Active网络光纤存储在4K超高清后期中的应用选型
随着电子信息技术不断进步，在电视机市场中的4K屏幕已经广泛普及，观众对高清以及超高清视音频内容的需求有了很大提高。国家广电总局提出了省级电视台全面高清化的要求，各大电视台开始设计并搭建用于4K节目制作的后期非编网络系统。
一，电视4K后期制作的不同点
在广播电视领域中，4K视音频技术要求与现在使用的高清视音频参数有以下几个方面的不同：
●更高的清晰度.HD分辨率要求是1920×1080，而4K分辨率要求是3840×2160，显示的点数是HD的4倍。
●更高的帧率.HD帧率是50i，而4K的帧率要求是不低于50帧逐行扫描，可以高达100帧或120帧。
●更高的动态范围.HD和SD的指标相同，最高达到100nits，而4K标准则高很多，并且针对不同的显示屏器件要求不同。标准中要求LCD屏范围是0.05~1000nits，要求OLED屏范围是0.0005〜540nits。
●更高的比特深度.HD通常采用8bit量化，而4K要求达到10bit或更高的12bit量化级别。
●更宽的色域.HD和SD要求相同，规定在Rec.709范围内，而4K要求达到Rec.2020范围。
●音频方面.HD要求立体声制作，而4K要求制作沉浸式的3D效果声音。
与高，标清后期制作网络系统相比，设计4K后期制作网络系统将会有以下几点情况需要特别考虑：
● 要求更快的系统-运算性能.4K的分辨率，帧率，比特深度，色域等方面都远高于其他格式，编解码方式相对其他格式来说更加复杂，要实现流畅剪辑制作，单位时间内的运算量相对高标清格式来说大很多倍。
● 对存储性能，容量以及带宽要求大幅提高。针对4K视频的编解码方式以及采用的更高码率，大大增加了素材文件的大小，单位时间内读取，写入的信息量非常大，比高清素材信息量大5倍以上。
● 显示设备状语从句：非关系编工作站的输出需要能请立即获取iTunes高动态范围（HDR），宽色域以及高比特深度显示。目前市场上能真正到达1000nits的LCD显示屏产品很少，价格昂贵，而达到电视4K要求的OLED屏产品更少，价格更贵，而且，只有少数高端产品能达到高比特深度的显示。不过，有些厂家通过技术手段可以实现部分范围内的高动态，宽色域显示，这类产品的性价比很高。在选择监看设备时，可以针对生产内容需求的实际情况，分别选择高，中，低端的产品。
● 非关系编软件功能上，除具备高清编辑软件所具有的全部功能以外，还要能支持新的4K编解码源码编辑，支持元数据写入，支持HLG，S-日志，V-日志，C-日志，LogC，Log3G10等等曲线应用及转换，支持Rec.709，Rec.2020等多种色域应用及转换，支持高比特深度，支持4K，高清及标清之间实时上下变换输出，在上下变换时，要保证画面的主观感受不会产生太大的差别，这个是判断最终选择哪款软件的一个重要指标，还要求能支持4K环境下字幕最大亮度调整等。
● 音频方面，如果要完全满足4K要求，建议去专业的混音室按照沉浸式的3D声音的要求去处理，一般剪辑情况，可以在非编里使用立体声方式来制作.3D声道分布可参考如下：1声道为左前声道，2声道为右前声道，4声道为超低声声道，5声道为左环绕声道，6声道为右环绕声道，7声道为左前顶声道，8声道为右前顶声道，9声道为左后顶声道，10声道为右后顶声道，11至14声道为对象1至4,16声道为元数据。
二，系统设计思路
设计搭建4K后期制作网络系统相对传统高清后期制作网络来说，购买4K制作需要的相关设备并提升硬件性能就基本可以满足4K制作要求，但这次系统的设计不仅仅简单用于4K制作，还需要考虑融媒体的发展和现有系统的资源整合，以及未来持续发展的需求。系统采用全IP架构组建后期制作网络，采用分布式存储，实现存储资源池化，可根据业务的发展通过增加节点实现存储容量和带宽的线性扩展。使用虚拟化集群云计算技术，以适应未来媒体融合制作中业务对计算性能，节点数，IO的弹性需求。除部分只能运行在物理主机的业务外，其余平台优先承载于虚拟机上，解决计算机资源的统一调配和管理。利用虚拟化技术可以达到一方面通过动态分配，自动回收，实现资源的协同共享，提高利用率，另一方面当服务出现故障，虚拟机能够快速切换或重启，能 效提高应急响应的效率，降低系统的建设，营运和未来扩展成本。
在编辑业务上，采用物理实体非编站点，远程桌面云非编，BS非编并存的分层次的解决方案以实体工作站为主，实现节目精编以及视音频上下载;同时通过远程桌面和BS访问方式实现编辑，文稿，审片等业务的灵活部署。同时，在系统带宽，硬件配置，IO能力，软件功能上充分考虑4K制作对更高分辨率，更高帧率，更广色域，更高动态范围，不同格式混编制作等方面的要求，具备一定的4K网络化，流程化制作能力，并可通过未来的设备资源扩展，实现可持续发展。
在素材上载，管理，节目生产，审核发布等环节上实现流程化工作其中，在素材上载环节上，实现包含对移动介质，演播室推送的素材以及互联网远程回传的素材进行自动入库。制作完成的节目审核后可下载到蓝光，硬盘或者磁带等其他介质上，也可以根据需要推送到演播室等;建立统一的后台打包，转码平台，在素材入库，节目制作，送审等环节进行统一调用。
从未来资源整合的角度出发，本系统设计通过交换机对接和策略配置，实现与既有后期制作系统的互联，实现IP存储等资源的共享使用以及站点的灵活部署;提供统一审片平台，除提供本制作系统的节目审核外，可通过BS方式实现其他既有生产业务系统的成品节目统一送审，提高审片送播效率。
在互联网应用方面，系统设计台内外一体化生产模式，实现编辑记者的全时生产，通过互联网和生产网高效安全互通渠道，提升内容生产时效性，及时性和快捷性。
系统设计时还充分考虑了信息系统登记保护的要求，解决制作系统内部及连接办公网，互联网间的边界安全，阻挡来自互联网的攻击和病毒感染的风险。
三，技术方案
基于我们对4K后期制作网络的设计思路，画出系统拓扑图如图1所示。
在虚拟化技术使用方面，系统采用CPU以及GPU刀片服务器来替代传统服务器，其中远程桌面管理平台，云管平台，转码平台，打包平台等后台业务均安装在刀片服务器上，利用虚拟技术来实现功能，提高效率，降低成本并且可以大大增强未来的扩展性。
系统与外部文件素材交互的整体流程如图2所示。
四，核心设备选型要求
本后期制作网络系统设计用于4K以及高清的节目生产制作，考虑到目前4K主流的编码格式码率为500Mbps的到1.5GBbps，换算出每小时文件的容量约为300GB到900GB。
4K非编工作站应支持不少于3层500Mbps的800Mbps的〜的原生4K超高清素材图像进行实时特技效果处理。经过大量的测试，我们发现以下配置可以满足对实时性的要求，并且最高可以做到5层实时，有些厂家利用优化算法，在半分辨率显示的情况下，可以做到9层实时。具体配置如下：CPU不低于双Intel Xeon 2.6GHz（十四核），内存不低于96GB，显卡选择显存不低于16GB的专业图形加速卡。工作站配备的视音频I / O设备，需能提供3G SDI×4，HDMI2.0，DP等接口，支持HDR及Rec.2020。为保证足够的带宽，还应配置万兆网卡。
配音工作站在使用时，要求配音软件与非编软件能共享素材及时间线片段，支持直接获取参考视频和参考音频，实现协同工作。在满足这个要求的前提下，能保证流畅播放就可以，经过测试，配音工作站在硬件配置方面要求可以稍低于非编工作站，显卡可以选择低一个档次的产品。
选择监看设备的时候，考虑到目前处于4K电视发展的初期阶段，必然存在4K和高清两版节目同步制作和播出的情况，同时，由于不同节目类型对画面质量要求不同，资讯类，新闻类等节目对画质要求不太高，综艺类，纪录片类等节目对画质要求比较高。基于以上的考虑，普通剪辑用的非编工作站配置4K普通监视器，考虑到4K监视器价格比较高的情况，调色用的工作站配置4K专业监视器，这两种监视器都应具有4K和高清信号同时输入，可选择其中任意一路信号用于监看。对部分站点可以选配且具有HDR功能用HD分辨率显示的监视器，这类设备的性价比很高。同时，还需要配备一定数量可支持HDR中HLG曲线显示的4K电视机，以便于制作人员及时掌握图像传输到家庭端观看的效果。
媒体存储应采用分布式架构并具有高安全的数据保护以及数据备份机制，随着节点数的增加，存储容量和计算能力线性增加，最终呈线性递增的吞吐及并发能力支持线性平滑扩展，所有部件均要求冗余配置，不存在单点故障，电源，硬盘，风扇等所有关键部件均支持热插拔更换，节点或硬盘故障重建对系统整体带宽的影响不得超过20％。依据广东广播电视台选择采用的4K文件素材编码方式及码率并配合此系统配置的工作站点数量来计算，得出总存储物理容量不低于360T，实际使用容量不少于250TB，恒定混合读写带宽不低于4GB / S，单高性能节点带宽不低于700MB /秒。
为充分满足此次虚拟化技术的应用，在刀片服务器的选择方面，对硬件性能要求比较高。其中CPU刀片服务器数量不少于7台，单台的CPU需配置两颗以上，其中单个核数在14核以上，主频在2.0GHz以上，单台的内存配置不低于128GB，系统硬盘应选择SAS盘，必须配置万兆网络接口。而GPU刀片服务器数量不少于5台，性能配置不低于CPU刀片服务器，并且需要配置额外的专业GPU显卡，直通功能不少于6路，显存不低于12GB。在虚拟化专用存储选择上，应考虑采用双存储双活架构，任一台存储故障都不会对虚拟化的应用产生影响。
在虚拟化管理平台选择上，需考虑平台的高可用性，能支持7×24小时不间断工作，配备DRS动态资源调度功能，DPM智能电源管理功能，分布式虚拟交换机功能，网络I / O控制功能。考虑到未来的扩展性，平台需支持现有市场上主要的操作系统，如：Windows和CentOS的，红帽，SUSE等等，且要提供开放的接口，支持台今后新购第三方非编网络系统服务的部署。每一个虚拟机发生故障都不会影响同一个物理机上的其他虚拟机运行，每个虚拟机上的用户权限只限于本虚拟机之内，以保障系统平台的安全性。
为了便于网管人员对网络的监控以及未来更好地升级规划部署，系统的设计中还添加了云管平台功能。要求能兼容主流虚拟化平台，包括但不仅限于VMware，KVM，Citrix XenServer，Hyper- V等。支持SDN，能通过SDN控制器实现对物理网络设备的自动化配置。支持虚拟桌面功能。在VDC中支持查看各种资源详细信息并对各类资源进行常用操作。
考虑到实际节目生产中对制作环境有更便利的需求，后期制作网络提供的制作能力可以从机房扩展延伸，本系统的设计里添加了远程桌面管理平台，并配置相应的瘦终端站点有了。这平台，制作人员可以实现在自己的办公室或者其他地方编辑制作，审片人员也可以在机房以外的地方进行审片。为保障此项功能的顺利使用，在选择远程桌面管理平台时需注意以下情况：桌面连接控制组件支持高可用，连接组件故障发生时，在集群内自动切换，不会影响用户的正常登录;客户端连接虚拟桌面无需依赖任何虚拟化平台，支持对多虚拟化平台和物理设备的兼容;要求自带DHCP功能;对瘦终端有良好的兼容性，兼容第三方品牌的瘦终端;客户端连接虚拟桌面无需依赖虚拟机IP;支持桌面会话保持功能，在多桌面切换，更换不同终端接入，临时性网络中断自动重 等情况下，用户重新登录后不会影响原先的桌面操作行为;支持设置终端黑名单，不允许用户通过非法终端接入到虚拟桌面;为了便于日常桌面维护，管理员在云桌面管理平台中可强制用户下线，下线时虚拟桌面的数据不丢失。同时，要提供开放的接口，支持广东广播电视台今后新购第三方非编网络系统服务的部署。
本系统用于4K制作，网络中的数据量非常大，在交换机的选择方面，均需配置万兆接口，级联和堆叠需采用40G的连接方式。考虑到未来制作网要实现网络虚拟化功能，选购的交换机均需支持VXLAN功能。
北京博恒视创科技有限公司是一家专业多媒体存储系统集成商。我公司联合美国Active Storage公司共同开发了Active媒体私有云共享系统、满足4K视频剪辑和大型真人秀节目制作的Active Storage光纤存储在线实时剪辑系统、满足每天100T的源数据同城或异地的数据分发与共享的远程数据复制与内容分发系统。8K电影全流程跨平台共享实时剪辑系统，现场实时调色及DIT管理系统，影视素材归档备份管理系统、海量数据自动化迁移保存系统、全媒体制播网系统等多种完全“订制化”的解决方案。2018年本公司开发出一套完整的数据安全保存系统，以“在线编辑，近线备份，离线保存”的三维立体式的解决方案，让客户数据在“生命周期”内安全的保存，没有后顾之忧，我们始终将客户的需求放在第一位，持之以恒，坚持创新，引领产品走向高容量、高带宽、高集成和人工智能化。
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