廣州高清互動電視平臺遠程碼流監控系統淺析

徐力恒，譚 鑫

（廣州珠江數碼集團有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

從數字電視到現在廣電運營商為迎接三網融合而大力推廣的高清互動電視，視頻監控系統及碼流監控系統已成為前端必不可少的一部分。但傳統的視頻監控系統及碼流監控系統必須通過監控墻進行視頻圖像的展示，并由人工24 h值班，通過巡檢及報警音、燈等外部提示手段來進行監控。隨著三網融合的腳步越來越近，不少廣電運營商開始同時新建和維護多個前端，維護人員的不足成為保障新建前端安全播出的瓶頸。面對這個問題，廣州高清互動電視前端搭建了一套針對前端直播信號的無人值守遠程碼流（包含視頻）監控系統，嘗試通過技術手段減輕人工值班的壓力。

1 無人值守遠程碼流、視頻監控系統組成

廣州高清互動電視前端的無人值守遠程碼流、視頻監控系統為典型的C/S架構，由視頻碼流分析服務器、管理服務器和多屏軟件終端組成，只需要通過二者就可以協調完成前端多點的無人值守的視頻、碼流監控任務（如圖1所示）。

1.1 碼流分析服務器

碼流分析服務器是整個系統的核心，下面具體介紹其主要功能。

1）實現總前端、分前端多個節點的視音頻數據采集。方案中碼流分析服務器采用的是純軟件平臺，除了服務器外，沒有任何硬件支持，只需通過多個千兆網卡即可實現多路碼流實時解碼及實時監測診斷。因為廣州高清互動電視前端采用的是純IP傳輸方案，因此碼流監控的范圍可以一直推進到接入網設備（CMTS）。

2）對采集得到的數據進行監測。系統的監測模塊提供了從IP層、系統層到視頻編碼層（一致性）、音頻編碼層、數據層的深入全面分析診斷功能，同時也具備對圖像聲音層面的黑場、靜幀、靜音、爆音等監測，確保了各種數字壓縮、發射和接收等各個環節上的各種壓縮格式中的視音頻信號與數據的正確性、完整性和安全性。

3）具備記錄功能。碼流監測服務器會在分析過程中自動捕捉全部被監測信號的系統層、視頻層和音頻層中出現的錯誤，并提供下列功能：記錄哪一路信號出錯，系統支持所有碼流出錯自動記錄；可以選擇出現什么樣的錯誤時進行紀錄；可以設置對一個數據源最大的捕捉時長；提供全程碼流記錄功能，可以一路或多路信號全程記錄。

4）提供多點信號比對功能。一臺碼流監測服務器可以通過不同網卡同時接入來自多個點的監測信號。然后通過邏輯綁定，將多點的信號監測結果進行對比。此處的對比并不單只是同一種信號類型的相互對比，而是包含同一套節目在對傳輸過程中的多種傳輸、編碼環節處理后的信號的對比。例如，在對中央一套高清頻道的監控中，監控了多達4個傳輸點的信號，包括信號源的MPEG-2信號，H.264編碼后信號，直播推流服務器處理后的RTP傳輸流信號及分前端接收的傳輸流信號，分別使用了包括TR101 290[1]，H.264 HRD，MD和視音頻一致性測試等檢測方式。任何一個監測點出現報錯，整個邏輯鏈路各個點的檢測參數都可一目了然地獲得，同時可以調出遠程視頻回傳，檢查實際影響情況。故當出現故障時，可以非常快捷地通過比較發現故障位置。

5）具備強大的多畫面編碼功能。之所以能實現無人值守，是因為碼流監控服務器本身具備十分強大的多畫面編碼功能。該服務器可以將監測的數十乃至上百路高標清信號通過系統內嵌的多畫面編碼軟件編碼成一路低碼率（100 kbit/s～4 Mbit/s）碼流，工程師所持的客戶端（PC或移動終端）只要能夠連上互聯網，則可通過VPN接收此碼流，并隨意監控其中一路或通過多畫面滾屏方式進行總前端、分前端的視音頻信號監控，配合管理服務器，實現了真正意義的遠程監管。

6）離線碼流深度分析功能。碼流監控服務器可以同時進行離線碼流文件深度分析，對因出錯而被記錄下來的碼流進行定量分析，使工程師可以快速直觀地得到關于該錯誤碼流的更加詳細、清晰的信息，使系統在通過監測站進行定性監測的基礎上，增加了定性分析功能。

1.2 管理服務器

管理服務器的功能顧名思義，就是對多臺碼流監測服務器進行管理，并將所有的報警信息、報表進行整合，通過短信、郵件等手段通知工程師前端碼流的異常情況。其主要功能包括：

1）提供了完整的信息紀錄保存手段，為客戶提供可分析數據。提供的分析數據包括每個數據源在系統層、視頻層和音頻層的測試結果概要，每個錯誤或報警的詳細報告，以及過去12個月內的錯誤或警告歷史。

2）對多臺碼流監測服務器進行集中式監控及管理，可監控各臺服務器的運行情況和資源使用情況，并設置包括IP、分級報警設置等功能。

3）為實現無人值守的目的，系統支持語音、標識、E-mail、短信、日志、等多種報警方式。其中，多畫面報警功能通過各個終端屏幕，包括電腦、監視器、移動終端等對視音頻信號丟失、黑場、靜幀標識報警提示。系統還可通過E-mail、短信系統將各類報警分級別、分類型分別通知各個環節的運維人員和主管部門領導。

1.3 用戶終端

本系統中最大的特色就是用戶終端和前端服務器的緊密結合。在本系統中，用戶終端并非簡單通過網頁或其他形式進行監測服務器軟件的設置和報警信息瀏覽，而是可以通過軟件直接觀看遠程回傳的多畫面視音頻碼流，并可隨時切換至碼流的任意一路，進行視音頻的檢查。這意味著工程師不再需要依賴機房，無論手機、筆記本式計算機，還是家中的臺式計算機，只要能夠接入互聯網，即可就地進行全網的實時信號監控檢查，結合現階段所有的前端系統皆可以進行遠程管理。因此，工程師可以隨時隨地地對前端進行監控和故障排查，而無須依仗機房人員24 h監控待命。同時，技術人員也會通過手機、郵件等方式得到前端的通知。

2 系統中采用的關鍵技術

2.1 多畫面軟件編碼技術

監測服務器可以根據維護人員的編排，將任何一點的多路信號通過H.264編碼編為一路N×M的畫面，同時在軟件中將該路畫面分割出虛擬屏，維護人員可以點擊虛擬屏單獨選擇任何一路信號，監測服務器停止多畫面編碼，而轉為單路信號H.264壓縮后，傳到用戶終端屏幕中。

2.2 視頻分析監測技術

在視頻監測中，本系統采用的是業界在前端監控中甚少采用的一致性監測方法，該方法根據國際編碼標準檢測語義規則和數據的完整性。可以說，此系統在圖像質量監控上已具備專業編碼質量分析能力。

首先在物理層，通過自定義延時，視頻層分析器可以對黑幀（Black Frame）、灰幀（Gray Frame）和靜幀進行監測[1]。

其次，軟件針對前端使用的H.264視頻流[2]，采用了虛擬參考解碼器（Hypothetical Reference Decoder，HRD）參數檢測，進行帶平穩刷新快速的幀/場精確隨機查找，可得到詳細的解碼后圖像緩沖期信息，并可得到根據顯示或編碼順序排列的流圖像分布圖，還可快速選定一個特定的圖像并顯示其屬性信息。

在報頭信息的監測中，包括序列參數組、序列參數組擴展、圖像參數組、補充提高信息和片報頭信息都是檢測目標。

同時，視頻編碼過程中的宏塊信息和塊信息也是系統監測的對象，包括宏塊信息中的參考索引、運動矢量、編碼后數據塊樣式、運動矢量的模式、量化和參殘差數據的詳細編碼大小、宏塊類型的可視化圖標、塊信息中的變換和量化后的系數、反量化和反變換后的系數、塊內/塊間預測結構（參考數據）、參考數據和殘差數據和等[2]。

此外，系統還可以實時圖像形式計算PSNR和SSIM、流數據和圖像數據統計等，此處不再一一介紹。

2.3 音頻層檢測

音頻層的檢測主要包括基本的音頻流信息檢測，包括音頻類型、音頻碼率、采樣碼率、聲道模式、音頻波形檢視窗口等。針對運營商所關注的靜音、爆音監測，系統采用的是帶爆音指示的快速PPM檢測，可偵測毫秒級的爆音和自定義的靜音監測[3]。

2.4 傳輸流檢測

傳輸流的檢測依舊針對的是傳輸流層的ESTI TR 101 290[1]測試，具體分為3個優先級。

第1優先級別包括TS同步丟失，同步字節錯誤，PAT錯誤，連續計數錯誤，PMT錯誤和PID錯誤。

第2優先級別包括傳輸錯誤，CRC錯誤，PCR重復錯誤，PCR不連續指示誤差，PCR準確度錯誤，PTS錯誤和CAT錯誤。

第3優先級別包括NIT真實錯誤，NIT其他錯誤，PID關聯錯誤，SDT實際錯誤，SDT其他錯誤，EIT實際錯誤，EIT其他錯誤，EIT PF錯誤，RST錯誤和TDT錯誤。

2.5 IP層監測

因為本系統涉及到分前端的監控，而分前端和總前端之間跨越了多個網絡設備，因此網絡層的監測也是必不可少的一部分。系統主要針對廣州高清互動平臺使用的RTP及IPTV中的MDI進行監控[4]。包括帶寬監測、SAP/SDP分析、RTP順序誤差、RTP LDE（Lost Distance Error）、RTP LPE（Lost Period Error）、MDI DF、MDI MLR等。

3 小結

現在各級廣電的新建前端都在逐步向IP化、遠程可管理化的方向發展，以盡量降低技術維護人員的人力成本，但保障安全播出仍是各前端的首要職責，如何能在兩者之間尋找平衡，廣州高清互動電視平臺所建立的無人值守的遠程碼流監控系統就是在朝著這個方向前進。技術監控、遠程監控等手段，將成為人工值班監控的有力輔助和補充。

[1]ETSI TR101 290，Digital Video Broadcasting（DVB）；measurement guidelines for DVB systems[S].2001.

[2]ITU-T H.264—2005,Series H:audiovisual and multimedia systems,infrastructure of audiovisual services——coding of moving video，advanced video coding for generic audiovisual services[S].2005.

[3]ISO/IEC 14496-3，Information technology——coding of audio-visual objects——part 3：audio[S].2001.

[4]RFC 4445 MDI，A proposed media delivery index[S].2006.