应满足的实际需要，即系统设计人员应具有一定的预见性，而其所设计的系统应具有一定程度的可扩展性。例如在设计演播室系统时，如果设计的是两讯道的演播室系统，则应能实现将来扩展升级为满足3个或4个讯道的演播室制播系统。我们这次的系统设计，要求将来在做系统升级或者扩展时，能够在不影响原来系统运作和日常节目制播的情况下进行，我们希望扩展部分甚至可以是一个完全意义上的独立系统，部分栏目仅仅依靠该新增加的子系统即可以完成整个节目制作或者直播流程，而新增子系统和母系统合并组成的新系统在功能和应急备份上将更加强大，从而满足更复杂和更大型的栏目制播需求。
2.3多角度、多场景制播 通常情况下，新闻类栏目所需的机位较少。当只有1个主持人时，一般就2个机位（正面＋侧面或远景＋近景），两个主持人时，会用到3个机位。3个机位亦即3讯道的制播系统。随着大众对新闻类节目喜好的变化以及演播技术的发展，新闻类节目制作也在逐渐向多机位多角度展现的趋势转变。例如最新改版的《东方夜新闻》，节目由两个主持人主持，使用的是1000平米的开阔演播大厅，远景、近景、主持人1、主持人2、双主持人，至少5个机位方能较全面地向观众展现演播厅内的情况。虽然广西电视台目前还没有超过3个讯道的新闻类栏目，但随着我台影响力和综合实力的逐渐提升，超过3个机位的新闻类栏目也不是不可能出现的。因此，我们在设计系统的时候，将系统按照3+3讯道设计。
3． 系统设计与实现 演播室系统包括视频系统、音频系统、同步系统以及通话系统，其中视频系统是整个演播室系统的核心部分，一旦视频系统的设计思路和系统框架确定下来，整个演播室系统的架构也就基本确定，其它系统的设计都围绕视频系统而展开。如果说视频系统是整个演播室系统的主系统，那么其它三个系统就是该视频系统的辅助系统。因此，在本文接下来的陈述中，将首先重点介绍视频系统的设计思路和系统架构，再接着介绍其它三个系统。
3.1视频系统
3.1.1切换台备份的考虑 演播室视频系统的核心部分是视频切换台，通常对切换台的应急备份使用以下两种方式：即主备切换台方式和切换台+视频矩阵+键控器方式。前者可靠性强，在主切换台出现故障后制作和播出几乎不受影响，但成本高，后者成本低，但在安全可靠性上不如前者，特别在切换台出现故障后，制作人员只能做简单的切换应急和上键操作（通过键控器）。当然，对于新闻演播室来说，通常使用复杂特技的几率不高，事实也证明视频切换台的可靠性和稳定性都比较高，因此在实际应用中后者更受欢迎。 我们这次系统的设计涉及两个演播室的视频系统，演播室相互邻接，并且空间结构以及大小都一样，如果两个演播室都使用主备切换台的方式，则两个演播室将需要四台切换台，这成本是相当高的。由于空间上的便利性，我们在设计时也考虑了两个演播室共享第三套切换台的方式，但是由于切换台本身的缺陷，通常与切换台主机连接的控制面板只有一个即只有一个控制口，而且控制面板与主机之间的控制线以及数据线的最大允许长度都只有5米或者10米，实在无法满足跨越演播室的超过10米的距离。显然，两个制作团队在同一个空间里共用同一套系统的主备设备也是不可能的，因此我们最终选择了切换台+视频矩阵+键控器方式。
3.1.2系统级的备份 第I和第II演播室采用相同的演播室设备和结构体系，通过将第I演播室的摄像机信号经分配器后输入第II演播室的切换台，则相当于原第II演播室系统对应原第I演播室场景，同样，第II演播室的摄像机信号也同时输入第Ｉ演播室的切换台，则相当于原第I演播室系统对应于原第II演播室场景，这就是说，这两个演播室，不单演播室系统之间是互为备份的，连演播室本身都是互为备份的。当然，这种备份方式有一种缺陷，就是两个演播室不能同时有节目，除非在此期间能够有应急过渡备份，即在两个演播室同时有节目的情况下，一旦某个演播室主系统出现故障以致无法继续节目制作，则可以将制作流程移至某个应急系统继续进行，当主系统恢复正常或者另一个演播室系统空闲，节目制作可以马上切回原主系统或另一个演播室系统继续进行。我们将这种双系统互为备份+应急备份系统过渡的方式称为三级备份。根据经验，切换台出现故障几率很低，视频矩阵相对于切换台又相对便宜许多，而且两个演播室同时直播的可能性不大，持续时间也不长，为此，对于应急备份系统部分，我们采用视频矩阵+键控器的方式，分别在两个演播室各增加一块远程控制面板，在应急情况下，导演可通过操作控制面板实现所需信号的调度播出，而字幕的叠加则交给相对便宜的键控器处理，此时，如果另一个演播室系统空闲，则整个制作团队可以立即迁移至不过一墙之隔的演播室继续进行节目制作和播出。
3.1.3多场景制播 我们引入集群系统的概念，一方面是为了将两个演播室系统联合起来，互为备份，彼此减轻系统工作压力和负担，增强稳定性和安全性，另一方面也是为了将这两个演播室统一起来，共同构成一个功能更加强大，而系统稳定性和安全性丝毫没有下降的集群系统。也就是说，这个由两个子演播室系统组成的集群系统，除了能够无障碍完成原来子系统所能承担的所有制播任务外，还能够完成其它一些原来子系统所无法完成的的制播任务，这就是我在前面总体思路中提到的满足多场景多角度制作的要求。本集群系统可用于制作包含两个3机位演播室场景节目的制作和播出。另外，为了使用上的方便，本系统在设计时将两个系统当做一个系统来设计，设备的排列和选择也同时兼顾满足作为两个独立3讯道子系统分别制播或者作为整体一个6讯道演播系统进行制播的要求，例如，摄像机的排号，第I演播室称为CAM1~3，第二演播室按顺序往后，依次为CAM4~6，其它设备也如此。
3.1.4视频系统结构 如图一所示：集群系统由两个同样的3讯道子系统组合而成，是一个两相（即由两个演播室的两个相同的子系统集群组成）的集群系统，是最基本的集群系统。系统包括三个部分：第I演播室系统（子系统1）、共享单元（应急系统）以及第II演播室系统（子系统2），子系统1与子系统2互为备份系统并通过共享单元构成三级备份或应急过渡备份。 如图所示，第I演播室视频系统是一个3讯道的纯高清演播系统，CAM1~3代表了三个不同角度的摄像机信号，VTR1~3是三套相互独立的蓝光高清播放机，输出符合国际标准的1080i50串行数字视频信号，CG1~2为两台独立字幕机，可为当前视频信号叠加两层字幕，播出服务器1~2是指通过本地播出服务器控制工作站调用高清非编网络上的主备两路视频信号到演播室参与播出；演播室的其它外来信号，即总控EXT1~6和收录机房1~6（包括卫星信号、地市回传信号以及总控送过来的其它信号），与作为应急备份的64×64高清视频矩阵共同构成共享单元部分。这些外来信号还同时送到两个演播室的切换台。各路信号源在通过视分（或解嵌器）后一路信号送监视墙监视，一路直接进入切换台，另一路送到矩阵作为应急调用（即在切换台出现故障的情况下，可直接通过远程控制面板控制64×64矩阵实现信号应急调度）；切换台输出与键控器输出之间是主路与应急备份的关系，通过2×1手动倒换。2×1视频输出在与调音台输出音频嵌入后一路直接送监视墙监视，一路送播出，另一路返送矩阵。各信号源以及播出最终信号通过矩阵调度至技术监测设备进行视频信号指标的技术测量。第II演播室采用了与第I演播室同样的设备和结构体系，这里不再赘述。
图1. 视频系统
3.2音频系统 音频系统无论在结构上还是设备上都是对应视频系统的，因此在前面视频系统确定之后，音频系统也可以说已经确定。同样地，在设计音频系统时，我们分别比较两种关于核心设备调音台的备份方案。即采用主备调音台还是采用调音台＋音频矩阵＋自动混音设备的方式。虽然就价格而言，调音台的价格要远远便宜于视频切换台，但是随着音频输入源的增加，调音台的价格也成倍地增加，而且，调音台的主机与控制面板都是一体化的，如果采用主备调音台的方式，也意味着增加两台具有同样功能和输入源的调音台，这成本也是挺高的。特别是在新闻类演播室系统中，对声音的要求不高，很多情况下，一个简单的能够手动或自动调节音频增益的混音设备就可以满足要求，再增加两调音台的意义不大。基于以上考虑，音频系统采用了与视频系统一样的结构，也是一个满足三级备份的系统。 如图二所示。第I演播室子系统各音频信号源（MIC1~3、VTR1~3、播出服务器1~2）在经过音分后，一路输入调音台1，一路输入第II演播室的调音台2，第三路输送到共享单元的音频矩阵作应急备份和技术监听用，调音台两路立体声输出分别接入两个2选1手动切换开关，开关输出在与视频嵌入后一路送总控播出，一路返送监视墙监视，第三路返送视频矩阵，由矩阵切换到专业监听设备解嵌监听。由于在节目制播过程中，导演和技术人员是要实时监听声音，因此在控制室内设置一个高保真扬声器，专门负责监听调音台的Monitor输出。共享单元属于应急和技监部分，应急情况下，通过远程控制面板将最多8路信号源切换到混合器，混合器输出经过自动增益控制器后接入2选1手动切换开关。技术监听也是通过远程控制面板来对音频矩阵控制，矩阵输出口为2。为了使用上的方便，音频技术监听（非嵌入音频）与视频技术监听（嵌入音频）采用同一个设备，技术人员只需更改输入源即可。第II演播室音频子系统与第I演播室系统类似。 至于两个演播室子音频系统组合起来构成一个6讯道的系统，系统结构与视频结构一样，原理同出一辙，这里不再赘述。 有一点必须说明的是，为了使在应急状态下，视音频切换更加简单而且安全，在实际使用中，我们将64×64视频矩阵的输出1口与64×64音频矩阵的输出1口绑定一起切换，也就是说，音频输出1口的输入源是随着视频矩阵输出1口的输入源改变而改变的。其它七个音频源预设情况下将依次是MIC1~3、VTR1~3、播出服务器1（第I演播室）或MIC4~6、VTR4~6、播出服务器3（第II演播室）。
图2. 音频系统
3.3同步系统 同步系统主要是对应视频系统的，原理较为简单。如图三所示，主备两台同步信号发生器产生的三路三电平视频同步信号分别输入三个相互独立的2选1全自动倒换器，倒换器输出再经过分配器分别送给各个演播室设备。主备两台同步信号发生器以总控送过来的同步信号锁定。
图3. 同步系统
3.4通话系统 通话系统作为演播室系统的一个主要辅助系统之一，其设计也是根据演播室视音频系统的改变而改变，因此，在通话系统的设计中，我们也采用了两个演播室系统通话子系统互为备份的方式。如图四所示，上半部分为第Ｉ演播室的通话系统，下半部分为第II演播室的通话系统，无线通话主用，应急接线板备用。 在对话过程中，节目导演声音通过通话系统（Station I）的面板话筒进入系统，同时通过四个通道（CHA~D）分别送到四个音分以及两个无线发射装置上，四个音分中，第一个音分的输出送到第I演播室的应急接口板上，主持人可通过有线耳机收听，第二个音分输出送到第I演播室的摄像机CCU处，通过摄像机光纤同轴电缆与视频一起送到演播室内的摄像机上，摄像师可在摄像机上插接耳机收听，第三个音分输出送到第II演播室的应急接口板上，主持人通过有线耳机收听，第四个音分输出送到第II演播室的摄像机CCU处，摄像师在摄像机上插接耳机收听；两个无线发射装置，其中一个安装在第I演播室内，演播室主持人或摄像师都可以通过无线耳机收听，另一个安装在第II演播室内。对话系统是双向的，在另一端，主持人的声音通过无线或有线话筒接入调音台（即MIC1~6），节目制作导演可通过监听调音台的Monitor输出与主持人交流，而摄像师的声音则通过摄像机的话筒输入返送至通话系统（Station I）的内置扬声器，导演通过监听该内置扬声器的声音与摄像师交流。 通话系统的三级备份是这样实现的。以第I演播室为例，首先，在正常情况下，导演的声音通过Station I发出，CHA无线发射装置切换至第一路输入，演播室内的主持人和摄像师通过无线耳机接收，通话设备Station I 出现故障，并且通话设备Station II可用，则将CHA无线发射装置切换置第二路输入，演播室内的主持人和摄像师可继续通过无线耳机接收，倘若是无线接收失败，则主持人可在演播室内使用有线耳机分别插接CHA应急接口板收听导演讲话，摄像师插接摄像机上的耳机接口收听导演讲话。第II演播室的使用类似。 至于对话系统两个子系统联结成一个多场景制作对话系统，首先，在无线通话情况下，两个演播室只要将接收端调成同样的接收频率即可，在应急情况下，由于第I和第II演播室通话设备将输出都同时送到了两个演播室，主持人和摄像师只需要将有线耳机接插在对应的应急接口板上即可实现使用一个通话设备向两个演播室同时广播的用途。
图4. 通话系统
1． 总结 将两个原本独立的系统联合起来一起设计是我们在演播室系统设计中做的首次尝试，为了使系统更加高效、安全和稳定，并且符合我们实际应用需求，我们特别在设计中引入了计算机中集群与集群系统的概念，最终设计出一个由两个3讯道子系统组成的两相集群演播室系统。由于目前我们各个演播室承担全台所有新闻类栏目的制作和播出，因此在实际系统改造中不可能两个演播室同时停播，为此，在实际操作中，我们首先搭建第II演播室子系统以及共享单元部分，第I演播室继续使用，待第II演播室以及共享单元部分正常投入使用后，再根据台内节目安排情况对第Ｉ演播室子系统进行改造合并。目前第II 演播室系统以及共享单元部分已经投入使用并且运行良好。第I演播室的改造也已经提上了日程。相信这个由两个演播室组成的集群系统势必为今后我们台的新闻节目制作提供更加安全稳定和便捷的技术服务。
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