轻量化制作系统中NDI技术的应用.pdf

关键词NDI 轻量化 应用轻量化制作系统中 NDI 技术的应用 作者 广东广播电视台陈文旭本文根据广东广播电视台轻量化演播室系统的建设为依据，阐述了如何基于 NDI 技术实现信号的传输、制作和收录等功能以及整套系统的配置情况，满足快速响应节目制作的需求。文章重点介绍了 NDI 编码技术的优势、系统架构及系统设备配置等内容。摘要随着广播电视技术的变革，广播电视行业正在朝着超高清化、移动化、智能化的方向转变，因此基于IP 化、网络化的节目制作、云导播等相关技术应运而生，让节目制作更加简单化。同时在传统电视节目受到网络视频冲击的市场环境下，节目制作模式也在发生变革，许多电视台在维护传统电视大屏幕收视率的同时也在抢占手机小屏幕的阵地，融媒体技术和解决方案也正在发展壮大。目前广东台的电视制作系统大部分采用传统的SDI 架构进行部署，系统架构庞大复杂，系统信号单向流转，需使用讯道机光缆或 SDI 线缆，将摄像机拍摄信号分别传输至切换台、矩阵等设备中，导致布线复杂、制作场地固定、系统改造维护困难等问题，难以匹配快速变化的节目市场需求，因此轻量化的节目制作系统依靠它的快速响应能力，越来越受到广播电视行业的青睐。本文介绍的是采用基于 NDI 传输技术，多功能一体机调度切换，NDI、SDI、互联网推流多种分发模式的经量化节目制作系统，系统架构简单、易于部署、操作便捷，能够快速响应节目制作需求以及外出进行小型节目制作的需求。一 NDI 技术的选择 1.NDI 技术优势NDI是Network Device Interface 的简称，是NewTek公司于 2015 年推出的网络设备接口协议，重在局域网内通过 IP 网络实现信号的传输，一个设备可以同时输出或者接收多个 NDI 信号。目前已推出了全新的第五代 NDI 技术NDI 5，具备面向远距离传输、互联网联动及远程制作的能力。NDI 协议具有两个版本，一个是 NDI|HX，采用基于 H.264 编码的长 GPO 进行压缩，优点是传输带宽要求低，但图像质量损失大，较多使用于传输域场景。另外一个版本 FULL NDI，适合于节目制作域场景，采用基于 SHQ2/7 编码的 I 帧内进行压缩，具备超低延迟和图像质量几乎无损的特点，高清视频能够压缩至带宽 90Mbps180Mbps，4K 视频能够压缩带宽至200Mbps300Mbps，使得视频在 IP 空间进行简捷高效的传输成为现实。相对于SRT、RTMP等传输协议，SRT协议是基于 H.264/H.265 压缩方案的传输协议，传输带宽可调，是一种能够在复杂网络环境下实时、准确、点对点地传输数据流的网络传输技术，网络延迟约为 1 秒，RTMP 协议主要用来在 Flash/AIR 平台和支持 RTMP 协议的流媒体/交互服务器之间进行音视频和数据通信，因此对于无跨网络传输、信号质量要求较高的电视节目制作应用场景，FULL NDI 技术是最优的选择，能够满足制作系统获得更高的图像质量、更低的延迟、更灵活的信号互联互通等要求。2.NDI 图像质量测试如图 1 所示，将一个 38402160 分辨率、HDR高动态范围、BT2020 色域的 4K 原生信号经过 NDI协议编解码后，与 SDI 原生信号同时输入切换台，并进行左右划像操作。图 1 左侧为 NDI 编解码图像、亮度和色域指标，右侧为 SDI 原生图像、亮度和色域指标。通过人眼主观观察，NDI 图像和 SDI 图像质量几乎看不出任何差异，延迟量约为 23 帧，能够中心技术SYSTEM TECHNOLOGY072满足节目制作的要求。通过示波器客观观测，经过编码后的 NDI 信号带宽约为 280Mbps，NDI 图像的高动态范围和色域还是保持在原有的空间，但图像经过NDI 编码后损失了部分高频信号，总体信息量有所减少，影响了图像的细节还原。因此，NDI 传输技术应用于访谈类、新闻类等高频信号较少的节目制作更能发挥自身优势。二 系统架构 如图 2 所示，本系统为 3 讯道演播室制作系统，每套摄像机输出的 SDI 或者 HDMI 信号经过 NDI 编码器进行 FULL NDI 编码后，NDI 信号以 IP 流的模式在交换机内流转。根据 NDI 协议的特点，可以实现多通道传输，每一个信号源都可被多个接收端利用，每个接收端可接收多个信号源进行处理，任何设备的NDI 数据流都能在 IP 网络中互联互通。因此多功能一体机自动发现并采集 3 套摄像机的 NDI 信号，同时通过物理声卡采集到调音台输出的音频信号作为一路输入信号，完成信号的处理和切换后，输出一路带加嵌音频的 PGM 信号，PGM 信号可以通过多种方式向外输出，包括 NDI 流、SDI 信号和 RMTP、SRT协议的互联网推流信号。同时多功能一体机可将音、视频采集卡采集到的调音台音频信号和 SDI 视频信号转码为 NDI 信号流输出至交换机，为 NDI 收录服务器提供信号源选择。收录服务器可以通过 SDI 和 NDI 两种方式进行节目录制，SDI 收录服务器收录 PGM 信号，而 NDI 收录服务器可选择任一路独立的音、视频NDI 信号进行组合录制，例如 NDI 收录服务器的收录画面可以选择摄像机 1，而收录的声音可以选择调音台的输出信号，也可以选择摄像机 2 的音频1图像质量对比图2系统架构图Advanced Television Engineering073信号等，即录制的声音和画面可以通过 NDI 流按需组合，对需要多画面、多通道录制的节目提供了便利条件。按照如上的系统部署，系统架构简单便捷，能够快速部署并投入使用，按照我们的经验，一般半天时间内即可完成整套系统的施工并投入运行。系统无需复杂的配置，在 NDI 协议下，NDI 源能够自动发现和配置，只要保持 NDI 编码器、多功能一体机、NDI 收录服务器在同一个局域网内，所有 NDI 信号都能够互联互通。交换机采用普通千兆交换机即可满足性能要求，NDI信号在交换机中进行二层数据交换，交换机无需任何配置即可使用。该套系统能够满足高清电视节目制作，也可满足 4K 电视节目的制作，多功能一体机兼容高清和 4K 信号，区别在于 NDI 信号码流大小不同而已。因此，整套系统的配置具备了兼容性、轻量化的特点。三 多功能一体机介绍 基于 NDI 传输技术，节目制作系统信号由原来的点对点传输变成以 IP 为基础的网络架构传输，引导制作技术朝着硬件通用化、软件功能化的模式发展，目前大部分制作流程可以在通用 IT 平台上通过软件化的方式实现，包括 OBS、vMix、Livestream 等软件都可以搭载在通用的计算机上实现基于 NDI 信号的通道切换和节目制作。信号以 NDI 的模式传输为打造轻量化节目制作系统提供了基础，本系统配置的多功能一体机是打造轻量化节目制作系统的核心。多功能一体机采用通用Windows10 PC 服务器+vMix 功能软件+多功能切换台的模式，实现多信号采集、导播切换、音频加嵌、虚拟、监看、字幕、抠像、网络直播等功能，能够满足演播制作域系统的全部功能。具体情况如图3所示。1.多功能一体机优势相对于传统制作系统设备，多功能一体机突破了传统的一机一用的壁垒，将传统制作系统的信号采集、视音频加解嵌、多通道导播切换、播出、信号录制、色键抠像、字幕、调音台等所有的核心功能，通过功能板卡+软件模块+计算机算力的模式最大限度地集中在一台设备里面，以达到一机多能、一机全能的目的，极大地简化了系统架构，在节省资金人力、简化系统连接、便捷人员操作、适应多种应用场景等方面表现出较大优势。2.多功能一体机硬件配置 CPU：Intel 酷睿 i7 11700；内存：16G DDR4；硬盘：256GB+1TB；网络接口：2 个以太网口，用于 NDI 信号的输入、输出，网络推流以及互联网访问服务；视频采集卡：4 路 12G-SDI，用于 SDI 信号的输入、输出；音频采集卡：4 路卡侬接入+2 路卡侬输出，用于音频信号的加解嵌；内嵌切换台：12 通道多功能切换面板，用于导播切换图像操作。3.vMix 功能软件vMix 是一个新型的视频混合器软件，能够将多个摄像机、视频、NDI 源、图像、音频、网络流、字幕、虚拟集、色度键等进行混合处理。（1）视频输入输出vMix 支持多种视频输入和输出方式，包括3多功能一体机操作界面图中心技术SYSTEM TECHNOLOGY074通过 SDI 视频采集卡、NDI 流等方式将视频输入vMix 进行处理。同时，vMix 也支持多种输出方式，包括直播流、NDI 流、SDI 输出、投屏到外部显示器等。（2）视频剪辑和编辑vMix 提供了视频剪辑和编辑功能，可以对视频进行裁剪、剪辑、缩放、旋转等操作。在编辑方面，vMix提供了多种视频转场效果，以及字幕、贴图等功能。（3）多通道监看和切换vMix 软件界面支持监看所有输入视音频信号源以及预监信号和播出信号，导播可以随时切换信号通道。总之，多功能一体机符合一般 EFP 系统作业所需的所有功能，包括信号输入输出、视音频加解嵌、视音频延迟处理、信号监看、信号录制、信号切换、网络推流等常用功能，是一个能够以小空间制作出大场景的环境，是低成本、轻量化节目制作系统的最佳选择之一。四 系统其他功能设计 1.Tally 功能NDI 传输技术具备除了能够传输音视频数据外，还能够传输 Tally 信息，当多功能一体机切换到某路摄像机信号时，vMix 软件监看界面将出现不同颜色的显示提醒，如图 3，红色为 PGM 通道，绿色为PVW 通道，同时将该通道的 Tally 信息传输至 NDI编码器。我们将 NDI 编码器与摄像机物理绑定，使用 NDI 编码器的 Tally 指示功能为主持人和摄像师提供 Tally 提示服务。2.通联功能通联功能借助调音台实现，将带有开关功能的麦克风接入调音台，调音台输出一路音频信号至无线发射器，主持人、摄像师通过无线腰包接收导演指令。3.NDI 信号收录目前市场上有部分收录服务器支持直接接收 NDI视音频信号并进行 ProRes、XDCAM 等格式转码后的高质量收录，为多通道录制带来了便利性。4.同步功能多功能一体机内的帧同步处理功能，实现各类信号的净静切换、信号包装和信号输出。五 未来展望 IP 化是今后电视台技术发展的一个主要方向，传统电视台 IP 化的建设基本是基于 SMPTE ST 2022、SMPTE ST 2110 标准，实现传统基带系统架构向 IP架构的迁移，基本已经成为一套足够专业但缺乏灵活性、成本高昂的建设方案。如今，面对着电商直播、融媒体、视频会议、短视频等新兴媒体的发展，传统广播电视行业也应该在节目制作流程、技术建设等方面寻求改变，在满足高画质、内容专业等技术要求的基础上，打造一套低成本、高灵活度、架构简单的轻量化节目制作系统，以快速响应市场需求，扩展经营范围将是一个发展趋势。面向轻量化系统建设，NDI 技术的应用将是未来的发展方向，它的多信道、高码流、高画质、低延迟、大范围、低成本等特点，在满足节目制作质量要求的同时，能够发挥业务模式的灵活性和弹性，能够将系统架构快速改造和调整，以适应媒体的发展趋势。目前 NDI 已广泛应用于电视节目本地/远程制作、NDI投屏、NDI视频会议、超低延时手术示教等行业，已经是相对成熟的解决方案。六 结语 该套轻量化节目制作系统已成功部署，系统运行稳定，完成了律师有野讲举案说法等 4K 节目的录制和开心世界杯高清节目的录制、互联网推流制作，信号质量满足广播电视行业的播出技术要求。今后，基于该套系统，我们将在节目远程制作、虚拟制作、融媒体制作、系统集群化等方面进行持续探索和实践，希望能够为广电同行提供经验参考。参考文献：1 崔焱.现场制作中的 NDI 技术研究J.有线电视技术，2019（10）:113-116.2 商同.xstudio 新一代轻量化融媒演播方案J.电视工程，2019（4）:11-12+30.Advanced Television Engineering075