多通道数字硬盘录像机解析及应用

flstudio

  随着现代电子技术的发展，尤其是近年来编解码技术、多媒体通信技术以及嵌入式技术的日趋成熟，一大批有着崭新技术特点的新设备出现在了电视节目的制播系统中，本文所介绍的多通道数字硬盘录像机就是其中的一个典型代表。

    一、数字硬盘录像机简述

    数字硬盘录像机（DVR：DigitalVideoRecorder）*初应用于金融、交通等安防监控领域，摄像头等影像采集设备将所需监控内容以特定格式保存在硬盘中，从而可以在任意时间选择任意内容进行回放。由于存储介质基于硬盘而非传统的磁带，我们简单地称之为“硬盘录像机”。通过配置，数字硬盘录像机可以轻松地实现数据的格式转换、加密存储、远程控制、码率控制及多通道同时录制及回放，这些基于近年来电子及通信行业新技术的特性使它在监控领域完全取代了基于传统磁带介质的传统录像手段。这些新特性，尤其是其高可靠性和重用性，对于电视制播行业而言同样非常诱人。

    但是，和电子监控领域不同，电视行业对于录像机的要求不仅仅是要“有”录放功能，而是要求达到“高质量”的录放功能。换句话说，要求录像机的图像质量必须达到或接近广播级，即达到CCIR601（ITU601）文件所规定的演播室数字视频标准，诸如取样率为13.5MHz、量化比特至少为8比特、取样比4:2:2、标准数据码流27MB/s等等。同时，由于应用范畴的不同，电视行业对于录像机的运用要求更高的可靠性、更长的平均无故障时间，更好的可维护性。因此，电视节目制播行业所用的硬盘录像机在结构上有很多不同于普通硬盘录像机的特点，各公司又出于不同的考虑做出各自不同的设计。下面，先就广播级多通道硬盘录像机的系统构成做个整体性解析。
  二、多通道数字硬盘录像机结构解析

    以系统构成方式来分，硬盘录像机通常可分为PC式系统和嵌入式系统。

    1.PC式系统

    PC式系统以传统计算机为硬件平台。图1为PC式系统的典型框图。



图1



    图中基本PC系统就是以主板、CPU、内存、显卡等构成的普通计算机系统，PC系统式硬盘录像机是在此硬件平台上的改造和拓展。视音频编/解码器用于将不同制式和格式的视、音频信号统一为符合广播级视、音频录制播放的信号。视频压缩/解压缩卡用于将编码后的信号进行高比压缩以利于传输和存储，这两个模块通常是PCI接口的板卡。硬盘系统是硬盘录像机*为核心和重要的部分，一般以多块SCSI接口硬盘组成冗余磁盘阵列（RAID：RedundantArraysofIndependentDisks），并可视不同使用情况组成高速海量的RAID0、保障数据安全的RAID1或是两者兼顾的RAID3、RAID5。外围I/O接口中，高速网卡用于进行数据快速传输、而串口用于控制信号的传输。考虑到节目制作的安全，硬盘录像机一般加装冗余电源和自动倒换开关或是大容量UPS以备不时之需。

    软件上，PC系统式硬盘录像机多以MicrosoftWindow2000或linux这类简洁稳定的操作系统为软件平台。上层安装必要的通信协议和人机交互软件。

    这样的系统结构简单，成本容易控制。由于脱胎于PC系统，操作简便直观，也便于升级维护。当然，同计算机一样，它也会有感染病毒、系统崩溃、数据损毁的潜在危险，但是一般正常规范地使用，它完全可以满足安全直播的要求。熟悉计算机维护的技术人员能排除大多数软故障，而硬件故障也只要更换相应部件即可。

    2.嵌入式系统

    嵌入式系统是近年来的热点课题，各行各业的电子设备中都越来越多地出现了嵌入式设计，数字切换台、特技台也有很多嵌入式产品。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等４个部分组成，定义为“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”。那么对于一个嵌入式的硬盘录像机来说，它就是一个经过裁剪的，可完成所有硬盘录像机指定功能的*小系统。图2是一个典型的嵌入式硬盘录像机的系统构成图。



图2
DSP数字信号处理器负责控制工作流程、类似于CPU，不同的是专用DSP数字信号处理器多采用哈佛总线结构，将数据和程序指令分开，相对于传统CPU的冯·诺依曼结构有更高的效率。视频编/解码器用于实现视频源选择、滤波、A/D转换、自动增益控制、多制式解码及亮度、对比度和饱和度控制，从而将不同制式的模拟或数字信号统一成如ITU601所要求的标准格式。视频压缩/解压缩芯片实现视频信号的高压缩比压缩，当前常用的压缩算法有很多，如DV25、DV50、MPEG2、MJPEG甚至更先进的MPEG4、H.264，各个专业厂商也生产了各种基于不同算法的压缩/解压缩芯片。除了上述核心部件外，嵌入式硬盘录像机系统还应当有SCSI、IDE或SATA的硬盘接口、I/O接口（BNC接口、串口等）、用户操作面板及显示设备接口。CPLD作为各模块不同通信方式的桥梁，实现各模块之间的数据通信。

    这样一套专业系统的设计难度大，工艺要求高，由于所有的软硬件平台集成在一起，这样的系统几乎无法升级，且难以维护，对DSP和外围CPLD的刷新也必须专业人员才能操作。但相应的，由于集成度高，且是一个“*小化系统”，可靠性高、容错性好、易操作、低故障、数据安全都是此类系统的优点。

    上面以系统构成方式为线介绍了广播级多通道硬盘录像机的结构。当然，还可以有其它的分类方式：从操作方式上分，可分为机械式和软件式；从操作系统上分，可分为Window2000和Linux；从压缩算法上分，可分为DV25、DV50、MPEG2、MJPEG、MPEG4、H.264；从通道运用上分，可分为单录多放、多录单放、多录多放。可以说，这些参数的搭配，使得广播级多通道硬盘录像机的设计呈现出百花齐放的现状，很大程度上丰富了市场，丰富了用户了选择。

    三、硬盘录像机的特点

    出于应用和维护上的考虑，江苏电视台新闻演播室和体育演播室选用的是ThomsonGrassValleyM322D硬盘录像机，它是４通道PC系统式硬盘录像机。下面结合这款机型，谈谈我们在使用和维护中体会到的硬盘录像机应用上的特点。

    1.ThomsonGrassValleyM322D的主要参数和特点

    ThomsonGrassValleyM322D的4个通道被配置为2个录制通道和2个播放通道。录制通道为BNC接口，可由软件选择SDI数字视频或复合信号，播出通道分别为两路SDI数字视频或复合信号输出，每通道两路BNC输出。M322D可以软件选择设置525线NTSC制式或625线PAL制式。可传输的信号类型为NTSCSMPTE170M，PALCCIR624，SDI-SMPTE259M，ITU-601和270Mb／s复合数字信号。音频通道为每视频通道两路模拟音频输入/输出，每视频通道4轨SDI嵌入及2路AES／EBU。

    压缩格式为DV25SMPTE314、DV25、MPEG-2（4:2:2）、DV50（4:2:2）、MPEG-2（4:2:2），码率可选25Mb／sI帧或50Mb／sI帧。

    ThomsonGrassValleyM322D提供了触摸屏方便操作，并支持传统数安录像机功能，如快进、快退、搜索、打点及音频监听等。

    三块硬盘组成阵列*大可存储64小时25Mb/s的素材，可随意对素材进行剪辑和格式转换（支持AVI、DV25、SMPTE360M）。提供丰富的接口，如1394、USB2.0等方便与移动存储设备的连接。

    ThomsonGrassValleyM322D的操作面板和各种接口如图3和图4所示。


图3

boota

:victory:支持桤人征歌

flstudio

图4


   

    2.ThomsonGrassValleyM322D的应用特点

    在平日的使用和维护中，我们认为有几个特点是多通道硬盘录像机与身俱来而传统数字录像机无法比拟的。

    *由于M322D的4个通道各自独立，互相不冲突，完全可以做到同时进行两路放像和两路录像，这相当于多了4台传统数字录像机；

    *由于硬盘数据访问存储的非线性，在某一录制通道开始录制后5秒，就可以利用任何一个空闲的播放通道对所录内容进行剪辑。M322D采用Subclip方式剪辑，对原始素材的副本进行操作操作，因此不会对原始素材造成破坏，这样边录边剪，既高效且优质；

    *同样由于硬盘文件的非线性，通过行／场的插补算法可以实现多种速度(慢动作)重放，可以很容易地对一段内容顺序采集乱序播放，而且可以循环播放，这样的功能，是传统数字录像机难以做到的；

    *在标配的三块硬盘组成的阵列下，可以安全地保存长达64小时25Mb/s的素材，通过简单的复制操作，可以把这些素材备份到异地或是网络上。通过软件提供的格式转化功能，这些素材可以转化为AVI、Quicktime、DV25、SMPTE360M等不同格式，方便了与非编等其它设备的素材交换；

    *相较于磁带，硬盘的播出稳定性相当高，硬盘录像机的故障也比传统数字录像机少得多，不会出现由于断磁或磁头损伤而影响节目制作；

    *M322D采用了触摸屏面板，人机交互介面仿传统数字录像机，无需鼠标、键盘即可完成所有操作。同时，软件提供了基于SNMP（简单网络管理协议）的远程监控功能，很大程度上方便了我们的日常维护。

    这些特点，源自硬盘录像机的两个主要特征，硬盘访问存储数据的非线性和软件技术，这是传统数字录像机所不具备的。

    四、硬盘录像机在江苏电视台新闻演播室和体育演播室系统中的应用

    在我们的演播室系统中，硬盘录像机的两个输入分别为经过加嵌器和２×１应急倒换的PGM信号和切换台的一条辅助母线，输出为每一路的一主一备信号分别进入切换台和矩阵。以体育演播室系统为例，如图5示。

    这样的配置，兼顾了节目录制的安全和灵活，我们可以通过母线、矩阵或跳线多种方式在节目PGM录制的同时进行其它必要内容的录制。

    我们的多通道数字硬盘录像机平时用于新闻演播室和体育演播室大量的直播和录播节目中，对于很多栏目来说已是不可或缺的设备。主要的应用有以下几个方面：

WavePad

多通道数字硬盘录像机解析及应用 !分享