央视分享TVU系统在电视直播中的应用

　　为迎接2017年香港回归祖国20周年海量的新闻报道直播工作，中央电视台亚太中心站—香港技术科组的同事们从2014年开始了基于IP网络技术的电视直播系统的调研，并逐渐展开了对美国TVU NETWORKS公司生产研发的TVU系列产品的应用测试、研究、知识储备的工作，一切为了2017年的直播工作做好准备。

　　2016年将近年底，我们在多次重要电视直播工作中采用全球流行的TVU PACK-TM8100/TM5000编码器和TR3100解码器进行端对端直播工作，从2016年4月初在香港龙舟赛上三天的英语频道直播 ，到6月香港九龙堂迷你仓大火突发事件 ，7月张德江委员长访港 ，8月底奥运军团载誉而归访问香港、澳门，在澳门初试漫游直播 ，9月韩国首尔 - 中秋归家的旅程 ，再到10月印度果阿峰会 ，和韩国首尔百万人弹劾朴槿惠大游行 ，新年维港烟花SHOW ， 再到 2017 年 3 月朝鲜领导人哥哥金正男在马来西亚被暗杀 等，一系列重大报道中TVU系统都发挥了重要的作用，经过我们不断的实际应用测试，亚太地区无论是在印度偏远地区果阿，还是在韩国网络极其拥堵的时候，基于IP网络技术的电视直播稳定性达到100%。

　　2016年亚太大部分国家和地区都覆盖了4G网络，只有极少数国家缅甸、老挝、尼泊尔、越南还没有4G，但是也都覆盖了3G，所以随着移动网络的普及，TVU势必会有越来越广泛的使用空间。

　　过去用BGAN设备直播时，支持标准IP传输协议，可以选择从32Kbps到384Kbps带宽， 直播时可以选择450kbps 速度的 X-stream 的带宽。支持各种最新的压缩协议编码方式，例如 H.264、MPEG-4、Windows Media 9 等方式。BGAN 编码器基于硬件和软件共同给视频流编码，但是由于带宽的限制，必须通过下变换，变成标清的流畅视频才能发送，使用 UDP[1] 传输协议发送视频的时候，通过端到端 QoS[2] 技术保证视频流畅。

　　应用于搜索卫星信号的BGAN直播系统，对于在野外没有基础通讯的情况下，有绝对的优势。但是，在当今日益增长的亚太地区突发新闻频发的大都市中，BGAN 的搜星系统碍于高大楼宇的遮挡和星空中卫星位置、方向诸多因素限制，很难发挥它应有的威力。而且，BGAN 系统每次租用卫星的服务通讯费用十分高昂，高出基于 IP 网络流量费用几十倍。并且，随着电视影像技术的发展，我们的BGAN 传输带宽还是仅能支持标清视频信号，远远落后已经迈向4K/8K 影像的视频质量，这在当今对于影像要求越来越高的时代，已经不能满足我们的需求。而 TVU 是基于IP 网络相对传统的 BGAN卫星直播系统，操作更简单、费用低廉、传输高清质量视频信号、通过网络传输信号更稳定。

　　目前市场中另一品牌 LiveU，它和 TVU 相比，两个属输于同类产品，都是基于IP网络传输视、音频信号的编解码传输设备。但是在一个细节的设计上LiveU是前方记者在直播现场操作编码器来输入所需设置，TVU 是后期解码器端的技术人员来调节延时以及带宽、VBR(动态比特率) 或CBR(固定比特率)设置。根据新闻报道工作的实际情况，TVU 的设计更为人性化，前方记者的工作主要职责就是新闻报道，没有时间和精力去实时监控现场的网络情况，而后方演播室的工作人员是负责技术保障的专业人员，TVU 很好地解决了这个问题，由后方操控编码器的技术人员监控网络情况和调整设置，前方记者只需要一键开机即可直播，我们认为这样的细节设置更为合理，所以 TVU 系统就被我们采用并投入到实际工作中测试应用了。

　　首先，TVU 系统架设简单、操作分析 便捷，我们在导播间架设一台 TR3100 解码 器，前方编码器一键开机无需设置就开始端对端直播信号 传输，并以 10MB 带宽输送高清视频影像，一发一收这就 是全部的操作，直观感受上操作优化致简。

　　标准 FEC 纠错但是不使用 IS+ 技术需要重新传输而且导致长时间延时和画面细节丢失

　　接着，就来看它核心技术，如何在网络信号不稳定的 情况下保证直播信号通道的稳定性。在运动过程中或者网 络环境恶劣的情况下，TVU 有自己特色的解决方案，Is+ 允 许任何网络不稳定的情况随时出现，而不需要暂停直播。 以前直播依赖卫星或者微波传输视频数据，现在 TVU 主要 依靠3G、4G网络传输数据，由于各个国家、 不同城市，甚至城市的不同位置，网络情 况复杂，网络运营商覆盖范围差异非常 大，而基于 IP 网络的电视直播面临的最大 挑战就是网络的不稳定性，Is+ 结合了多种 数据结合方式，彻底解决了这一难题。以 前，移动上载数据解决方法主要是通过多种数据结合的方 式，所有的传输方式在视频数据传输之前会附加上一定的 冗余纠错码，进行前向纠错，这种方法并不能提供弹性带 宽，无法应对比特率变化，丢包，延时等网络环境的不稳 定，这种方式无法在多变的网络环境中传输一个低延时高 清信号，事实上，过去这些传输系统大多数应用了 ARQ[3] 和 HARQ 等纠错校正重传技术，但是这些技术同时会增加 系统延时。

　　标准 FEC 纠错且使用 IS+ 技术需要重新传输而且导致长时间延时和画面细节丢失

　　在通过无线网络传输高质量画面时候，带宽只是一个方面，控制数据包丢失也是画面传输好坏的关键。通常QoS 功能的 IP 地址流量控制不能保证时，数据包丢失就会发生。通过 H.264[4] 这种高压缩比的编码，即使 1 比特数据的丢失，都会引起画面或者声音的干扰，出现静帧或者杂声。接收端检测到丢失数据之后，会重新传输丢失的数据包，前向纠错编码可以很好改善画面质量和传输效率，但这样就引起额外的延时并且降低传输速度。动态比特率编码是 TVU 的 VBR 编码技术，不需要随着直播条件的变化手动调整带宽，VBR 会自动适应直播地点网络条件的变化， 来传输最优的画面，并包含高级的 FEC[5]纠错算法，有效地减少丢包，并且快速地修复丢失的数据包，以保证传输流畅、低延时的清晰画面。

　　Is+ 是TVU 研发的一种信号反馈数据复用专利技术—— 反向数据复用，解决了网络带宽变化引起的丢包问题。通过这种技术，一路信号反向经过多路信道传输，需要传输的数据流根据当时带宽的大小，被分成更小的数据包，实时传输过程中，Is+通过反向信号会检测带宽变化，需要传输的数据流根据不同信道的带宽分配不同数量的数据包。接收端再进行纠错解码，有了数据通道的稳定保证，直播的画面质量也多了一层保护。

　　TVU 的 Is+ 技术可以很好解决网络带宽不稳定并把延时控制在理想范围内，同时也保证了流畅清晰的高清画面质量，而编码效率是影响画质的另一个重要因素。有许多产品可以实现网络直播，但是我们更关心信号是如何编解码并且被传输发送出去，这些产品不能实现真正的高清，因为它们没有优化编码以及传输方式。它们在编码时，减少画面采样点，传输以后，解码时再增加采样点，这样会导致色彩信息丢失，并不是真正的高清。还有一些产品， 虽然多样的无线网络连接传送，但是却用集成的硬件或者简单的软件编码，因为没有经过强大的处理器编码运算，同样会导致画质受损。相比之下，TVU 利用 H.264 编码， 同样带宽下，编码效率优于普通软硬件 30%，以此大大保证了高清晰的画面质量。

　　在 Is+ 反向数据复用技术的保障下，高效地利用不稳定的动态网络带宽，H.264 编码借助动态比特率编码传输发送，并结合高级前向纠错，提供稳定信号通路和高质量视频画面，为我们的新闻直播保驾护航。

　　我们应用测试的TVU TM8100 和TM5000 性能稳定，在以上核心技术的保障下还各有所长，TM5000小巧，优化掉屏幕后更加机动便携，TM8100数据接入方式更多，卫星、微波信号都可接入，接收信号更稳定。本机自带网络热点， 分配出部分带宽输送一路视频信号，在直播的同时，使前方记者通过手机连接，看到接收机反馈的直播PGM信号， 使前方记者和后方演播室的互动更紧密。在直播同时双重编码，自动收录 10Mbps码流的高质量视频，保证新闻资料更安全。

　　最新产品TVU ONE 综合了以上两个型号的所有优势， 并融入新技术，综合切换网络，只需一键点击，便可以在虚拟的管理软件中切换所有的输入源，包含SDI、TVU 等输入方式，超快开机时间不多于 20 秒，增加耦合器电话功能，并且可添加多路电话耦合能力，不多于500 毫秒延时， 社交媒体分享，一键分享截屏至社交网络，为我们的新媒体直播提供便捷途径。

　　目前使用中的TR3100 接收解码器是一个软硬件共同解码的高效传输视频的设备。基于网络的用户界面可以显示和调整所有的关键参数，例如每个接入信号源的信号强度，GPS 定位，恢复TVU 背包中收录的视频资料等等。前方编码器双重编码记录下的高质量视频，在这里选择性下载前方编码器硬盘中的视频片段。智能动态比特率监控技术，在你不确定直播预设多大的码率时，可以自动选择最优码率，TVU 会自动适应网络情况，智能地自动调整画面质量适应不稳定的网络带宽，操作者只需要设置一个直播延时即可。

　　在未来这种基于IP 网络技术的电视直播系统，还将随着我们城市网络的发展而不断进步，TVU公司目前的最新产品TVU-ONE 已经将 H.265 编码应用到电视直播中。H.265 旨在在有限带宽下传输更高质量的网络视频，仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。这也意味着，我们的智能手机、平板机等移动设备将能够直接在线播放 1080p 的全高清视频。H.265 标准也同时支持 4K(4096×2160) 和8K(8192×4320)超高清视频。可以说，H.265 标准让网络视频跟上了显示屏“高分辨率化”的脚步。H.264 由于算法优化，可以低于 2Mbps 的速度实现标清数字图像传送;H.265HighProfile可实现低于 1.5Mbps 的传输带宽下，实现 1080p 全高清视频传输。除了在编解码效率上的提升外， 在对网络的适应性方面 H.265 也有显著提升，可很好运行在 Internet等复杂网络条件下。H.264 统治了过去的五年， 而未来的五年甚至十年，H.265 将会成为主流。

　　通过我们在实际工作中的应用，工作后的总结研究， 我们对 TVU 系统充满信心，并且我们追踪技术革新的脚步，对最新一代产品TVU-ONE 和 TVU 系统的升级更加充满期待。我们未来面对的挑战还有很多，需要解决的技术问题还有很多，未来我们对网络环境的测试，网络是否会被主动干扰，网络净化等客观问题的探讨还有很多，我们将一如既往地以作为一名电视视频技术工作者的热情对影像质量、直播安全、视频信号保密、新事物、新产品去追求探索。