浅谈非线性编辑网络相关技术

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近年来，在广播电视行业中谈论最多的就是非线性编辑，它可以说是未来一段时间视频技术发展和人们注目的焦点。正是由于它的出现，使得我国电视节目制作与播出系统在由模拟方式向数字化过渡的过程中起到了积极的推动作用。非线性编辑系统是在电视技术的数字化以及计算机技术在存储容量、数据处理速度等方面发展到一定阶段出现的。它融入了现代多媒体和计算机这两个二十一世纪最先进领域的前端技术，它集多项编辑功能于一体，改变人们按时间顺序剪辑素材的传统概念，克服了录像带多版合成、复制图像质量劣化的缺点，大大提高了编辑效率，并且为编辑人员的艺术创作开辟了广阔的天地，因而受到视频界的普遍关注。目前，国内有较多的省、市电视台及节目制作单位已购置了非线性编辑系统，编辑记者和技术人员对非线性编辑系统在素材编辑、特技制作等方面的优越性和灵活性给予充分肯定。但他们并不满足与目前单机操作的低效率模式，也就是所谓的"非线性岛"模式。他们更关心的是电视节目所需要的素材、节目和资源的共享，把目光更多地投向了适用于广播电视后期制作和播出的多媒体网络技术，也就是可以真正实现非线性工作组共享模式的非线性编辑网络技术。为了让技术人员能够进一步认识非线性编辑网络，有必要对该网络中所涉及的一些相关技术与大家一起进行探讨。

一．硬盘容量和数据传输率科学技术进步促进了硬盘容量的提高。增加硬盘容量的主要途径是提高面密度，其中影响面密度的因素比较多，主要有存储介质材料、磁头、浮动机构、小信号处理技术及伺服定位技术等。近年来，随着新技术和新材料的应用，硬盘容量得到了突飞猛进的发展，这种发展速度是其他存储设备目前还做不到的。对于PAL制的视频数据，如果不压缩，其数据率为20MB/S(720×576×2×25)，双通道音频数据率为192KB/S（48×2×2），由此可以计算出在某个压缩比情况下，一定素材量所需要的硬盘空间总和，如某个系统的总的素材量为8小时，在压缩比为4:1时，则总的硬盘空间需要20×3600×8/4=144000MB，即约144GB（由于音频数据相对视频数据很小，通常可以忽略不计）。视频网络系统所传输的数据量是非常大的，同时，系统要求数据有很好的同步，即每秒严格25帧，因此在编辑回放和采集时，对硬盘的读写速度和网络通道的带宽要求比较苛刻，即要求速度高，而且高速度能够持续稳定。通常，一个非线性编辑系统有两个实时通道，假如系统压缩比为4:1，则该编辑工作站最大占用的带宽为10Mbps，如果网络系统中有6套非线性编辑系统共享硬盘和网络通道，则硬盘速度和网络传输速度需大于60Mbps。

二. 磁盘冗余阵列（RAID）技术RAID是利用若干台小型硬磁盘驱动器加上控制器按一定的组合条件，而组成的一个大容量、快速响应、高可靠的存储子系统。由于可有多台驱动器并行工作，大大提高了存储容量和数据传输率，而且由于采用了纠错技术，提高了可靠性。硬盘阵列是视频网络系统中非常重要的一个环节，硬盘阵列的容量、速度、稳定性往往决定整个网络的性能。RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。在通常情况下，RAID有如下几种分类：RAID0：由多个硬盘并发协同工作完成数据的读写，数据被均匀分布在各个硬盘上，一般情况下，使用的硬盘越多，读写的速度越快。RAID0的特点是读写速度快，并且价格便宜；缺点是安全性相对较差，因为在RAID0中的一个硬盘出现故障时，整个阵列的数据将会丢失。RAID0是最快和最有效的磁盘阵列类型，但没有容错功能。RAID1：称为磁盘镜像。原理是在两个硬盘之间建立完全的镜像，即所有数据会被同时存放到两个物理硬盘上，当一个磁盘出故障时，仍可从另一个硬盘中读取数据，因此安全性得到保障。但系统的成本大大提高，因为系统的实际有效硬盘空间仅为所有硬盘空间的一半。RAID 0+1：为RAID0和RAID1的组合，即由两个完全相同配置的RAID0形成镜像关系，既提高了阵列的读取速度，又保障了阵列数据的安全性，当然，为此付出的代价同样是价格昂贵。RAID3：是把数据分成多个"块"，按照一定的容错算法，存放在N+1个硬盘上，实际数据占用的有效空间为N个硬盘的空间总和，而第N+1个硬盘上存储的数据是校验容错信息，当这N+1个硬盘中的其中一个硬盘出现故障时，从其它N个硬盘中的数据也可以恢复原始数据，这样，仅使用这N个硬盘也可以带伤继续工作（如采集和回放素材），当更换一个新硬盘后，系统可以重新恢复完整的校验容错信息。由于在一个硬盘阵列中，多于一个硬盘同时出现故障率的几率很小，所以一般情况下，使用RAID3，安全性是可以得到保障的。与RAID0相比，RAID3在读写速度方面相对较慢。RAID5：RAID5 和RAID3的原理非常类似，硬盘的有效使用空间也是一样的，只是其算法以及数据分块方式有所不同。使用的容错算法和分块大小决定RAID使用的应用场合，在通常情况下，RAID3比较适合大文件类型且安全性要求较高的应用，如视频编辑、硬盘播出机、大型数据库等；而RAID5适合较小文件的应用，如文字、图片、小型数据库等。

三．Fibre Channel网络及管理软件通常把Fibre Channel简称FC。需要注意的是，这里Fibre Channel指光纤通道，并不是仅指光纤光缆。FC不仅试图解决计算机和各种外设（RAID系统等）间的数据传送速度问题，也解决网络间数据传送速度问题。FC的目标是在一定的时间和距离范围内保持高的带宽传输。Fibre Channel管理软件的主要功能是保证共享硬盘阵列的文件和目录信息对网络中所有工作站保持一致，即某个工作站对共享硬盘阵列的文字写入和删除，必须在其他工作站得到及时反映，否则，便失去共享的意义。另外，管理软件也被用来管理共享信息的读写权限控制和支持多种操作系统平台。目前，国内一些非线性编辑网络系统的开发商，比如索贝公司,主要采用了两种Fibre Channel管理软件：Transoft公司的FibreNET和Mercury 公司的SANergy。FibreNET是一种基于共享硬盘卷一级权限控制的管理软件，即在同一时刻，某个共享逻辑卷只能被网络中一个工作站拥有写权限，其他工作站对该卷只读，通过软件切换可实现逻辑卷写权限转移到其他工作站，当一个工作站在其拥有写权限的卷中写入或删除文件时，其他工作站需经过手动或自动定时刷新操作，才可保证文件和目录信息的同步。SANergy是一种基于共享硬盘中文件一级权限控制的管理软件，即在同一时刻，多个工作站可以往同一个逻辑卷中进行写操作，但同一个文件在同一时刻只能被一个工作站修改，其他工作站对该文件只读。当一个工作站向某个卷中写入或删除文件时，其他工作站会自动同步整个卷的文件和目录信息。使用SANergy的优点是，工作站不用切换卷的写权限，不用进行刷新操作便可同步所有共享硬盘的文件和目录信息。但使用SANergy管理软件要求系统必须是双网结构，即FC网和以太网并存的网络。

四．传输媒体传输媒体指数据在网络中传输的介质，常用的通信介质有：双绞线、同轴电缆和光缆。在视频网络中，通常使用的是双绞线和光缆，双绞线用于10/100Mbps以太网的连接，光缆用于1000Mbps以太网和FC网络中站点与系统的连接。双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，屏蔽双绞线相对非屏蔽双绞线有更好的防电磁干扰特性和数据安全保障性能。双绞线的传输速度可以达到100Mbps，传输距离一般不超过100m。使用光缆传输数据可以具有更高的带宽和更远的传输距离。使用光缆的数据传输速度可以超过1000Mbps。光纤由光纤结构和光反射传输方式分为单模光纤和多模光纤，不同的光纤其最大传输距离是不一样的，如使用Fibre Channel网络在1000Mbps的带宽要求下，使用多模光纤，最大传输距离一般为500米，而使用单模光纤时，最大传输距离为10公里。当然，单模光纤以及相应的收发设备的价格会贵很多。在100Mbps以太网中，如果传输距离超过100m，传输媒体应使用光缆，而不能使用双绞线，在光缆的两端使用光收发器，再通过较短的双绞线，连接到网卡和Hub或Switch上。使用Fibre Channel网络时，当传输距离超过500m时，需使用单模光纤或由另一个Switch作为中继设备，从而达到延长站点距离的目的。

五．网络的稳定性和安全性考虑省、市级电视台采用非线性编辑网络，其系统的稳定性、安全性是非常重要的，它直接影响到节目的生产制作和播出。通常在如下几个方面的因素对系统的稳定性和安全性有比较大的影响。（1）单机的安全性指网络中工作站点的安全性。一方面，主机本身的稳定性以及与各种板卡使用的兼容性是个很重要的因素，对此在主机或主板的选型方面会进行很严格和长时间的测试；另一方面，工作站点软件的稳定性，包括各个非线性公司自主开发的编辑软件和网络管理软件，在使用网络功能，如网络文件传输和调用网络素材时，会形成站点安全性的隐患，因此，在软件设计时，需充分考虑网络突发异常的应急处理。（2）共享硬盘的安全性共享素材硬盘是FC网络的核心，共享硬盘的损坏意味着音视频素材的丢失。与共享硬盘阵列安全性相关的因素有阵列的容错功能、阵列控制器的质量、硬盘的质量以及阵列的设计工艺包括电源、风扇、机箱工艺、防震特性等。目前许多硬盘阵列提供备份部件，如备份电源、备份风扇等。在选择硬盘阵列时，需根据其应用场合和资金预算进行综合考虑，如在节目制作网络中，其系统对硬盘的速度、容量要求比较高，可考虑使用非容错硬盘阵列，而在节目播出网络中，考虑更多的是安全性，所以通常会考虑使用容错硬盘阵列。（3）服务器的数据安全服务器负责的是网络系统的管理，包括素材、节目、栏目、操作人员权限、生产、文稿等管理以及高压缩比素材存储，所有的数据库都存放在服务器上，所以一旦服务器崩溃，整个系统的管理信息将会丢失。所以，服务器必须选用高性能名牌产品。在安全性要求极高的系统中，将采用服务器双机备份方案。（4）网络硬件的安全在网络系统一系列的设备中，包括Hub、Switch、网卡、网络电缆都可能成为系统的安全隐患。如果系统设计和布线合理、生产安装符合规范，加上目前这些产品比较成熟，这方面的安全一般是可以得到保障的。（5）播出的安全播出在电视台是一个非常重要的环节，所以必须高度重视播出的安全性。通过如下的一些措施可以使得播出的安全性得到一定的保障。１．把播出系统和编辑制作系统分开，尽量降低制作系统对播出系统的影响。２． 使用RAID3 容错硬盘阵列，提高硬盘的安全性。３． 使用专业的工控机箱，使得系统的抗震性和散热性得到改善。４． 采用双机备份方法。使用两台播出机同步播出，或由备播机监控主播机的播出状况，出现故障时，自动切换为备份播出。５． 采取应急处理措施。在紧急情况下，播出备份应急节目或相应高压缩比素材节目。

六．结束语随着数字视频技术和多媒体技术的发展，非线性编辑网络即将进入一个蓬勃发展的新阶段。电视和计算机领域的科技人员正在研究新的硬件和软件技术。这些新技术主要表现在采用新型大容量硬盘，以不压缩的方式在非线性编辑系统中记录和处理素材；统一标准数字接口，可以真正实现从前期拍摄到后期制作到播出，视音频信号一直以数字的形式存在，从而保证了高质量的图像；采用新型的视频总线，提高视频数据传输速度和工作效率；采用专为多媒体编辑而设计的新文件格式，可以克服传统的多媒体文件格式固有的缺陷。这些新硬件和软件技术的应用，将进一步改进非线性编辑系统，提高编辑工作效率。相信在不远的将来，非线性编辑网络将成为电视节目制作与播出由模拟向数字化发展的一个主流方向。