電視節目存儲與管理論文

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電視臺對電視節目的存儲目前主要還是采用傳統的磁帶存儲方式，這種原始的方式有很多的弊端：易損，占地大，成本高，難于重新使用。更重要的是難于長期保存，通常在滿足磁帶保存環境的要求下，磁帶的壽命一般在10年左右，到期只能淘汰，再也不能使用。另外，對于長期積存的磁帶，各電視臺也沒有非常有效的管理工具去管理，開發，利用這些越積越多的資源，記者與節目制作人員盡管知道臺里有豐富的資料，卻由于難于查找所需的節目，而放棄使用這些幾乎免費的資源素材，更不用說向社會開放這些資源，滿足日益發展的電視節目資源的全球化共享。

隨著計算機信息技術與視頻技術的發展，出現了穩定高效的數據壓縮方式，高速寬帶計算機網絡，以及大容量數據存儲系統，而且國際互聯網及企業內部網的超前發展也給電視臺節目擋案的網絡化存儲，查詢，共享，交流提供了可能。寬帶網絡技術及視音頻壓縮技術的成熟，為電視臺網絡化鋪平了道路，今后傳統意義上的電視節目制作，播出設備及帶庫管理將逐步向多媒體網絡設備過渡，網絡所具有的高效率與靈活性等優勢，會充分體現在電視臺的節目傳輸，分配，制作，播出及存儲領域。

今天，越來越多的電視臺裝配了基于計算機系統平臺的非線性編輯設備，新聞制作網及自動化播出設備，但是作為實現共享的數據源——節目資源的存儲及管理卻還停留在早期磁帶庫階段，究其原因，雖可舉出種種理由，但無庸諱言的是該環節已阻礙了現代化的視頻資源共享方式的展開。本文就是想在這方面做一些積極的探索。

一.電視節目的存儲

1.存儲方式的選擇

電視臺所存儲的內容以視音頻素材為主，在選擇存儲方式時，應綜合考慮過去，現在，將來已經使用或將要使用的方式，選擇高質量，高效率，便于利用的方式存儲各種不同類型數據。圖1給出了電視臺的節目生產流程。

在專業視頻應用領域，不管是壓縮還是非壓縮，大都集中在分量格式領域，因此在做格式選擇時要特別注意。根據具體應用情況，不同階段選用相適應的信號格式，使整個生產流程平滑過渡，盡量減少信號轉換造成的損失，以達到最佳質量效果。

若信號采用不壓縮方式記錄存儲，信號質量最好，無損失。但存儲數據量非常大，以1小時無壓縮數字視頻信號D1計算，其數據量就達100GB以上，對電視臺數以萬計盤的磁帶來說，如此龐大的數據量會使存儲成本，管理費用及日維護費用非常高。隨著壓縮技術的成熟，由壓縮所帶來的信號損失也越來越小，已完全達到了制作及播出要求，因此選擇適合的壓縮技術和格式，對信號進行壓縮后再存儲，降低存儲成本是必然的選擇。

3、圖像質量足夠高，滿足記錄重放復用的要求。

7、壓縮效率高，在保證圖像質量的前提下，降低存儲成本和維護費用，減少網絡傳輸壓力。

9、較好的兼容性。兼容HDTV和DTV等數字電視的飛速發展，壓縮格式應較易向數字電視過渡且損失較小。

12、良好的互操作性，壓縮格式必須可應用于節目制作及傳輸播出的全過程，以減少格式轉換帶來的損失。

13、較長的技術生命周期。

MPEG-2是目前全球電視行業都普遍接受的專業視音頻信號壓縮格式。已經廣泛應用于信號傳輸中，且在高清晰度電視，數字電視中也已采用了MPEG-2壓縮技術，同時MPEG-2在前期素材采集，后期節目制作領域的應用技術也在不斷發展成熟。

利用存儲的節目進行二次編輯時，無論何種壓縮格式，一般均要求采用4：2：2取樣格式，因為4；1：1或4：2：0取樣格式做二次編輯時，色度還原性較差。

對于現存的JPEG，M-JPEG和MPEG-2壓縮方式而言，只有I幀的MPEG-2實際上與JPEG編碼相仿，兩者均采用DCT（離散余弦變換）算法，但兩者在內部處理上有所不同，MPEG-2更加專注于視頻信號的處理，而JPEG對圖片處理擁有更大的靈活性，而對于電視編輯人員及眾多電視觀眾，這種靈活性對他們是沒有意義的。MPEG-2在處理單幀視頻信號的壓縮效率稍高于JPEG約15%--20%左右，由于兩者壓縮算法不完全相同，當由M-JPEG轉換為MPEG-2時，不單要進行再壓縮，同時還要進行壓縮格式轉換，這種格式的級連轉換會造成較大損傷，而對于MPEG-2之間格式轉換來說，I幀不必再進行格式轉換，僅需進行再壓縮即可，因此損失比MPEG與JPEG之間轉換小，這就是整個鏈路最好采用一種格式的原因。

由于目前技術條件的限制，長GOP結構的MPEG-2做編輯尚不成熟，但只有I幀或IB幀的GOP結構的編輯技術已步入實用階段，隨著逐幀MPEG-2編輯技術的逐步完善，從素材采集一直到存儲播出整個鏈路均采用MPEG-2一種大格式成為可能。在不同的應用場合，采用不同的“級”和“類”組合，配以合適的碼率，可滿足不同的使用要求，如在采集，編輯，制作階段采用只有I幀和IB幀的短GOP結構組合的MPEG-24：2：2編碼方式，碼率選擇30-50Mb/s，重點保證編輯質量與編輯精度；傳輸播出時可根據使用場合要求的不同選用有IBP幀的GOP（12幀）結構組合的MPEG-24：2：2或4：2：0編碼方式，碼率選擇4--10Mb/s的低碼率；存儲時也可采用長GOP結構的MPEG-24：2：2編碼方式，碼率選擇15--20Mb/s。這樣一來，整個鏈路均采用MPEG-2一種格式，最大限度的減少了由于數據格式轉換帶來的圖像質量劣化，使系統組合更為合理統一。

2.存儲介質的比較

計算機技術的飛速發展，也使其擁有的成熟技術及先進理念，迅速滲透進其他行業與領域，存儲技術就是如此。計算機的存儲系統是由內存，硬盤及輔助海量存儲器（硬盤陣列，光盤庫，數據流磁帶機）構成。根據不同的應用場合，大中小型計算機應用系統配備不同的數據存儲設備。我們知道各種存儲介質有其各自不同的特點和適用范圍，其容量，性能，價格關系構成一金字塔結構，如圖2所示，塔尖為內存即芯片級存儲，以下依次為硬盤，光盤，數據流磁帶。內存由于是芯片級的存儲，完全為計算機CPU專用，不能用于大容量視頻數據的存儲，本文不再詳述。下面重點對其他幾種介質的性能，價格及其在電視領域的應用前景進行分析比較。

2.1硬盤

硬盤在計算機的硬件配置中是不可缺少的部分，主要用于計算機數據，程序，軟件的存儲。

硬盤的容量決定于盤片數與面密度，問題是盤片數的增加會使硬盤體積增厚。目前高端硬盤產品SCSI硬盤采用的是正反面都記錄的多盤片結構，都有磁頭用于數據的讀寫，存儲密度可以達到每盤片1820MB。

硬盤的數據傳輸分為CPU通過總線在內存與硬盤之間進行數據傳輸，以及硬盤管理系統驅動磁頭尋道并將數據讀出或寫入盤片。其中后者是決定硬盤總體數據傳輸率的關鍵。SCSI硬盤的最小尋道時間為6.5ms。至于CPU與SCSI硬盤之間的數據傳輸率目前已能達到80MB/s，而且傳輸距離也可達到12m（采用68芯或50芯扁平電纜）。

盡管單個SCSI硬盤的容量與數據傳輸率已相當可觀，但為了支持海量存儲，業界一直在研究開發獨立硬盤陣列冗余技術即RAID技術，將多個SCSI硬盤做為一個邏輯硬盤，保證大型數據文件存儲的整體性。RAID技術是目前提高硬盤陣列速度和冗余的主要手段。

硬盤雖然具有讀寫速度快，數據容量大的特點，但是是否就適應于電視臺的各個環節的節目信息存儲呢？做個簡單的計算就可以得出結論：以中型電視臺10萬盤磁帶的存儲量為例，大約需要近20萬GB的信息存儲量，如果采用18GB的SCSI硬盤，售價9000元，將需要約10000個以上硬盤組成陣列，造價也成了天文數字，顯然是不現實的。因此在少量的信息存儲應用中硬盤的確有較大的優勢，比如在制作領域就大量用于非線性編輯設備，在播出環節也有硬盤錄象機大量用于自動播出，以FibreChannel構造的新型新聞制作網也多采用硬盤陣列作為節目存儲的硬平臺。

2.2光盤

最新一代的大容量存儲設備是DVD，其存儲數據的格式為MPEG-2，完全能夠滿足廣播級視音頻信號的要求，它達到了目前技術上最理想的容量。DVD光盤的幾何尺寸與普通CD相同，但其容量卻是CD的8倍-15倍。對于單層DVD，其容量是4.7GB，可存放132分鐘的MPEG-2影片，這意味著標準長度的電影和數字音頻都可以記錄在一張DVD光盤上。要實現必須將所有數據按一定的格式存放在DVD盤上，DVD播放機才能讀出這些數據,播放出高品質的畫面和優美動聽的音樂。其中影像采用MPEG－2壓縮，音效可采用MPEG－2Audio、DOLBYAC－3、LPCM及DTS，基本上是把視頻訊號壓縮至1/40左右，但是MPEG－2的壓縮率是可變的，MPEG－2速率平均為3.5Mbps，最高約11Mbps，DVD的分辨率為720＊480，35萬像素，水平掃描超過500條，而且還有多國字幕。那么132分鐘是怎么算出來的呢？它是MPEG－23.5Mbps＋AC－35.1CH384Kbps＊3＋字幕10Kbps＊4=0.59M/S除以單面單層4.7G，大約就是132分鐘了，其中AC－35.1CH表示6個聲道。而采用雙層雙面技術的DVD盤存儲容量達17GB，能連續播放8小時的廣播級節目。

通常說的DVD實際上可分為只讀（DVD-ROM，DVD-Video,DVD-Audio），只寫一次（DVD-R(Recordable)）和可重寫三種規格。DVD—Video和DVD—Audio多用于影音電視設備,而DVD—ROM、DVD—R、可重寫DVD則多用于計算機設備中。其中DVD—VIDEO和DVD—ROM標準已經統一。

只讀DVD的發展狀況見表1。只讀DVD技術相對比較成熟，也有一些應用于電視領域的實例，主要是被建成光盤庫，用于自動播出或對臺存節目資料進行長期保存。這種方式不僅具有容量優勢，而且還克服了傳統錄象帶質量易劣化，占用空間大，查詢管理困難，利用率低等缺點，并且它在保存圖象清晰度，音響保真度，數據傳輸率，糾錯能力及用戶間交錯功能等方面也優于傳統的磁帶。表2以DVD-Video為例給出了DVD存儲視頻，聲音和字幕子圖象編碼的有關參數。

從表2可以看出，只讀DVD-Video的傳輸碼率范圍為1--10Mbps（視頻），遠小于電視節目制作所要求的30--50Mbps的碼率，它只能剛剛達到傳輸播出的4--10Mbps的低碼率要求，對于存儲要求15--20Mbps的碼率要求而言，也顯低。要想真正利用DVD于電視節目制作和存儲，必須使用更先進的DVD技術。

只寫一次的DVD-R使用有機染料作為信息記錄層，可以說它是DVD版本的CD-R。目前DVD-R刻錄機只有整盤刻寫和增量刻寫兩種刻錄方式，一臺售價約為5000美元左右，相當昂貴。與只讀DVD相比，技術指標上沒有更多改進，主要用于DVD節目的編輯，檢驗和小批量發行，不適宜于電視臺節目的制作與大量存儲。

對于可重寫DVD，目前存在DVD-RAM，DVD-RW和DVD+RW三種相互競爭的規格，各大公司至今還未達成一致意見，也沒有統一的國際標準。1997年4月，由10家公司組成的DVD聯盟發表了單面存儲容量為2.6GB，雙面存儲容量為5.2GB的DVD-RAM標準，該標準采用了相變介質記錄方式，它的記錄和讀出完全采用光學技術，利用激光使記錄介質在結晶態與非結晶態之間的可逆相變結構實現信息的記錄和擦除。與MO（磁光）技術相比，相變光盤存儲技術具有記錄密度高，記錄成本低，介質壽命長，驅動器結構簡單，讀出信號信噪比高和不受外界磁場環境影響等突出優點，因此已成為光存儲技術的主流，具有廣闊的應用前景。DVD-RAM可進行反復多次的存取，數據率從4--15Mbps可選。非常適合于大容量節目的長期保存，并允許多人同時對其進行查詢和讀/寫操作，而DVD光盤的非接觸性激光數據讀取方式，不會由于多次檢索和讀/寫操作造成視音頻質量的損傷和劣化。

DVD-RW是日本先鋒公司基于DVD-R提出的，它也使用相變介質進行信息的記錄，擦除和重寫，其容量為4.7GB。但一直沒有正式產品推向市場。

DVD+RW是由PHILPS，SONY和HP三家公司于1997年5月聯合推出的另一種單面容量為3GB，雙面容量為6GB的可擦寫DVD規格。DVD+RW光盤不需要附加盤盒，性能更優于DVD-RAM，并且兼容性也優于DVD-RAM。表3給出了各種可重寫DVD規格的比較。

DVD的制作，首先必須利用非線性編輯系統將視頻，音頻信號采集進入計算機，然后利用DVD制作系統完成制作，包括：DVDirector軟件、硬件DVD回放卡、MPEG壓縮程序及字幕生成調用程序四部分。DVD-RAM光盤在寫入數據的時候只能使用包格式寫入，并且需要在光盤上記錄部分文件系統數據，由于其的影響以及激光不斷的開關切換動作，DVD-RAM驅動器的實際速度要比標識的速度慢約10%。通常DVD-RAM驅動器的速率是以“X（倍速）”來標識的，這是沿用了CD－ROM的用法。一個“倍速”DVD-RAM讀取數據速度為1.35MB/s。另外，在描述DVD-RAM驅動器的讀取速度時，“倍速”的概念還反映了一臺驅動器要用多長的時間才能在連續方式下刻寫完一張光盤，以4倍速DVD-ROM為例，刻錄一張單面單層4.7G的DVD光盤，約需15分鐘。以制作一部標準長度90分鐘電影為例，從上載到完成刻錄約需2小時。表4給出了各代DVD機芯的特征。

從使用的角度看，DVD光盤具有廣闊的市場前景，它也應該代表了高速大容量存儲設備的發展方向。但目前它所面臨的主要問題在于格式的統一，速度與容量的提高，價格的降低等。其中格式的不統一，制約了DVD的發展應用，也給用戶帶來了風險。同時傳輸速率還是比較低。對于專業視音頻領域要求的大容量，高速度，低價格存儲來說，目前光存儲技術發展的程度，容量及讀/寫速度，價格等指標均顯勉強。

2.3數據流磁帶機

數據流磁帶機也是利用磁記錄技術保存數據的，是目前工業系統廣泛應用的一種備份設備，例如銀行業，證券業，氣象臺等。它與電視臺使用的傳統磁帶很相似，可以說是由其發展而來的。只不過它是配屬于計算機的存儲外設，記錄的數據不是以幀為單位的圖像信息，而是以計算機文件形式存在的數字信息。與前面介紹過的硬盤，光盤記錄方式相比，磁帶備份具有下列優勢：

.成本低，每GB的存儲成本低于1.3美元。

.易于存儲，保管，可通過更換磁帶無限擴充容量。

.可靠性高，存儲時間超過30年。

.允許無人操作的自動備份。

.容量高，一盒磁帶中可以存儲高達70GB的數據。

.傳輸率高，壓縮后可以達到10MB∕秒。

磁帶備份技術一直在發展。更有效的磁帶方法，更新的格式一直在不斷涌現，四分之一英寸盒帶（QIC）是為數據儲存應用而專門設計的。在四分之一英寸磁帶上，數據可以以連續迂回的方式記錄在最多為144個軌道上。Traven技術是QIC格式的一種體現。

數字視頻技術（DAT）最初是為數字視頻記錄而設計的。當在4mm磁帶上實現了大容量的數字數據存儲、快速的數據傳輸速率和可靠性之后，DAT就被用作磁帶備份的媒質。

8mm磁帶技術最初是為視頻工業而設計的。其最初目的是將高質量的彩色圖象傳輸到磁帶上，供存儲和檢索。現在，8mm技術也被計算機工業所采納，成為儲存大量計算機數據的可靠方法。

數字線性磁帶（DLT）是磁帶備份技術的最新進展。它采用對稱相位記錄技術，交替改變磁頭的角度，幫助消除磁道間干擾。

表5給出了不同型號數據流磁帶的類型，記錄格式與特點。不同型號之間的數據流磁帶互不兼容。使用數據壓縮技術的數據流磁帶機的存儲容量，將取決于該驅動器是工作在自然模式（未壓縮）還是壓縮模式。壓縮技術一般能將儲存在媒質上的數據量加倍，實際獲得的壓縮程度對被壓縮數據的特點很敏感。

為了滿足大容量存儲以及備份的需要，業界還推出有能夠自動備份數據的數據流磁帶庫，通過使用存儲管理軟件，來實現自動按時備份。這種磁帶庫一般帶有多個DLT驅動器和兩個以上SCSI數據通道。容量可達到TB級（萬億字節以上），傳輸率可達10--20MB/S。由這些分析可以看出，數據流磁帶應該是目前最經濟合理的大容量，高速度存儲媒介，也比較適合于電視臺節目資料的長期保存。

二.電視節目資源管理系統

隨著技術的發展，幾種記錄介質的性能價格比均不斷提高，相互之間的互補關系也在加強。當設計一個存儲構架時，依據系統的使用要求如響應速度，訪問頻率，歸檔管理，介質維護，存儲成本等因素綜合考慮，實時監控調整，在不同的需求層次上選用不同的存儲介質，構成一層次型分級存儲介質管理構架，配以相關的動態，智能化管理軟件，實現智能化層次型存儲管理系統，才是一個完善先進的電視臺節目資源管理系統。

1.節目資源管理的功能

節目的資源管理不能僅局限于存放數據，而且必須針對系統的使用性質確定一套完整的策略，充分考慮可能發生的情況和應急措施，保證數據的安全性，保密性，可用性及可靠性。

由于上面提到的存儲介質都離不開計算機的調度和分配，而計算機在某些情況下可能發生系統崩潰或數據丟失，因而備份是保證系統安全最基本，最常用的手段。因此數據的自動備份與恢復是任何大型系統所必備的功能，有些重要資料甚至需要異地備份功能以防災難性事故的發生。

數據的保密性應從兩個方面考慮，一是數據的訪問授權，包括人員，地點，時間，可訪問數據類型等。二是防止非法人員的入侵，要有有效的網絡監控手段和防火墻。這樣基本可以保證被授權的用戶在所授權的范圍內調用數據，杜絕非法用戶的入侵，保障數據的安全。同時版權保護問題也應有所考慮。

對數據的分析，管理，再利用也是資源管理的主要功能之一。對電視臺來說，通過對數據庫的訪問.調用數據的分析比較，得到不同人員.不同層次.不同年齡對不同節目的需求等多方面數據，為電視臺欄目設置的科學化.合理化提供依據。

2.資源管理的工作流程

圖像和聲音以數字格式被采集.存儲，通常都會被區分為實質數據(essence)即圖像和聲音以及元數據(matadate)，即所有用來描述真實媒體的數據，比如節目的標題，長度，編輯列表，特技參數等。數字資源管理系統（DAMS）就是一種計算機軟件系統，建于數據庫系統之上，對帶有元數據的數字化視音頻節目內容進行完善的管理。為了實現這種管理，必須能夠支持兩個主要的工作流程：（1）對圖像和聲音及相關的元數據進行采集，同時完成模擬信號的數字化。（2）被存儲的圖像和聲音及相關的元數據能有效地還原成電視節目提供再利用。

采集過程的工作流程如圖3所示。圖像和聲音素材首先進行數字化并自動錄入資源管理系統，為了編輯和再利用，要求素材以演播室質量被錄制（比如Betacam或DV格式）。為了便于瀏覽，系統會同時生成低分辨率（高壓縮比，MPEG-1格式）的備份，可由計算機的壓縮板卡實現。通常基本元數據（如素材長度，拍攝時間等）可以自動從瀏覽備份中提出，并與圖像聲音數據一起傳輸。當然在此之前免不了依靠編輯人員將其指定到視音頻素材的相應位置。許多系統還通過粗編等手段從素材中抽取關鍵畫面與描述信息來生成元數據，為圖像聲音素材作索引。圖像和聲音及相關的元數據被采集.分析并做索引后，將被計算機系統存儲，通常使用基于硬盤的存儲設備，以便進一步的編輯過程和技術過程。通過收集所有可用元數據并分析實質數據，DAMS也可以簡化文獻編輯和歸檔保存過程。管理員可以直接使用瀏覽備份件，快速選擇素材，完成編目，并將素材節目以高分辨率（高質量，低壓縮比，如MPEG-2格式）進行壓縮編碼后，傳輸至大型存儲系統（如自動數據流磁帶庫）進行長期保存。

圖3實質數據和元數據的采集輸入

檢索提供再利用工作流程如圖4所示。用戶輸入關鍵字開始檢索過程，有些系統提供有圖像相似性搜索功能，在大多數系統中，附加的元數據（如文摘，瀏覽備份，關鍵幀等）能夠被直接檢索，關鍵幀作為一種視覺文摘，能夠在不查看全部瀏覽備份件的情況下，快速提供圖像內容的概貌。一些系統還可以在瀏覽備份件中，設置時間標志，以便直接進行粗編。由此得到的編輯選定列表（EDL）直接傳輸已選素材給非線性編輯系統，為最終編輯制作提供圖像與聲音素材。

3.系統構造實例

下面具體分析一個電視臺節目資源管理系統的實例。

法國先進音視系統AAVS公司于1998年8月為印度國家電視臺設計建立了一套先進有效的全網絡化電視節目檔案管理系統（ARCHIVE）。系統由圖5所示的幾大軟件構件組成。

該系統是建立在一個完全開放的技術基礎上，并充分考慮到了網絡共享及系統的升級擴充，可供長期持久使用。管理工具和圖形界面采用的是通用的計算機軟件及因特網標準技術。本系統為便于檔案查詢，采用的是MPEG-1壓縮格式的普通清晰度質量采集錄取電視節目；而檔案存儲則采用MPEG-2壓縮格式的廣播級質量保存節目。系統分為三級結構，如圖6所示，三級結構可提供三種不同的服務。

第一級實際上是工作平臺級用戶界面，在配置有通用計算機軟件WINDOWSNT或WINDOWS95及MICROSOFTIE4（因特網瀏覽器）的工作站上，由圖5中所示的各種客戶管理軟件調度各種客戶需求。用戶可以以瀏覽因特網的方式瀏覽電視臺的節目，并進行各種操作。第二級是第一級用戶與第三級信息資源及數據庫服務器之間的中介，它的功能是將用戶通過不同的IHM（人機界面）提出的要求，分配導引給系統內有關的部分，執行不同的用戶功能。第三級包括物質資源和數據庫。數據流磁帶庫是整個檔案系統的記憶中心，它可以使配置有硬盤陣列的媒體服務器成為用戶與磁帶庫之間的高速緩沖存儲器。這種結構使得系統的存儲能力可以通過增加服務器的硬盤陣列數量或磁帶庫或額外的服務器三種手段加以擴充；查詢工作站數目也可以擴充，而且通過因特網可以支持遠距離查詢，MPEG-1和MPEG-2編碼器可以支持兩種質量的圖像應用要求，充分發揮了現有計算機硬件及網絡傳輸的能力。