Цифровые телевизионные системы: новые возможности

Сергей Долгов, инженер по видеооборудованию компании

«Профессиональные Телевизионные Системы»

Традиционно сигнал внутри ТВ-компании распространяется в виде аналогового композитного. Это наиболее дешевый, но почти самый худший способ. При последовательной обработке сигнала каждый узел обработки — будь то АЦП, фильтр, микшер — ухудшает сигнал, и эти ухудшения накапливаются. Разумеется, можно попытаться включить в цепь устройство, восстанавливающее параметры. Однако есть возможность обойтись без этого, поскольку если использовать «цифру», то это даст недостижимую ранее возможность — сохранить высокое качество изображения на всех этапах обработки. Поэтому необходимо перейти от распространения сигнала в аналоговой форме к его распространению в цифровом виде. Любой репортаж о каких бы то ни было реальных событиях только выиграет, если будет снят и смонтирован в цифровом формате, потому что зритель увидит все мельчайшие детали, почувствует себя участниками событий, а рекламодатель отметит, что изображение отличается хорошим качеством даже в плохих условиях съемки.

Без сомнения, если сейчас заходит речь о техническом перевооружении компании, то можно говорить только о переходе на цифровой формат. Здесь главное — не наделать ошибок, потому что собственно цифра далеко не нова в мире, выбор устройств огромен, и когда бюджет на оборудование ограничен, важно потратить его так, чтобы через два года купленные системы не устарели и органично вписались в развивающуюся базу.

Цифровые форматы передачи сигналов

SDI (Serial Digital Interface) он же SMPTE-259M. Используется как основное «транспортное средство» для внутреннего распространения сигнала в современных крупных компаниях за рубежом и в России. Скорость передачи составляет 270 Мбит/с. Передача однонаправленная, по обычному коаксиальному кабелю. Применяются хорошо известные разъемы BNC. Внутри потока видео передается в форме оцифрованного (4:2:2) компонентного сигнала, с глубиной квантования 8 бит на компоненту (в соответствующем оборудовании сигнал обрабатывается с глубиной 10 бит). Кроме этого, передаются четыре канала звука, а также временной код. Максимальная длина кабеля ограничивается его характеристиками и чувствительностью входных каскадов приемника (обычно это 300 м без применения дополнительных устройств. — Ред.). Стандарт широко поддержан всеми производителями цифрового оборудования, имеется огромное число различных устройств для его обработки — смешивания со звуком, синхронизации, переключения и т.д. Важное свойство SDI: стандарт разрабатывался для облегчения перехода от аналогового сигнала к цифровому, поскольку кабели и разъемы остались теми же. Можно использовать даже механические матрицы для коммутации этого сигнала, разумеется, без гарантии отсутствия подрыва изображения при переключении.

Компьютерная сеть Ethernet — это уже нечто совершенно иное. Подразумевается, что вся обработка изображения производится на компьютерных станциях монтажа и графики, после чего оно передается на сервер. Видео вместе со звуком распространяется в форме компьютерных файлов. При использовании недорогой сети Ethernet 100BaseT скорость передачи компрессированного видео в формате DV 4:2:0 или 4:1:1 в 4 раза выше, чем при его передаче напрямую. Возможно использование стандарта 1000BaseT, тогда скорость обмена видео между станциями становится теоретически в 40 (!) раз выше, чем обмен в режиме реального времени, например через IEEE 1394. При этом исключаются лишние преобразования сигнала, которые отрицательно влияют на качество изображения.

Третий вариант — это компьютерная сеть SAN FiberChannel. Аббревиатура SAN (Storage Area Network) означает сеть, построенную вокруг общего устройства хранения данных. Fibre Channel подразумевает объединение компонент в производственную единицу с функциональным разделением частей и обменом данными между ними по высокоскоростным каналам. Поддерживается консорциумом из огромного числа компаний, в который входят всемирно известные — Intel, Cisco, IBM и многие другие. Основное логическое отличие от Ethernet — компьютеры сети соединяются через высокоскоростной переключатель с единым огромным дисковым массивом. Для каждого компьютера этот массив выглядит как локальный высокоскоростной SCSI-диск, даже если он установлен на расстоянии 10 километров. Высокая скорость (до 2 Гбит/с) обеспечивается специальными сетевыми картами и коммутатором, внутренняя шина которого имеет пропускную способность в десятки Гбит/с. В качестве физической среды может использоваться оптоволокно, медная витая пара, параллельные кабели и т.д. — здесь те же правила, что и для Ethernet 1000BaseT. Протокол SAN — это транспортный протокол низкого уровня. Кроме передачи блоков байт от накопителя к процессору, этот протокол используется как база для построения на нем сети Ethernet, обмена данными по интернет-протоколам (IP) и т.д. На настоящий момент это самое мощное средство организации сети телекомпании, поскольку оно дает невиданные ранее возможности: фрагменты видео оцифровываются на любой станции и сразу же попадают на общий дисковый массив, откуда без лишнего копирования могут быть немедленно использованы для монтажа или выдачи в эфир. Системы SAN FC получают все большее распространение в России, не говоря уже о зарубежных телекомпаниях, где эти сети становятся нормой.

Для того чтобы определиться, как построить цифровую студию телевидения, можно представить некий «идеал», к которому следует стремиться, и вывести из него несколько вариантов в качестве контрольных точек. Обобщив все сложные варианты, получим относительно простую схему, ее можно конкретизировать для каждого случая в отдельности.

Основные принципы построения структурной схемы телекомпании

Основные принципы построения инфраструктуры телекомпании таковы:

передачу видео между некомпьютеризованными узлами осуществлять по интерфейсу SDI;

обработку видео (подготовку сюжетов, монтаж рекламы и т.д.) вести на станциях нелинейного монтажа, объединенных в сеть SAN FC;

для выдачи собственных материалов в эфир использовать эфирный сервер.

Общий принцип: все подразделения компании (АСБ, эфирная аппаратная, монтажные и др.) — это единая система, вся коммутация как по SDI, так и SAN производится через центральную аппаратную АЦ (или CAR — Control Air Room). Каждое подразделение компании рассматривается как источник или приемник видеосигнала, распространяемого в одной из двух форм — по SDI и (или) по компьютерной сети в виде файлов. Каждая из этих цепей имеет свое назначение: SDI применяется для работы с «живым» видео, получаемым от спутника, от ПТС или во время прямого эфира из собственной студии. Компьютерная сеть используется для работы со своими сюжетами, которые будут выдаваться в эфир в записи. При этом достигается существенный выигрыш в скорости, поскольку видео по сети передается во много раз быстрее реального времени. Такой подход позволяет безболезненно добавлять новые аппаратные, менять конфигурацию любой аппаратной, наращивать мощность, минимизировать количество необходимого оборудования, свести к минимуму, а в перспективе вообще отказаться от применения видеоленты. Резервные цепи позволяют выдачу в эфир сигнала при выходе из строя какой-либо части системы.

Центральная аппаратная

Логично начать построение такой системы с центральной аппаратной, а именно с перечня оборудования, которое должно располагаться там:

— видеосервер;

— дисковый массив;

— коммутационная матрица 32x32 для SDI-видео;

— коммутационная матрица 32x32 для аналогового звука;

— коммутатор Fibre Channel;

— синхрогенератор, генератор временного кода, часы эфирные, ГЦП.

Рис. 1.

Конфигурация CAR и структурная схема всего комплекса показана на рис.1.

Основное назначение центральной аппаратной — это объединение всех технических подразделений ТВ-компании в единый комплекс.

Применение матричного коммутатора с достаточным коммутационным полем позволяет решить эту задачу в зоне передачи видео и звука между некомпьютеризованными узлами комплекса. Каждый источник подключается к определенному входу матрицы, каждый потребитель — соответственно, на определенный выход. Коммутатор позволяет оперативно менять конфигурацию студии, не производя физического изменения схемы коммутации, то есть не трогая разъемы. Возможно подключение любого из выходов матрицы к любому из входов, в том числе подключение всех выходов к одному и тому же входу, без нарушения при этом необходимого для видеосигналов согласования входов и выходов. Возможна привязка момента переключения к кадровому гасящему импульсу (КГИ) внешнего синхросигнала. Так как видеосинал — SDI, а звук — аналоговый, матрица должна состоять из двух коммутаторов — по видео и по звуку, что не проблема, поскольку все производители такого оборудования учитывают это условие, и все коммутаторы звука используются в паре с любым коммутатором видеосигналов с одинаковым размером коммутационного поля. Энергонезависимая память позволяет автоматически восстанавливать состояние коммутатора после провалов сетевого питания и сохранять часто используемую конфигурацию. Возможность удаленного управления матрицей с помощью панелей управления (количество панелей равно количеству используемых выходов) позволяет оперативно производить переключение сигналов с любого рабочего места и независимо друг от друга.

Видеосервер подключен к входу матрицы через устройство извлечения звука из потока SDI (de-embedder), который из цифрового потока выделяет поток звука и преобразует его в аналоговую форму. Выходы видео и звука с матрицы для записи на видеосервер объединяются через обратный преобразователь (embedder) — аналоговый звук преобразуется в цифровой и замешивается в SDI-поток видео — и подаются на вход видеосервера. Дополнительный выход PAL устройства внедрения звука можно использовать для записи сюжетов с низким разрешением на LR-сервер (одновременно с записью на основной видеосервер). Использание сети Ethernet позволяет осуществлять предварительный просмотр записанных сюжетов и черновой монтаж прямо на рабочем месте редактора или журналиста.

Разместив в АЦ RAID-массив достаточно большой емкости и коммутатор FC, можно создать сеть хранения данных SAN. Через коммутатор FC записанная на видеосервере информация размещается в RAID-массиве в виде файлов. Установка адаптеров НВА в компьютер позволяет обеспечить доступ к устройствам хранения, различным потребителям, например аппаратным нелинейного монтажа, находящимся на большом расстоянии от АЦ. Фрагменты видео могут быть немедленно использованы для монтажа на любой станции, и готовые сюжеты сразу же с дискового массива через видеосервер и матричный коммутатор без лишнего копирования выдаются в эфир.

В центральной аппаратной логично установить синхрогенератор, генератор тестовых сигналов и систему студийного времени. Подключив тест-сигнал на вход матричного коммутатора, можно производить контроль работоспособности и оценку практически всех основных характеристик полного видеотракта комплекса. Имеющийся встроенный звуковой генератор дает возможность проверить звуковой тракт.

АСБ (аппаратно-студийный блок)

Аппаратно-студийный блок предназначен для формирования ТВ-программ или их фрагментов путем записи или прямой передачи в эфир и обычно рассматривается как полнофункциональная самостоятельная технологическая единица. Такой взгляд, конечно, имеет право на существование, но если учесть, что обычно в АСБ создаются программы различного тематического направления — музыкальные, новостные и др., то набор необходимого технологического оборудования в АСБ должен быть большим и разнообразным.

Предлагаемый вариант построения АСБ разработан исходя из концепции, что АСБ — это составная часть единой цифровой системы ТВ-компании, а часть оборудования, обеспечивающая широкий спектр технологических возможностей АСБ для организации самых разнообразных и сложных телевизионных трансляций и записей, размещается в других подразделениях (рис. 2).

Рис. 2. Схема АСБ

Основным источником внешних для АСБ сигналов (в формате SDI) является коммутационная матрица центральной аппаратной. Для выбора источников на рабочем месте видеорежиссера имеется панель управления центральной матрицей. Возможно подключение также и ряда других внешних линий.

В состав основного оборудования АСБ входят четыре камеры, однако кабельные коммуникации и контрольное оборудование должно давать возможность увеличения числа стационарных камер до 6…8. В соответствии с требованиями времени необходимо предусмотреть возможность работы как в формате 4:3, так и 16:9. Студийные видеокамеры соединяются с базовыми станциями многожильным (26 pin) кабелем, поскольку триаксиальные системы дороже и их применение оправдано, если камера располагается далеко от базовой станции, на расстоянии более 100 м. Базовые станции современных студийных камер имеют выходы видеосигнала формата SDI. Они подключаются к видеомикшеру. Сигналы от внешних источников через усилители-распределители также поступают на видеомикшер. Стоит заметить, что все видеосигналы, поступающие на студийный видеомикшер, должны быть синхронизированы — только в этом случае может происходить чистая коммутация. Синхрогенератор установлен в АЦ, синхронизация источников осуществляется параллельным способом, через усилители-распределители.

Видеомикшер должен иметь достаточное количество входов видеосигналов SDI и несколько коммутационных линеек. Первая из них — программная — предназначена для подачи выбранного видеосигнала непосредственно на программный выход видеомикшера. На дополнительных линейках производится плавная смена видеоизображений. У микшера должны быть выходы Tally, которые соединяются с одноименными входами на камерных каналах и системных видеомониторах в студийном и инженерном блоках (сигнал «Эфир»), коммутатор (aux) для набора видеосигнала на вход титровальной системы или процессора спецэффектов, которые работают в режиме GenLock, пропуская видеосигнал «сквозь себя».

Для резервирования тракта видеомикшера применяется матричный коммутатор (8x8), на входы которого подключаются те же источники, что и на видеомикшер. Сигналы с выходов микшера и коммутатора подаются на автоматический переключатель обхода: при пропадании сигнала с микшера он автоматически переключается на сигнал с матрицы. Второй выход микшера подключен на вход коммутатора, что повышает гибкость технологического использования видеотракта аппаратной. Помимо матричных коммутаторов в состав как видео-, так и звукового оборудования включены панели ручной коммутации сигналов (на схеме не указаны).

Сигнал выходного тракта подается на матрицу в АЦ, и запись программ из АСБ производится на видеосервер в АЦ, один из выходов коммутатора резерва также подключен к центральной матрице.

В АСБ установлен дисковый рекордер (один вход на запись, два независимых выхода на воспроизведение). В любом режиме работы АСБ, будь то запись программы или эфир, дисковый рекордер и центральный видеосервер резервируют друг друга.

Для визуального контроля сигналов источников и выходных программ АСБ оснащена цветными цифровыми и аналоговыми мониторами.

Звуковое оборудование также должно обеспечивать производство самых различных программ. Аудиосигналы с дискового рекордера и матрицы АЦ подключены к аудиомикшеру звукорежиссера, а как дополнительные устройства могут использоваться кассетная дека, CD-проигрыватель и др.

В качестве системы мониторинга возможно использование полиэкранного процессора с достаточным количеством входов (например 8). Такая система может заменить мониторную стену из нескольких мониторов со всеми системами служебной индикации и контроля аудиосигналов.

Вариант построения эфирной аппаратной

В данной конфигурации эфирной аппаратной имеется возможность ретрансляции программы федерального распространения. Оборудование для приема сигнала со спутника располагать в эфирной аппаратной не обязательно (в схеме на рис. 3 оно представлено для наглядности).

Рис. 3. Схема эфирной аппаратной

При проектировании эфирной аппаратной особое внимание уделено резервированию отдельных участков тракта аппаратной.

Видеосигналы от источников поступают на видеомикшер, с помощью которого производится переключение с источника на источник, как прямой склейкой, так и посредством какого-либо визуального эффекта. Видеомикшер должен поддерживать работу с графическими файлами, подготовленными на внешнем компьютере для создания титров (как вариант — наличие порта USB) и «уметь» коммутировать звук.

Источниками сигналов являются:

— все аппаратные комплекса, в которых возможен прямой эфир;

— выходы матрицы АЦ для получения сигналов от видеосервера и других источников (в эфирной аппаратной следует предусмотреть панель управления матрицей АЦ и возможность управления видеосервером);

— цифровой дисковый рекордер, на котором записаны сюжеты, готовые к эфиру;

— сигнал программы федерального распространения.

Дисковый рекордер, как правило, имеет один канал записи и два канала воспроизведения и функционально заменяет собой сразу три видеомагнитофона: один записывающий и два воспроизводящих. Все сюжеты для эфира хранятся и в рекордере, и в видеосервере — это обеспечивает достаточное резервирование источников сигнала для эфира. Такая конфигурация позволяет полностью отказаться от использования ленточных видеомагнитофонов в эфирной аппаратной. Резерв для видеомикшера — матричный коммутатор (8x8).

Затем в сигнал замешивается логотип, и он поступает на транскодер, где преобразуется в стандарт SECAM.

Сигнал программы федерального распространения и сигнал с выхода эфирной аппаратной поступают на кнопочный коммутатор.

Заключение

На сегодняшний день все большее число телекомпаний используют формат SDI для передачи видео, а системы хранения видеоданных построены на основе SAN. Для подключения к серверам дисковых массивов повсеместно используется интерфейс Fibre Channel. Конечно же, для создания SAN и модернизации видеотракта необходимо проводить проектирование, однако сегодня это уже не является уникальным новаторским решением. Необходимо решить для себя: стоит ли при модернизации или создании новой системы хранения данных вкладывать средства в устаревшие технологии или нужно уже сегодня начать внедрять SAN, чтобы не отстать завтра. Но и это не самое главное. Переход на «цифру» дает техническую возможность внедрить автоматизацию эфирного вещания, а затем построить полностью автоматизированный безленточный телеканал и довести его до уровня полностью цифровой рентабельной системы.