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视频服务器的结构分析
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摘要：本文从视频服务器的概念、构成、数字视音频压缩格式、信号输入、存储、组网技术、控制协议以及特点等方面，对视频服务器的结构进行了详细地分析。
关键词：视频服务器，视频服务器的数字视音频压缩格式，视频服务器的存储，视频服务器的网络。
随着视频压缩技术的不断完善和计算机技术的发展，视频服务器已广泛应用于电视播出系统，视频服务器在多频道播出系统中的全面应用，使之成为电视台播出系统中最重要的组成部分，同时，视频服务器还具备许多传统视频设备所不具备的优点，这一产品的应用可大大提高电视播出的工作效率。其实，视频服务器还具备许多传统视频设备所不具备的优点，还可以开发出许多新颖的应用方式。
一、视频服务器的概念
视频服务器是一种对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用计算机设备，它在广告插播、多通道循环垫播、延时播出、硬盘播出及视频节目点播等方面都有广泛的应用。视频服务器采用M—JPEG或MPEG—2等压缩格式，在符合技术指标的情况下对视频数据进行压缩编码，以满足存储和传输的要求。它使用SCSI接口硬盘或FC接口硬盘作为视音频数据的在线存储器。具有多通道输入输出、多种视音频格式接口。可配备SCSI、FC等网络接口进行组网，实现视音频数据的传输和共享。
二、视频服务器的构成
视频服务器是一种压缩、存储、处理视音频数据的专用计算机，它由视音频压缩编码器、大容量存储设备、输入/输出通道、网络接口、视音频接口、RS422串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成，同时，提供外锁相和视频处理功能。
 典型应用方案 视音频压缩编码器：由于视频数字化后，数据量很大，故要利用成熟的压缩技术，将视频数据在满足技术指标要求的条件下进行高压缩比的压缩，满足存储和传输要求。视频服务器一般采用M—JPEG或MPEG—2等压缩编码器，用户可根据实际情况选择压缩码率和压缩结构，以适合于各种不同的播出场合，达到既节省硬盘空间，增加节目存储量，又能保证播出质量的目的。 大容量存储设备：视频服务器使用高速、宽带的SCSI接口硬盘或最先进的FC接口硬盘作为视音频素材存储介质。同时视音频数据的硬盘扩充也比较灵活。 输入/输出通道：视频服务器具备多通道输入/输出系统，使多路录入、播放能同时进行，实现多任务。 网络接口：视频服务器都带有网络接口，方便组网，实现数据共享。一般视频服务器都带有FC和以太网接口。FC光纤网采用IP协议作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素材的交换网络，以太网用于传送控制数据和状态检测的信息。 视音频接口：视频服务器都带有标准视音频接口和模拟监视视频接口，方便监视各通道的视频信号。输入/输出信号可以在模拟、分量和SDI中选择。 RS422串行接口：视频服务器都带有多个RS422串行通讯接口，每个接口均可通过RS422通讯线由外部计算机控制实现记录与播放。 协议接口：视频服务器除提供各种控制硬件接口外，还提供协议接口。如RS422接口除支持RS422的Profile协议外，还支持 Louth、Odetics 、BVW等通过RS422控制的协议。 软件接口：视频服务器提供开放的软件接口，供用户或第三方厂商开发和构建新的应用方式。 视音频交叉点矩阵：视频服务器内带视、音频交叉点矩阵，视、音频通道调度灵活，同时可保证技术指标不受损。 另外，视频服务器提供外锁相和视频处理功能，方便构建专业化应用的视音频系统。 三、视频服务器的数字视音频压缩格式 数字压缩技术，也就是通常所说的编码方式，是视频服务器的技术核心，也是我们选择视频服务器的首要考察对象。目前比较流行的数字压缩编码格式有M-JPEG、DV和MPEG-2，某些非真正广播级的产品中还有在互联网中常有的小波压缩和MPEG-4压缩。无论采用哪种压缩方式，一般都对用户提供可变的码率，也就是当编码时用户可以选择压缩质量，当然DV只能提供25Mb/s和50Mb/s两种码率。 1．M-JPEG 在视频服务器刚刚开始被采用的时候，大约在3～5年前，当时无论非编还是视频服务器，M-JPEG几乎是唯一的高质量压缩方式。所以，早期的视频服务器产品基本都采用M-JPEG压缩。 作为一种数字压缩格式，从模拟到数字、从录像机到硬盘，M-JPEG为我们带来了崭新的数字化播出手段，它把信号变成了数据，应该来说M-JPEG压缩技术在视频服务器的出现过程中具有里程碑式的意义。M-JPEG是基于帧内、帧独立的压缩方式，所以相对于后来出现的MPEG-2 IBP长GOP压缩方式，它数据量更大、也更容易实现视频服务器内部的帧精度数据剪辑和变速播放。正因为这样的特点，M-JPEG被广泛运用于节目制作的服务器和电视台广告节目的播出服务器。时至今日，还有很多电视台的使用它作为广告播出，因为不管它有什么样的缺点，但它解决了录像带多次播出的磨损和信号衰减问题。 除后期制作、广告播出外，M-JPEG格式的视频服务器不能被真正大量运用于大中型电视台多频道播出，真正的原因还在于M-JPEG这种压缩方式并不是一个完全统一的压缩标准，不同厂家的编解码器和存储方式并没有统一的规定格式。这也就是说，每个型号的视频服务器或编码板有自己的M-JPEG版本，所以在服务器之间的数据传输、非线性制作网络向服务器的数据传输都根本是不可能的。同时，例如MPEG-2等新的压缩标准的出现，在更低的码率下能提供更高的视频质量，这也加速了这种服务器的消亡。 2．DV 由于采用DV技术的新一代数字摄像机和数字录像机(如，松下的DVCPRO和Sony的DVCAM等)的出现和大量采用，不仅为电视台记者提供了更加小巧、经济的节目拍摄、制作设备，也促使视频服务器开始采用DV压缩格式。但因为DV本身是一种纯多媒体格式，也是帧内压缩方式，既继承了M-JPEG比MPEG-2更容易编辑的优点、也带有M-JPEG数据量大的缺点。DV目前只支持两种码率：25Mb/s和50Mb/s，也有某些厂家的新技术资料宣称将来会支持100Mb/s。DVCPRO 25的4:1:1量化、DVCAM的4:2:0量化，都不是我们真正追求的广播级信号质量。而DVCPRO 50的4:2:2量化尽管能提供更高的信号质量，但数据量也是比较大的。 以DVCPRO为例，记者可以用小巧的数字摄像机拍摄节目，很方便携带、信号质量也不错；回到电视台后用IEEE1394接口或SDTI接口传输到制作服务器或非编系统，最后同样方式再传输到播出服务器，不用回到视频基带就能完成传输和编辑。这种所谓的"Native DV"方式，保证了从拍摄到播出过程中好的质量，避免在制作过程中的信号质量损失，应该是一种很好的解决方案。同时，SDTI还提供对DV数据的多倍速传输，在保证信号质量的同时，节省了大量的传输时间。 但同时，它的25Mb/s和50Mb/s两种固定码率的数据量都很大，也造成了电视台多频道播出所需要的视频服务器存储空间很大、需要很大的投资来实现。所以，现在很多电视台都是用DV设备来拍摄和编辑节目，而最终通过SDI传输到视频服务器，用长GOP的MPEG-2 IBP来播出和存储。 3．MPEG-2 在MPEG（运动图像专家组）系列压缩方式中，一般认为MPEG-1和MPEG-4的压缩质量不能做到广播级，所以没有人用它们做播出；当然，在新近出现的电视台媒体资产管理系统中，特别MPEG-4是一种非常理想的检索、浏览和粗编的工具，在互联网上也是被广泛采用的视频格式。 广播电视领域采用的MPEG格式是4:2:2量化的MPEG-2，它在保证了足够的色度信息的情况下做最有效的数据压缩。MPEG-2采用可变的压缩率，最高可达50Mb/s。其采用的帧间压缩方式，利用帧之间的冗余信息大大减少压缩数据量，达到同样的视频质量MPEG-2所需的码率只有M-JPEG的1/3甚至更少。大家一般意义上认为MPEG-2 IBP的长GOP压缩方式的8～12Mb/s已经达到广播级质量，可见其帧间压缩效率是非常高的；这对于电视台多频道的大量播出节目是非常重要的特点，也使得真正的多频道视频服务器播出方式成为可能。 除压缩效率的优点外，MPEG-2有一个不同厂家均认可的国际标准，使得不同的压缩系统能产生相同格式的数据文件；当然因为存储方式的不同，数据在存储过程中也需要适当的转换。所以，近几年视频服务器领域采用最多的都是MPEG-2压缩方式，这也是目前服务器的主流格式。 对于MPEG-2压缩，如果采用纯I帧方式，也就类同于M-JPEG压缩了，等于是帧内的压缩。所以我们谈论MPEG-2在播出服务器中的应用，往往都指的是IBP压缩，而且是长GOP方式。当然，由于采用长GOP，不是每个帧的数据都能非常快速、完全地进行图像恢复，所以在编辑和搜索过程会比较困难。目前的一些非线性网络也采用MPEG-2压缩方式，但为满足快速帧精度编辑的需要，往往都是纯I帧压缩，只有少量厂家的产品采用IBP压缩。(未完待续)
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