廣播級視頻切換臺系統設備，作為廣電行業節目制播的核心設備，負責系統中各種信號的接入和切換輸出，該類設備長期被國外廠商壟斷，國產化的廣播級超高清IP視頻切換臺產品還處于空白狀態。市場上主流的廣播級視頻切換臺基于FPGA架構開發，硬件開發成本大、周期長，且相關廠家已擁有較長時間的技術積淀，技術壁壘高，難以突破。

　　視頻切換臺的功能單一，切換效果固化且簡單，需要配備多種設備擴展其功能，整體流程復雜，人力、物力資源消耗大，各類超高清制播設備的價格也較昂貴，以致超高清節目制播成本居高不下。

　　IP化標準歷經復合流發展、分離流發展、網絡和資源管理發展等階段，多項標準已非常成熟。使用IP化技術進行視頻信號的傳輸調度已成為下階段發展中的共識，可充分解決現有環境下制播系統向超高清發展面臨的困境。

　　國產化的SDN交換設備日漸成熟，在多地都已經完成了實際應用案例。

　　新奧特超高清全IP視頻切換臺系統設計研發超高清全IP視頻切換臺系統，系統采用全IP架構，基于SDN交換機+通用計算機平臺。系統充分考慮應用流程簡化、靈活操控、成本控制等問題的同時，也滿足了超高清節目制作中用戶在包裝特效、新媒體支持、多場景制作等方面的提出的需求。

　　系統基于通用SDN交換機和軟件定義體系架構，研發切換臺調度管控軟件和視頻信號處理模塊，以較低成本實現超大規模SMPTE ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換，以基于GPU的超高清三維渲染引擎呈現切換臺的三維多視窗和CG轉場特效。

　　系統同時具有超高清視頻文件播放、三維圖文渲染包裝、流媒體信號接入和輸出、字幕制作、Tally控制、錄制等功能，實現全媒體現場制作。

　　系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時部署在PC端及PAD、手機等移動端。軟硬面板可協同工作，模塊化擴展，適配不同應用場景。

　　系統具有擴展性強，功能完善，靈活可變等特點，可滿足電視臺的超高清、超融合、全媒體節目發展變化和節目制播需求。

　　國產超高清全IP視頻切換臺系統已在超高清節目制作中實踐應用，可滿足相關部門的節目生產要求，提高了節目生產效率，安全可靠。

　　系統架構圖

　　項目主要技術參數、系統指標：

　　?支持IP 2110信號的輸入和輸出;

　　?支持色域ITU-R BT.709和色域ITU-R BT.2020的渲染輸出;

　　?支持SDN IP調度管理;

　　?系統信號輸入數量與交換機相關，支持超大規模信號調度管理;

　　?系統支持PTP時鐘鎖相;

　　?支持PGM信號和PVW信號的凈切換輸出;

　　?具備信號切換模塊，支持信號硬切換、特技切換、動畫轉場切換;

　　?支持多格式本地視頻文件的邏輯設置和播出;

　　?支持三維多視窗場景的編輯和輸出;

　　?支持流媒體信號的輸入和輸出;

　　?支持三維圖文包裝內容渲染;

　　?支持Tally控制;

　　?支持本地文件錄制;

　　?支持硬件操控面板的控制;

　　?支持虛擬軟面板的控制;

　　?支持硬件面板和虛擬面板的系統操控;

　　項目技術及工藝創新要點：

　　項目技術點：

　　a.技術架構

　　本系統中包含視頻信號調度模塊、視頻處理模塊及控制模塊。視頻信號調度模塊包含SDN調度管理服務器;視頻處理模塊中包含SMPTE ST 2110 IP信號接入、文件播放、圖文包裝、流編解碼、Tally、信號錄制、信號切換、特技切換、三維多視窗場景切換等多個功能組件;控制模塊中包含硬件操控面板、軟操控面板。系統采用全IP架構，強大的渲染能力，將諸多演播室功能融合于系統內部，無需額外增加設備。

　　功能模塊架構

　　b.信號調度凈切

　　基于通用SDN交換機和軟件定義體系架構，研發切換臺調度管控軟件，滿足無壓縮、低延遲4K IP視頻信號調度應用需求，支持SMPTE ST 2110、SMPTE ST 2022-7、SMPTE ST 2059-2等標準;支持SDN交換機端口管理，流信號的管理和監測，實現視頻數據、音頻數據、輔助數據的一鍵式切換。

　　本系統采用創新無壓縮IP視頻信號雙層調度切換機制，用戶使用操控面板發出切換指令，視頻信號調度模塊聯合視頻處理模塊，最終完成SDN交換機中IP 2110信號的調度和視頻處理模塊的畫面凈切換輸出。全IP架構，靈活性高，擴展性強，可通過交換機端口擴展，以較低成本實現超大規模ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換。

　　通用型SDN交換機+創新調度

　　c.三維渲染引擎

　　視頻處理模塊中的超高清三維渲染引擎，采用了諸多先進的算法和技術語言，提供了豐富的功能組件：

　　渲染引擎采用通用的三維渲染技術Direct3D和與之配套的高性能GPU。渲染引擎內部采用16位RGBA浮點渲染，并采用浮點紋理格式，擁有遠超常規整數渲染的高動態范圍和高精度;三維渲染引擎使用GPU語言實現了高效的多路超高清畫面色彩空間和像素格式的轉換算法，使用GPU支持的快速內存操作保證了大量數據的快速傳輸，在技術實現上保證了使用10bit格式輸入輸出多路HDR視頻的實時性;三維渲染引擎具備強大的視頻播放能力。其技術涉及CPU解碼、GPU上載、GPU紋理處理、幀/場處理和渲染展示等。

　　搭載超高清三維渲染引擎，視頻處理模塊可完成視頻切換臺中畫面轉換的渲染，可為轉換提供CG轉場特效，CG轉場特效設置簡單，畫面效果豐富。內置的超高清視頻播放列表和多視窗場景資源也可作為信源通道參與切換;內置的圖文包裝播出列表可完成圖文字幕的渲染和疊加。

　　三維多視窗場景

　　d.軟硬面板一體化操控

　　系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時部署在PC端及PAD、手機等移動端。軟硬面板可協同工作，模塊化擴展，適配不同應用場景。

　　操控指令

　　e.同步信號

　　PTP時間精度可達到亞微秒級，可滿足廣電行業更高精度的時間同步要求。本系統中配置一套同步系統采用ST 2059-2 的PTP 信號，所有IP設備均可聯通PTP時鐘來進行時鐘校準，實現全環境中信號的時鐘同步。

　　f.延遲

　　在IP系統中的信號傳輸，同樣也會有延遲的問題，系統流程上設備內部進行信號處理或系統間信號傳輸交互都需要耗費一定的時間。本系統中交換機傳輸、視頻處理模塊切換構成了系統輸入到輸出的總體延遲。

　　視頻處理模塊接收到IP 2110信號流后，先進行信號的采集解碼，然后將視頻內容和音頻內容分別推送至視頻池和音頻池。視頻池中的內容經過切換處理后通過內部鍵混增加圖文字幕信息，最終視頻畫面內容被推送到IO卡進行編碼輸出。音頻池中的內容也遵循音頻混合邏輯，在音頻混合器中完成合成，被推送到IO卡進行編碼輸出。音頻內容和視頻內容在視頻處理模塊渲染引擎中進行高速處理合成，有效降低了系統的整體絕對延遲。

　　視頻處理模塊內部流程圖

　　g.Tally控制

　　系統提供Tally控制模塊，可通過TSL 5.0協議發布三色Tally信息。系統中需要Tally顯示的攝像機，聯通與Tally模塊的通信。當切換處理核心模塊進行信號切換時，會將切換信息傳送給Tally模塊,由Tally模塊將信息發送至接收端。

　　h.音頻處理

　　系統提供虛擬調音臺，系統為接入信號(SMPTE ST 2110、NDI、流媒體、DDR)自動創建一路音頻控制器。系統還可支持外置聲卡的接入，支持音頻的輸入和輸出。

　　音頻控制器支持UV表顯示和調節，Tally顯示，伴隨及禁音狀態顯示。虛擬調音臺默認切換邏輯為“伴隨切換”，音頻輸出通道的內容會隨著PGM通道內容切換自動進行切換，未進入PGM通道播出的信源的音頻內容被自動禁音。另外系統還支持“禁音”和“伴隨混音”的邏輯，“禁音”設置具有最高權限;音頻控制器“伴隨混音”設置打開，該路音頻內容將會持續在輸出通道中進行混音。

　　i.系統安全

　　為確保系統運行的穩定與安全，系統在程序運行平臺、信號冗余保護、應急處理等方面都做了一定的考慮和處理：

　　基于Linux操作系統開發切換臺調度管控軟件，系統具有高安全性、高靈活性、管理靈活等特點。

　　本系統SDN交換機支持主備流配對，切換時支持同步切換。在核心處理系統中，支持SMPTE ST 2022-7主備路冗余信號的同時輸入和同步凈切換，實現信號的冗余保護

　　基于異態路由調度策略機制，實現一鍵智能應急切換。操控面板配備智能應急按鍵。當切換臺輸出信號出現異常時，應急人員無需判斷故障節點，只需按智能應急按鍵進行應急。系統根據事先設置的異態路由調度策略機制以及按鍵的次數進行緊急切換應急。應急操作簡單，從而提高應急效率。

　　工藝創新要點：

　　a.研發切換臺調度管控軟件和視頻信號處理模塊，以較低成本實現超大規模ST 2110 4K IP視頻信號低延遲傳輸和凈切換，實現對 IP視頻流的實時切換和特效處理;

　　b.本系統具備超強的本地超高清視頻播放能力;支持多種流媒體信號接收;系統內嵌在線包裝模塊，可實現三維圖文包裝內容的內部疊加和字幕播出;系統具備音頻處理模塊，支持聲音的多種控制邏輯;系統支持PGM信號錄制為多格式本地文件和多格式、多編碼、多地址指向的流媒體推送;支持TSL 5.0 Tally信號的發布，多功能融合，可實現全媒體現場制作。

　　c.系統基于軟硬一體設計，硬件面板配置通道按鍵、轉換按鍵、鍵控按鍵，提供定制化的用戶切換按鍵、布局切換按鍵、輸出控制按鍵、媒體播放控制按鍵、圖文播出控制按鍵、CG轉場按鍵等;除硬件操控面板外，還支持軟面板觸控式操控，軟面板可同時部署在PC端及PAD、手機等移動端。軟硬面板可協同工作，模塊化擴展，適配不同應用場景。