В.В.Быков.
Видеосерверы и их применение в
вещании
(сокращенный
вариант)
Всемирная тенденция перехода к
цифровому телевидению выдвинула на
передний план ряд устройств и
систем, среди которых одно из
ведущих мест занимают
видеосерверы. Они используются для
ТВ-производства и вещания, для
автоматизации этих процессов, в
системах накопления и передачи
информации. Видеосерверы успешно
заменяют аппараты на магнитной
ленте и имеют определенные
преимущества. Многие фирмы
разработали эти
аппаратно-программные средства и
успешно их применяют в
ТВ-производстве и вещании. Эти
сложные и недешевые устройства
могут существенно отличаться друг
от друга несмотря на то, что
построены на основе компьютерной
техники.
Построение серверов основано на
четырех архитектурах, у каждой из
которых свои достоинства и
недостатки.
На рис. 1 изображена схема сервера
самого простого «компьютерного»
класса. Он работает как компьютер,
но имеет специальные входы/выходы и
определенные требования к времени
отклика и накоплению информации.
Такие видеосерверы обычно
поддерживают до 15 широкополосных
видеоканалов со скоростями потоков
20 Мбит/c. Для повышения надежности в
большинстве устройств этого класса
дублируются их компоненты:
источники питания, контроллеры,
накопители информации. Благодаря
этому эти видеосерверы отличаются
высокой работоспособностью, но
даже самые избыточные системы
могут давать сбои.
Рис. 1. Схема сервера класса 1
Серверы второго фундаментального класса конфигурируются в виде групп серверов первого класса (рис. 2). Обычно такая группа формируется сетевыми методами, при этом используется петля Fibre Channel или коммутируемая структура. Этот класс предоставляет ряд преимуществ.
Рис. 2. Схема сервера класса 2
Каждый узел является независимым сервером, и это повышает устойчивость работы всей группы серверов. Видео- и аудиоинформация кодируется в любом сервере и автоматически передается в другие. Этот класс серверов используется в вещании и идеально подходит для многоканальной записи со спутников, служб видео почти по запросу, воспроизведения медиа-информации в эфир и через спутники. Однако такая структура не лучшая для совместного монтажа новостей и спортивных передач, поскольку здесь требуется предоставление всего материала сразу многим монтажерам. Тут лучше всего подходят серверы третьего класса, которые обеспечивают сотни аудио/видеоканалов (рис. 3)
Рис. 3. Схема сервера класса 3
Комплексы третьего класса хорошо
масштабируются и могут быть
доведены до состояния практически
полной отказоустойчивости.
Серверы третьего класса имеют
архитектуру с коммутированием
систем накопления и часто
называются сетями накопления
информации (SAN). Каждый узел,
выделенный на рис. 3 пунктиром,
подключается к общему комплексу
средств накопления. Узел
представляет собой сервер с
архитектурой первого класса. В
отличие от класса 2, где каждый узел
в кольцевой структуре является
независимым сервером, узлы класса 3
являются зависимыми (особенно
относительно файловой системы).
Когда один из узлов импортирует или
кодирует новый видеофайл, другие
узлы немедленно оповещаются об
этом. У каждого узла есть доступ к
любому накопленному в системе
контенту
Серверы четвертого класса
(web-серверы) используются для
потоковой передачи
видеоинформации по сети Интернет
(рис. 4). Такой сервер состоит из
группы (кластера) серверов класса 1.
Зрители получают доступ к
выбранному серверному узлу с
помощью специального коммутатора,
называемого коммутатором уровня 4.
Провайдеры видео-служб используют
эти комплексы для организации
большого числа одновременных
потоков медиа-информации.
Рис. 4. Схема сервера класса 4
Важнейшей частью любого сервера
является подсистема накопления
цифровой информации. Различают три
основных типа дисковых систем
накопления. К первому относятся
постоянно развивающиеся единичные
дисковые накопители. В 2000 г.
появились накопители на жестких
магнитных дисках емкостью 72 Гбайт,
а в 2001 г. — емкостью 144 Гбайт. Об
объеме памяти серверов, имеющих эти
накопители, можно судить по тому,
что для одного часа запоминания
цифрового потока со скоростью 10
Мбит/c, сжатым по стандарту MPEG-2,
требуется емкость 4,5 Гбайт.
Дисковый накопитель емкостью 72
Гбайт сможет записать до 16 ч такого
же аудио/видеопотока.
Важной характеристикой серверов
является возможность наращивания
их мощности и функциональности
(масштабируемость). Для создания
небольшого числа портов
входа/выхода вполне подходит
сервер класса 1. В дальнейшем это
устройство может стать узлом в
сервере класса 2 или 3. Серверы
класса 2 (рис. 2) позволяют создать
сотни портов с помощью добавления
узлов в петлю Fibre Channel или
коммутационной структуры.
Серверы класса 3 (SAN) масштабируются
добавлением узлов и отдельных
систем накопления (рис. 3). Однако
такое расширение может потребовать
перераспределения всего контента
по всем массивам памяти, что
является сложной задачей. Наконец,
серверы класса 4 масштабируются за
счет увеличения объема
накопительной системы до терабайт,
их можно применять для
обслуживания миллионов зрителей.
Серверы класса 1 производят
компании Pinnacle, GVG, Sony, Panasonic и другие.
Класса 2 — GVG (сервер Profile), Pinnacle
(сервер MediaStream). Класса 3 — Leitch (серию
VR), Sea Change (сервер Media Cluster), Pinnacle
(сервер Vortex News). Класса 4 — Hewlett-Packard,
Sun, Compaq, IBM, Dell и другие.
Переход к серверной технологии
требует немалых затрат, поэтому
важно всесторонне
проанализировать все процессы: от
введения информации в сервер до ее
воспроизведения. Необходимо
определить:
– стандарт кодирования-сжатия (DVCPRO,
MPEG и другие);
– принцип накопления материала,
который может быть
централизованным, распределенным
или комбинированным; тип дисковых
массивов RAID;
– требования для архивирования;
– использование сети Интернет;
– возможности для передачи
сигналов ТВЧ с минимальными
затратами;
– систему контроля работы цифровых
устройств;
– возможные проблемы передачи
звуковых сигналов.
Загрузка материала
В настоящее время существует три
основных метода загрузки
видеоинформации в сервер: с
использованием аналогового или
цифрового (SDI) интерфейса; в виде
сжатого потока SDTI (SMPTE 305 M) или
MPEG-потока; с помощью файловой
передачи.
Введение видеосигнала в аналоговой
форме или введение его через
последовательный цифровой
интерфейс SDI являются
универсальными способами для
видеомагнитофонов и серверов.
Аналоговый или SDI-сигнал вводится в
сервер и кодируется с требуемым
уровнем качества в соответствии с
выбором формата сжатия, скорости
цифрового потока и структуры групп
изображений (GOP) для стандарта MPEG
(например, коммерческие
видеосюжеты могут создаваться
более высокого качества, чем старые
кинофильмы). При таком способе
записи информации не вызывает
трудностей и контроль за всеми
процессами.
Однако при работе со сжатыми
сигналами затрудняется их
контроль, особенно аудиосигналов. У
отправителя и получателя
информации должны быть необходимые
аппаратные средства для работы с
сигналами SDTI и MPEG (SDTI-CP). Обе
технологии относительно новые, и их
стандарты еще дорабатываются. SDTI
характеризуется фиксированными
скоростями потоков: 25 и 50 Мбит/c для
DV и 30, 40, 50 Мбит/c для MPEG (SDTI-CP).
Загрузка материала в файловой
форме самая быстрая и надежная, но в
настоящее время только серверы
могут передавать файлы друг другу.
Специалисты SMPTE рассматривают
файловые форматы передачи GXF (SMPTE 360M)
и MXF. Формат GXF используется для
потоковой передачи клипов, а MXF
предназначен для более сложных
случаев — передачи листа монтажных
решений и другой информации для
монтажа.
Одним из достоинств файловой
передачи является то, что файлы
перемещаются со скоростями,
определяемыми сетями Ethernet и Fibre Channel
(250 Мбит/c и более). Кроме того,
протоколы IP и проверка на ошибки
гарантируют точность передачи.
Кодирование материала
Наиболее широко используются
методы кодирования Motion-JPEG, DVCPRO и
MPEG-2. Применяются также сжатия Wavelet и
MPEG-4, причем к последнему
специалисты проявляют большой
интерес.
Когда серверы впервые появились на
рынке, в ТВ-производстве и вещании
широко использовалось сжатие M-JPEG.
Из-за отсутствия стандартизации
отдельные производители
использовали в серверах и
монтажных системах собственную
версию M-JPEG и не могли просто
обмениваться файлами с системами
других фирм. Кроме того, новые
стандарты сжатия обеспечивали
более высокое качество
видеосигнала при более низких
скоростях цифрового потока,
поэтому M-JPEG уступил дорогу
форматам сжатия DV и MPEG.
С переходом к цифровому ТВ основным
стандартом вещания становится MPEG-2
с дискретизацией 4:2:2. MPEG-1 является
стандартом для просмотра
(браузинга) ТВ-информации, но
качества, обеспечиваемого им, не
достаточно для передачи
видеосигналов. В MPEG-2 используются
изменяемые скорости передачи
потоков до 50 Мбит/c и временное
сжатие, которое оказывается
возможным благодаря наличию
избыточности в кадрах. Во многих
случаях сравнимое качество
изображения достигается при
скоростях потоков MPEG-2,
составляющих от 1/2 до 1/3 скоростей
потоков M-JPEG.
Файлы MPEG-2 могут передаваться в
сжатом виде по стандарту SDTI-CP, но
при этом возникают проблемы, если
транслируются сигналы стандарта Sony
IMX. Пользователь вынужден
кодировать I-кадры только на
скоростях 30, 40 или 50 Мбит/c, что
ограничивает преимущества
временного сжатия MPEG-2. Кроме того,
возникают сложности при монтаже,
поскольку каждый MPEG-кадр не
содержит всех данных, необходимых
для восстановления этого кадра.
Поэтому для монтажа часто
используется кодирование MPEG-2
только I-кадры, для чего требуются
более высокие скорости, как при M-JPEG.
Для съемки новостных программ
широко применяются видеокамеры
формата DVCPRO, работающие со
скоростями потоков 25 и 50 Мбит/c
(аппаратура для 100 Мбит/c еще
разрабатывается). Вырабатываемый
видеокамерой сигнал DVCPRO может
передаваться в сервер или систему
нелинейного монтажа и
компоноваться без декодирования с
исходным сжатием. Это сохраняет
исходное качество изображения до
самой выдачи в эфир. Файлы
передаются в СНМ или сервер через
SDTI со скоростью, в четыре раза
превышающей номинальную.
Однако в формате DVCPRO используются
две фиксированные скорости
цифрового потока 25 и 50 Мбит/c, что
ограничивает гибкость в выборе
качества видеосигнала. Многие
пользователи снимают сюжеты и
монтируют в DVCPRO, а затем
транскодируют сигнал в стандарт
MPEG-2 c длинными GOP для накопления и
воспроизведения.
Рис. 5.
Типичная серверная структура
включает в себя сеть,
оборудование контроля, средства
архивирования,
серверы для производства и
воспроизведения ТВ-программ.
Сеть объединяет все эти средства в
единый комплекс.
Видеокоммутатор (в центре) также
охватывает все серверы
и выходной эфирный программный
микшер и направляет сигнал для
передачи в эфир
Накопители информации
С тех пор, как серверы появились на
международном рынке, стоимость
дисковых накопителей в расчете на
единицу емкости постоянно
снижалась, а емкость их
увеличивалась. Первые дисковые
накопители могли записывать от 2 до
4 Гбайт информации. Сегодня
стандартными являются диски 36
Гбайт, ожидаются новые типы дисков
емкостью 73 Гбайт. При этом
стоимость 1 Гбайт памяти дисков
емкостью 4 Гбайт составляет 600 долл.,
а дисков емкостью 73 байт — около 60
долл. (рис. 6).
Рис. 6. Тип
сжатия может снижать стоимость
накопителя.
По вертикальной оси отложена
продолжительность видеоматериала
с качеством примерно DV 25, которая
может быть накоплена в памяти
емкостью 100 Гбайт
Для работы с видеоданными
наиболее подходят дисковые массивы
RAID-3. Массивы RAID-5 оптимизированы для
файлов меньшего размера. В массивах
RAID-3 используется только один диск
для записи избыточной информации
(на четыре диска основных данных). В
DAID-5 основные и избыточные данные,
необходимые для восстановления
поврежденных основных данных,
записываются на все диски массива.
При создании системы с многими
серверами возникает проблема
организации накопителей данных.
Они могут быть объединены в
централизованную или
распределенную систему, или же
соединять в себе эти принципы
построения.
Недостатком централизованной
структуры является прекращение
работы с материалом при выходе из
строя накопителя. Преимуществом
децентрализованной структуры
считается более высокая
надежность: работа над материалом
не прекращается при выходе из строя
одного сервера. Но эта структура
требует дополнительного
пространства накопления, поскольку
клип записывается сразу на
несколько серверов.
Хорошим решением проблемы
накопления является
комбинированная структура,
состоящая из централизованных и
распределенных накопителей. На
ТВ-предприятиях бригада монтажа и
производства новостей работает с
централизованной системой
накопления. Подготовленный
материал передается в сервер
воспроизведения и оказывается уже
не связанным с аппаратурой
производства программ (рис. 7).
Важным преимуществом
комбинированной структуры
является и то, что телевизионное
производство может выполняться в
формате DV или MPEG-2 (только I-кадры), а
воспроизведение — с кодированием
MPEG-2 с длинными GOP.
Рис. 7.
Комплекс технических средств для
ввода информационного
материала и выдачи новостной
программы с рекламными вставками.
Централизованное накопление
материала в аппаратной
производства новостей
обеспечивает быстрый доступ к
материалу. Система управления
аппаратурой
выдачи новостей управляет выдачей
новостной программы, а система
автоматизации
— процессами выдачи всей программы
и введения рекламных вставок.
Сеть и коммутатор совместно
обеспечивают перемещение
материала
между техническими средствами
новостного комплекса
Архивирование
В определенное время
технологического процесса
производства ТВ-программ дисковая
память должна быть очищена от
использованного материала для
записи новой медиа-информации.
Поэтому требуется система
долговременной архивной памяти, в
которую должны записываться
использованные видеосюжеты. Чаще
всего для этого применяются
системы с видеолентой, цифровой
лентой (data tape) или DVD.
Существует много библиотек,
использующих цифровую ленту, они
высокоэкономичны и стоимость их
постоянно уменьшается. Такие
библиотеки или работают
непосредственно с сервером, или
подключаются к сети. Данные
записываются в них без потери
качества, возможны каталогирование
и быстрый поиск материала. Процессы
ввода/вывода ускоряются благодаря
режиму «быстрее реального
времени». Скорость передачи
определяется возможностями
ленточного накопителя, который
обычно работает с потоками от 3 до 20
Мбайт/c. Вместе с цифровым
видеосигналом накапливаются и
метаданные.
ТВЧ
Телевидение высокой четкости
интенсивно развивается в США. В
широкую аудиторию оно приходит не
так быстро, как надеялись, но
поддержка стандарта ТВЧ стала
нормой для новой аппаратуры.
Непростым оказался переход к
высоким скоростям цифровых потоков
ТВЧ. Цифровой видеосигнал SDI
обычной четкости (ОЧ)
характеризуется потоком 270 Мбит/c, а
видеосигнал ТВЧ — 1,5 Гбит/c.
Возможно несколько вариантов
формирования ТВЧ-программ. Прежде
всего — продолжение производства
ТВ-продукции обычной четкости с
последующим преобразованием в ТВЧ
для передачи. Это наиболее
экономичный и быстрый способ,
который, однако, не обеспечивает
высокого качества изображения и
звука.
Более прогрессивный способ —
введение полного сигнала ТВЧ в
видеосервер и передача файлов по
сети или использование коммутатора
ТВЧ для маршрутизации сигнала. Этот
способ менее дорогостоящий, чем
развертывание полной системы
распространения сигналов ТВЧ ко
всем техническим средствам. Но он
требует полноценного сервера и
определенной инфраструктуры ТВЧ.
Большой выигрыш в стоимости дает
кодирование по стандарту MPEG-2 с
длинными GOP и поддержанием
многоканального звука стандарта
Dolby 5.1 (AC-3).
Несжатый цифровой аудиосигнал
(AES/EBU) обеспечивает стабильное
качество, поэтому большинство
новой аппаратуры поддерживает этот
стандарт.
Несжатый цифровой встроенный (embedded)
звук распространяется по одному
кабелю с видеосигналом, что
упрощает кабельную разводку.
Цифровой многоканальный
аудиосигнал со сжатием (Dolby E) — это
восемь каналов звука, которые могут
передаваться по одной AES/EBU-паре.
Стандарт Dolby Digital (АС-3) используется
для передачи сжатого звука на
абонентские цифровые
приставки-декодеры (set-top-box). В АС-3
организуются восемь каналов: шесть
стандарта 5.1 (фронтальный правый и
левый каналы, центральный, правый и
левый тыловые каналы, НЧ-канал) и
плюс стереопара.
При вещании видео с аудиосигналом
АС-3 значительно усложняется
контроль цифрового сжатого звука.
Для контроля такого звукового
сигнала требуются декодеры и
специальные громкоговорители.
Полный текст - в № 4 журнала "ТКТ" за 2002 год
