視頻服務器的結構分析

摘要：本文從視頻服務器的概念、構成、數字視音頻壓縮格式、信號輸入、存儲、組網技術、控制協(xié)議以及特點等方面，對視頻服務器的結構進行了詳細地分析。

關鍵詞：視頻服務器，視頻服務器的數字視音頻壓縮格式，視頻服務器的存儲，視頻服務器的網絡。

隨著視頻壓縮技術的不斷完善和計算機技術的發(fā)展，視頻服務器已廣泛應用于電視播出系統(tǒng)，視頻服務器在多頻道播出系統(tǒng)中的全面應用，使之成為電視臺播出系統(tǒng)中最重要的組成部分，同時，視頻服務器還具備許多傳統(tǒng)視頻設備所不具備的優(yōu)點，這一產品的應用可大大提高電視播出的工作效率。其實，視頻服務器還具備許多傳統(tǒng)視頻設備所不具備的優(yōu)點，還可以開發(fā)出許多新穎的應用方式。

一、視頻服務器的概念

視頻服務器是一種對視音頻數據進行壓縮、存儲及處理的專用計算機設備，它在廣告插播、多通道循環(huán)墊播、延時播出、硬盤播出及視頻節(jié)目點播等方面都有廣泛的應用。視頻服務器采用M—JPEG或MPEG—2等壓縮格式，在符合技術指標的情況下對視頻數據進行壓縮編碼，以滿足存儲和傳輸的要求。它使用SCSI接口硬盤或FC接口硬盤作為視音頻數據的在線存儲器。具有多通道輸入輸出、多種視音頻格式接口?？膳鋫銼CSI、FC等網絡接口進行組網，實現視音頻數據的傳輸和共享。

二、視頻服務器的構成

視頻服務器是一種壓縮、存儲、處理視音頻數據的專用計算機，它由視音頻壓縮編碼器、大容量存儲設備、輸入/輸出通道、網絡接口、視音頻接口、RS422串行接口、協(xié)議接口、軟件接口、視音頻交叉點矩陣等構成，同時，提供外鎖相和視頻處理功能。

典型應用方案

視音頻壓縮編碼器：由于視頻數字化后，數據量很大，故要利用成熟的壓縮技術，將視頻數據在滿足技術指標要求的條件下進行高壓縮比的壓縮，滿足存儲和傳輸要求。視頻服務器一般采用M—JPEG或MPEG—2等壓縮編碼器，用戶可根據實際情況選擇壓縮碼率和壓縮結構，以適合于各種不同的播出場合，達到既節(jié)省硬盤空間，增加節(jié)目存儲量，又能保證播出質量的目的。

大容量存儲設備：視頻服務器使用高速、寬帶的SCSI接口硬盤或最先進的FC接口硬盤作為視音頻素材存儲介質。同時視音頻數據的硬盤擴充也比較靈活。

輸入/輸出通道：視頻服務器具備多通道輸入/輸出系統(tǒng)，使多路錄入、播放能同時進行，實現多任務。

網絡接口：視頻服務器都帶有網絡接口，方便組網，實現數據共享。一般視頻服務器都帶有FC和以太網接口。FC光纖網采用IP協(xié)議作為視頻服務器之間快速、實時復制和移動素材的交換網絡，以太網用于傳送控制數據和狀態(tài)檢測的信息。

視音頻接口：視頻服務器都帶有標準視音頻接口和模擬監(jiān)視視頻接口，方便監(jiān)視各通道的視頻信號。輸入/輸出信號可以在模擬、分量和SDI中選擇。

RS422串行接口：視頻服務器都帶有多個RS422串行通訊接口，每個接口均可通過RS422通訊線由外部計算機控制實現記錄與播放。

協(xié)議接口：視頻服務器除提供各種控制硬件接口外，還提供協(xié)議接口。如RS422接口除支持RS422的Profile協(xié)議外，還支持 Louth、Odetics 、BVW等通過RS422控制的協(xié)議。

軟件接口：視頻服務器提供開放的軟件接口，供用戶或第三方廠商開發(fā)和構建新的應用方式。

視音頻交叉點矩陣：視頻服務器內帶視、音頻交叉點矩陣，視、音頻通道調度靈活，同時可保證技術指標不受損。

另外，視頻服務器提供外鎖相和視頻處理功能，方便構建專業(yè)化應用的視音頻系統(tǒng)。

三、視頻服務器的數字視音頻壓縮格式

數字壓縮技術，也就是通常所說的編碼方式，是視頻服務器的技術核心，也是我們選擇視頻服務器的首要考察對象。目前比較流行的數字壓縮編碼格式有M-JPEG、DV和MPEG-2，某些非真正廣播級的產品中還有在互聯(lián)網中常有的小波壓縮和MPEG-4壓縮。無論采用哪種壓縮方式，一般都對用戶提供可變的碼率，也就是當編碼時用戶可以選擇壓縮質量，當然DV只能提供25Mb/s和50Mb/s兩種碼率。

1．M-JPEG

在視頻服務器剛剛開始被采用的時候，大約在3～5年前，當時無論非編還是視頻服務器，M-JPEG幾乎是唯一的高質量壓縮方式。所以，早期的視頻服務器產品基本都采用M-JPEG壓縮。

作為一種數字壓縮格式，從模擬到數字、從錄像機到硬盤，M-JPEG為我們帶來了嶄新的數字化播出手段，它把信號變成了數據，應該來說M-JPEG壓縮技術在視頻服務器的出現過程中具有里程碑式的意義。M-JPEG是基于幀內、幀獨立的壓縮方式，所以相對于后來出現的MPEG-2 IBP長GOP壓縮方式，它數據量更大、也更容易實現視頻服務器內部的幀精度數據剪輯和變速播放。正因為這樣的特點，M-JPEG被廣泛運用于節(jié)目制作的服務器和電視臺廣告節(jié)目的播出服務器。時至今日，還有很多電視臺的使用它作為廣告播出，因為不管它有什么樣的缺點，但它解決了錄像帶多次播出的磨損和信號衰減問題。

除后期制作、廣告播出外，M-JPEG格式的視頻服務器不能被真正大量運用于大中型電視臺多頻道播出，真正的原因還在于M-JPEG這種壓縮方式并不是一個完全統(tǒng)一的壓縮標準，不同廠家的編解碼器和存儲方式并沒有統(tǒng)一的規(guī)定格式。這也就是說，每個型號的視頻服務器或編碼板有自己的M-JPEG版本，所以在服務器之間的數據傳輸、非線性制作網絡向服務器的數據傳輸都根本是不可能的。同時，例如MPEG-2等新的壓縮標準的出現，在更低的碼率下能提供更高的視頻質量，這也加速了這種服務器的消亡。

2．DV

由于采用DV技術的新一代數字攝像機和數字錄像機(如，松下的DVCPRO和Sony的DVCAM等)的出現和大量采用，不僅為電視臺記者提供了更加小巧、經濟的節(jié)目拍攝、制作設備，也促使視頻服務器開始采用DV壓縮格式。但因為DV本身是一種純多媒體格式，也是幀內壓縮方式，既繼承了M-JPEG比MPEG-2更容易編輯的優(yōu)點、也帶有M-JPEG數據量大的缺點。DV目前只支持兩種碼率：25Mb/s和50Mb/s，也有某些廠家的新技術資料宣稱將來會支持100Mb/s。DVCPRO 25的4:1:1量化、DVCAM的4:2:0量化，都不是我們真正追求的廣播級信號質量。而DVCPRO 50的4:2:2量化盡管能提供更高的信號質量，但數據量也是比較大的。

以DVCPRO為例，記者可以用小巧的數字攝像機拍攝節(jié)目，很方便攜帶、信號質量也不錯；回到電視臺后用IEEE1394接口或SDTI接口傳輸到制作服務器或非編系統(tǒng)，最后同樣方式再傳輸到播出服務器，不用回到視頻基帶就能完成傳輸和編輯。這種所謂的“Native DV”方式，保證了從拍攝到播出過程中好的質量，避免在制作過程中的信號質量損失，應該是一種很好的解決方案。同時，SDTI還提供對DV數據的多倍速傳輸，在保證信號質量的同時，節(jié)省了大量的傳輸時間。

但同時，它的25Mb/s和50Mb/s兩種固定碼率的數據量都很大，也造成了電視臺多頻道播出所需要的視頻服務器存儲空間很大、需要很大的投資來實現。所以，現在很多電視臺都是用DV設備來拍攝和編輯節(jié)目，而最終通過SDI傳輸到視頻服務器，用長GOP的MPEG-2 IBP來播出和存儲。

3．MPEG-2

在MPEG（運動圖像專家組）系列壓縮方式中，一般認為MPEG-1和MPEG-4的壓縮質量不能做到廣播級，所以沒有人用它們做播出；當然，在新近出現的電視臺媒體資產管理系統(tǒng)中，特別MPEG-4是一種非常理想的檢索、瀏覽和粗編的工具，在互聯(lián)網上也是被廣泛采用的視頻格式。

廣播電視領域采用的MPEG格式是4:2:2量化的MPEG-2，它在保證了足夠的色度信息的情況下做最有效的數據壓縮。MPEG-2采用可變的壓縮率，最高可達50Mb/s。其采用的幀間壓縮方式，利用幀之間的冗余信息大大減少壓縮數據量，達到同樣的視頻質量MPEG-2所需的碼率只有M-JPEG的1/3甚至更少。大家一般意義上認為MPEG-2 IBP的長GOP壓縮方式的8～12Mb/s已經達到廣播級質量，可見其幀間壓縮效率是非常高的；這對于電視臺多頻道的大量播出節(jié)目是非常重要的特點，也使得真正的多頻道視頻服務器播出方式成為可能。

除壓縮效率的優(yōu)點外，MPEG-2有一個不同廠家均認可的國際標準，使得不同的壓縮系統(tǒng)能產生相同格式的數據文件；當然因為存儲方式的不同，數據在存儲過程中也需要適當的轉換。所以，近幾年視頻服務器領域采用最多的都是MPEG-2壓縮方式，這也是目前服務器的主流格式。

對于MPEG-2壓縮，如果采用純I幀方式，也就類同于M-JPEG壓縮了，等于是幀內的壓縮。所以我們談論MPEG-2在播出服務器中的應用，往往都指的是IBP壓縮，而且是長GOP方式。當然，由于采用長GOP，不是每個幀的數據都能非?？焖?、完全地進行圖像恢復，所以在編輯和搜索過程會比較困難。目前的一些非線性網絡也采用MPEG-2壓縮方式，但為滿足快速幀精度編輯的需要，往往都是純I幀壓縮，只有少量廠家的產品采用IBP壓縮。