CN114710629A - 一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，属于超高清视频领域，包括外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块和总控模块；外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块独立于播出服务器，总控模块包括多路SMPTE‑2110‑22信号协议流信号输出模块，通过多路SMPTE‑2110‑22信号协议流信号协议流输出模块连接不同播放终端。本发明实现支持SUVC、SMPTE‑2110‑22协议流，提高了读取效率和性能，实现播出服务器轻量化部署。

Description

一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置

技术领域

本发明涉及超高清视频技术领域，更为具体的，涉及一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置。

背景技术

如图1所示，电视台目前主要采用两种超高清信号来源：

1、外来信号

常见的外来信号，例如摄像机拍摄通过专业线缆(SDI)传输的未压缩的原始数字信号，也叫SDI信号，通过All in One播出服务器在基带信号上叠加图文后输出。

2、播出服务器文件播出信号

播出服务器文件播出信号通过制作系统，先转码合成为播出格式的成品文件，经过MD5校验、自动技审和人工复审的审片通过后，再从制作系统迁移到播出存储设备，播出端按照节目单再从播出存储设备将文件迁移至播出视频服务器，得到可以供播出服务器播出的成片视频文件。在将媒体文件推送到All in One播出服务器后，播出服务器需对文件进行解码、图文加工、编码成基带信号后输出。

由上可见，现有的“All in One”技术，在承担图文包装、编解码信号输出的同时，还要保证播出总控稳定可靠。由于这种集播控、图文、编解码一体的现有“allinone”模式功能过于集成，配制要求高，容易导致其最重要的总控功能容易因系统崩溃而出现故障，往往只能使用在电视台的专业广电应用场景下，成本高，普适性差。以及，这种技术下的播出服务器采用的是单节点存储，安全性不足，除主播出以外往往都需要另外备份一套备播系统，还需要做主播与备播的同步，成本高，效率低。并且这种技术下的播出服务器，目前不支持分层编解码技术(分层编编码技术，可以SUVC格式技术，面向的超高清视频(8K、16K等)，其优点是在编辑侧可以减少读文件的带宽，在保留了高画质的同时编辑侧可直接提取基本层码流进行高效编辑，解决普通编解码方法下的原始码率编辑和代理码率编辑带来的性能不足问题，详见中国专利CN113271467B)，导致传统播出服务器在频道播出方面，文件系统安全性和读取效率不高。

现有的“All in One”技术下的视频格式转换和图文叠加的工作流程，包括：

(1)如果是直播信号：外来8K超高清原始信号(如SDI原始信号)进来后，通过播出服务器的信号转换功能转换成2110-20协议的IP流，进入播出服务器的文件存储系统进行存储，经过播出服务器的总控功能控制、图文叠加，再编解码，之后，输出2110-20的8K超高清IP信号。

(2)如果是文件播出信号：播出服务器将播出存储文件读取后，使用自带的文件播出推流功能将文件转换成2110-20的流，同样通过播出服务器实现总控控制、图文叠加，再编解码，之后，输出2110-20的8K超高清IP信号。

由上可见，无论是直播信号还是文件播出信号，都需要依赖于播出服务器完成信号转换+播控+图文包装推流等大量功能。总控是播出服务器的一个主要功能，控制节目的播出、暂定、广告切入、台标位置等，是广电播出非常重要的功能，出错了就会造成播出事故。在传统架构下播出服务器的工作流程中，无论是外来信号直接给到播出服务器还是从播出存储设备读取文件直接给到播出服务器，其直播信号转换、文件转换成信号、播出总控等功能装置是全部合并在播出服务器一台设备，可见，由于功能过于集成，最重要的总控功能容易因系统崩溃而出现故障。并且，现有方式中外来信号以SMPTE-2110-20的协议直接给到播出服务器，或者从播出存储读取使用XAVC编码格式的文件直接给到播出服务器。传统的8K超高清IP信号输出使用的是SMPTE-2110-20协议，属于无压缩标准，对硬件要求高且数据量巨大，对带宽要求也高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，提升安全性、稳定性和扩展性，实现支持SUVC、2110-22协议流，提高了读取效率和性能，实现播出服务器轻量化部署等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，包括外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块和总控模块；所述外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块独立于播出服务器，所述总控模块包括多路SMPTE-2110-22信号协议流信号输出模块，通过多路SMPTE-2110-22信号协议流信号协议流输出模块连接不同播放终端；

所述外来信号输入模块用于接入不限制协议格式的信号，然后给到信号转换编解码模块进行信号转换输出SMPTE-2110-22信号协议流；在接入SMPTE-2110-22信号协议流后，利用输出引擎进入所述媒体文件管理模块，在媒体文件管理模块将媒体文件拆分保存到所述双节点存储集群安全模块，通过所述图文叠加模块进行图文叠加，再通过输入输出控制渲染特效引擎渲染，再进入信号转换编解码模块进行处理后，根据需求输出SMPTE-2110-22信号协议流。

进一步地，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件分成小块进行原子化存储，所述小块的大小分割正好能保证视频的一个完成片段。

进一步地，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件的元数据与视频画面数据分离，避免元数据I/O和数据I/O竞争；将磁盘I/O作为文件管理系统的输入输出模型来进行数据的读写，之后经过磁盘任务调度将视频素材以每个分块进行存储，由磁盘管理进行管理，在磁盘存储的物理层面，将视频文件以每个分块进行存储，存储到磁盘的不同部位，用元数据建立索引，在读写时进行操作，由文件管理对磁盘数据文件索引进行管理。

进一步地，所述信号转换编解码模块包括分层编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，通过分层编解码模块的信号转换编解码输出SUVC编码方式信号。

进一步地，所述信号转换编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，经过信号转换编解码输出JPEG XS格式信号、H.265格式信号。

进一步地，所述图文叠加模块内置图文工具及模板，在接入ST2110-22协议标准的信号后，对其进行图文实时叠加。

进一步地，所述双节点存储集群安全模块，用于实现数据在两个节点间实时互备。

进一步地，所述多路信号输出模块包括ST2110-22信号输出模块和HDMI信号输出模块。

进一步地，所述总控模块包括SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，所述外来信号输入模块接入的不限制协议格式的信号，在给到信号转换编解码模块的同时，给到总控模块的SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，用于控制SMPTE-2110-22信号协议流；或者，总控模块直接从播出存储设备读取JPEG XS或SUVC格式的文件，直接给到播出推流装置，将文件封装转换成SMPTE-2110-22信号协议流给到总控模块，将信号控制后给到媒体文件管理模块。

进一步地，所述不同播放终端包括网络分发终端、IPTV终端、大屏展示终端和移动播出终端中任一种或多种，不局限于电视台播出。

本发明的有益效果是：

应用本发明实施例提供的装置，替代了“All in One”技术中的播出服务器，并且该装置的应用改进了传统电视台播出架构，实现播出服务器轻量化部署，提升安全性、稳定性和扩展性。对传统技术中信号转换、文件播出推流、总控、图文叠加、编解码、文件管理和存储均进行了改进，传统仅支持SMPTE-2110-20、XAVC编码格式，本发明实施例实现支持SUVC、2110-22协议流，提高了读取效率和性能。相比传统技术，本发明实施例的优势还在于：

1.对传统播控服务器减少了信号转换、文件播出推流和总控的能力，精简了功能，使得传统播控服务器可以不用顾及播出安全性，完全发挥设备性能。同时，改进后的总控模块，可以实现多路输出，去除了广电专用的功能，可应用于其他领域。虽然少了东西，但能够保证整个系统的安全性，不会发生播出事故，而且目前没有此类本发明实施例的产品，集成了多项功能的播出服务器只能使用在电视台的专业广电应用场景下。

2.可支持SUVC编码方式视频播出，可支持2110-22协议流格式的输入输出。采用支持分层编码技术(SUVC,Scalable Video Coding)的转换设备进行转换和编解码，在实施例中可以实现将8K画面通过可逆缩放变换，分解为4K基本层和8K增强层，在输出8K画面时，达成降低带宽和硬件性能需求，不增加系统额外的存储和计算开销。

3.本发明实施例替换了传统的媒体文件管理模块和存储模块，利用改进后的媒体文件管理模块，重新设计了元数据表；重新架构数据I/O，绕过传统系统自带文件系统对数据进行读写，支持多线程并行读或则并行写，减少了数据IO的内存拷贝，支持超高清素材播出时的大数据量读写，可以提高视频文件存储读写效率。双节点存储集群安全模块，可以保证数据安全。在实施例中，依托于文件系统的性能，设备可以承受同时一路8K或4路4K信号的高码流的磁盘读写吞吐压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统架构示意图；

图2为本发明实施例的架构示意图；

图3为本发明实施例装置的工作流程图；

图4为本发明实施例装置的文件系统结构图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

下面根据附图2～图4，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。

如图2，图3所示，本发明实施例旨在解决播出服务器应用场景过于局限、安全性和高性能无法兼得的问题，提出一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，具体结构如图3所示，包括媒体文件管理模块、8K信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块。工作流程包括：SMPTE-2110-22的8K超高清信号接入本发明实施例装置后，通过输出引擎进入媒体文件管理模块，将媒体文件拆分保存到双节点存储集群安全模块，通过图文叠加模块，进行图文叠加，再通过渲染/特效引擎模块渲染，进入8K信号转换编解码模块根据需求输出2110-22信号。在实际应用过程中，具体而言，包括：

在接入SMPTE-2110-22协议标准的8K超高清信号后，通过信号转换编解码，可实现输出JPEG XS、H.265、SUVC(分层编码技术Scalable Video Coding)等多种编码方式信号。

在通过文件播出方式时，本发明实施例装置设计了新的媒体文件管理模块，独立于原有文件系统，直接对磁盘进行读写操作，可获得更高的新能和更大的灵活性。新的媒体文件管理模块通过智能磁盘I/O调度，有效避免磁盘读写“冲突”。同时，利用实时备份的AMFS RAID能够提供优于RAID0+1的数据安全性，确保磁盘意外损坏的情况下数据不受影响。依托于文件系统的性能，在具体实施中，可以承受同时一路8K或4路4K信号的高码流的磁盘读写吞吐压力。

如图4所示，新的媒体文件管理模块的特性是对原文件系统进行改造，将视频文件分成8M一个小块进行原子化存储，8M一个小块的大小分割正好能保证视频的一个完成的片段，符合视频文件的读写特性，所以能够获得更高的性能和更大的灵活性。

原有文件系统即为普通的存储系统，通过操作系统自带的文件管理工具进行读写操作，本发明实施例的媒体文件管理模块，区别与传统技术：1.适应视频文件的存储，将视频文件的元数据与视频画面数据分离，避免元数据I/O和数据I/O竞争；2、重新设计了元数据表，让元数据更小，每次保存的颗粒度更小，传统的视频文件元数据要更大，占据更多空间；3.重新架构的数据IO，可绕过传统系统自带文件系统对数据进行读写，支持多线程并行读或则并行写，减少了数据IO的内存拷贝，支持超高清素材播出时的大数据量读写，此外，还可支持多块数据磁盘，不再有磁盘数量的上限限制。

磁盘I/O作为文件管理系统的输入输出模块进行数据的读写，之后经过磁盘任务调度将视频素材以8M每个分块进行存储，由磁盘管理进行管理，在磁盘存储的物理层面，将视频文件以8M每个分块进行存储，存储到磁盘的不同部位，用元数据建立索引，在读写时进行操作，由文件管理对磁盘数据文件索引进行管理。

本发明实施例在ST2110-22信号输入后，可以支持8K大幅面的ST2110-22信号图文实时叠加，支持台标、时钟、左飞、角标、标题字等多种字幕模板播出、图文跨节目播出、支持图文字幕的一键上、下调整、支持图文字幕与播出条目绑定播出。同时设备内置专业图文工具及模板，方便图文制作，现有是使用XAVC编码格式，输出SMPTE-2110-20信号。

本发明实施例使用双节点存储集群模块，实现数据在两个节点间实时互备，实现一块磁盘坏掉不影响改磁盘上的数据，可自动修复受损数据，同时一块磁盘坏掉不影响播出安全，即便是播出的内容包含坏掉磁盘上的数据也可正常从远程节点读取数据进行播出。

本发明实施例装置的多路输出模块，支持8K大幅面的UHD的素材的双路输出，一路ST2110-22信号输出，一路HDMI供监看。具体而言，在信号输出上，通过8K信号转换编解码模块能够实现支持SDI、ST2110-22信号的输出，同时可支持SMPTE 2110、SMPTE 2022-7标准的基带IP播出及无缝保护切换，可完成JPEG XS、H.265、SUVC等多种编码方式的信号格式转换，且不局限于电视台播出，应用于网络分发、IPTV、大屏展示、移动播出等终端等。

本发明实施例中，是外来信号不限制协议格式，给到信号转换模块，转换成SMPTE-2110-22的协议直接给到总控进行控制；或者从播出存储读取JPEG XS或SUVC的文件直接给到播出推流装置，将文件封装转换成SMPTE-2110-22后给到总控将信号控制后，给到本发明实施例中的媒体文件管理模块进行后续处理。

在本发明实施例提供的装置，总控模块通常可以选取安全性较高但配制要求较低的计算机设备，在本发明实施例中，由于总控模块功能单一，仅根据权限负责控制信号的输入输出流选择，从而能够保持较高的稳定性。在实际应用中，可采用信号控制计算机。

实施例1：一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，包括外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块和总控模块；所述外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块独立于播出服务器，所述总控模块包括多路SMPTE-2110-22信号协议流信号输出模块，通过多路SMPTE-2110-22信号协议流信号协议流输出模块连接不同播放终端；

所述外来信号输入模块用于接入不限制协议格式的信号，然后给到信号转换编解码模块进行信号转换输出SMPTE-2110-22信号协议流；在接入SMPTE-2110-22信号协议流后，利用输出引擎进入所述媒体文件管理模块，在媒体文件管理模块将媒体文件拆分保存到所述双节点存储集群安全模块，通过所述图文叠加模块进行图文叠加，再通过输入输出控制渲染特效引擎渲染，再进入信号转换编解码模块进行处理后，根据需求输出SMPTE-2110-22信号协议流。

实施例2：在实施例1的基础上，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件分成小块进行原子化存储，所述小块的大小分割正好能保证视频的一个完成片段。

实施例3：在实施例2的基础上，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件的元数据与视频画面数据分离，避免元数据I/O和数据I/O竞争；将磁盘I/O作为文件管理系统的输入输出模型来进行数据的读写，之后经过磁盘任务调度将视频素材以每个分块进行存储，由磁盘管理进行管理，在磁盘存储的物理层面，将视频文件以每个分块进行存储，存储到磁盘的不同部位，用元数据建立索引，在读写时进行操作，由文件管理对磁盘数据文件索引进行管理。

实施例4：在实施例1的基础上，所述信号转换编解码模块包括分层编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，通过分层编解码模块的信号转换编解码输出SUVC编码方式信号。

实施例5：在实施例4的基础上，所述信号转换编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，经过信号转换编解码输出JPEG XS格式信号、H.265格式信号。

实施例6：在实施例4或5的基础上，所述图文叠加模块内置图文工具及模板，在接入ST2110-22协议标准的信号后，对其进行图文实时叠加。

实施例7：在实施例1的基础上，所述双节点存储集群安全模块，用于实现数据在两个节点间实时互备。

实施例8：在实施例1的基础上，所述多路信号输出模块包括ST2110-22信号输出模块和HDMI信号输出模块。

实施例9：在实施例1的基础上，所述总控模块包括SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，所述外来信号输入模块接入的不限制协议格式的信号，在给到信号转换编解码模块的同时，给到总控模块的SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，用于控制SMPTE-2110-22信号协议流；或者，总控模块直接从播出存储设备读取JPEG XS或SUVC格式的文件，直接给到播出推流装置，将文件封装转换成SMPTE-2110-22信号协议流给到总控模块，将信号控制后给到媒体文件管理模块。

实施例10：在实施例1的基础上，所述不同播放终端包括网络分发终端、IPTV终端、大屏展示终端和移动播出终端中任一种或多种，不局限于电视台播出。

本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (10)

1.一种实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，包括外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块和总控模块；所述外来信号输入模块、媒体文件管理模块、信号转换编解码模块、图文叠加模块、输入输出控制渲染特效引擎、双节点存储集群安全模块独立于播出服务器，所述总控模块包括多路SMPTE-2110-22信号协议流信号输出模块，通过多路SMPTE-2110-22信号协议流信号协议流输出模块连接不同播放终端；

所述外来信号输入模块用于接入不限制协议格式的信号，然后给到信号转换编解码模块进行信号转换输出SMPTE-2110-22信号协议流；在接入SMPTE-2110-22信号协议流后，利用输出引擎进入所述媒体文件管理模块，在媒体文件管理模块将媒体文件拆分保存到所述双节点存储集群安全模块，通过所述图文叠加模块进行图文叠加，再通过输入输出控制渲染特效引擎渲染，再进入信号转换编解码模块进行处理后，根据需求输出SMPTE-2110-22信号协议流。

2.根据权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件分成小块进行原子化存储，所述小块的大小分割正好能保证视频的一个完成片段。

3.根据权利要求2所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述媒体文件管理模块，用于将视频文件的元数据与视频画面数据分离，避免元数据I/O和数据I/O竞争；将磁盘I/O作为文件管理系统的输入输出模型来进行数据的读写，之后经过磁盘任务调度将视频素材以每个分块进行存储，由磁盘管理进行管理，在磁盘存储的物理层面，将视频文件以每个分块进行存储，存储到磁盘的不同部位，用元数据建立索引，在读写时进行操作，由文件管理对磁盘数据文件索引进行管理。

4.根据权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述信号转换编解码模块包括分层编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，通过分层编解码模块的信号转换编解码输出SUVC编码方式信号。

5.根据权利要求4所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述信号转换编解码模块，在接入ST2110-22协议标准的超高清信号后，经过信号转换编解码输出JPEG XS格式信号、H.265格式信号。

6.根据权利要求4或5所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述图文叠加模块内置图文工具及模板，在接入ST2110-22协议标准的信号后，对其进行图文实时叠加。

7.根据权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述双节点存储集群安全模块，用于实现数据在两个节点间实时互备。

8.根据权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述多路信号输出模块包括ST2110-22信号输出模块和HDMI信号输出模块。

9.根据权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述总控模块包括SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，所述外来信号输入模块接入的不限制协议格式的信号，在给到信号转换编解码模块的同时，给到总控模块的SMPTE-2110-22信号协议流接收模块，用于控制SMPTE-2110-22信号协议流；或者，总控模块直接从播出存储设备读取JPEG XS或SUVC格式的文件，直接给到播出推流装置，将文件封装转换成SMPTE-2110-22信号协议流给到总控模块，将信号控制后给到媒体文件管理模块。

10.权利要求1所述的实现超高清视频格式转换和图文叠加的装置，其特征在于，所述不同播放终端包括网络分发终端、IPTV终端、大屏展示终端和移动播出终端中任一种或多种，不局限于电视台播出。

Images