電視臺播出信號監(jiān)測趨勢探討

周 平

（云南省廣播電視局安全播出監(jiān)測中心，云南 昆明 650031）

1 當(dāng)前電視播出系統(tǒng)信號監(jiān)測方式

在傳統(tǒng)電視播出機房，電視屏幕墻是日常信號監(jiān)看的主要手段。各頻道主、備、第三備、墊片及多路外來信號等都通過多畫面拼接器進行上屏監(jiān)看，各路信號視頻、音頻的播出情況可以非常直觀地展示出來。經(jīng)過多年發(fā)展，后臺的自動播出系統(tǒng)能夠較為完善地自動控制視頻服務(wù)器、切換臺、矩陣及鍵控器等多種專業(yè)視音頻設(shè)備，播出自動化運行狀態(tài)下通常不需要人工干預(yù)。播出監(jiān)控系統(tǒng)通常采用分布式架構(gòu)，后臺自動收集播出系統(tǒng)內(nèi)核心硬件設(shè)備、環(huán)境、軟件、業(yè)務(wù)流程的運行狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)異常后能夠及時通過前端軟件進行告警。在監(jiān)測所有的信號播出狀態(tài)、自動播出控制軟件運行狀態(tài)、播出監(jiān)控報警的過程中，需要值班人員保持精神集中，否則容易出現(xiàn)疏漏。然而，值班人員還要對總控/演播室的信號任務(wù)、總編室節(jié)目單交接以及字幕播出單負(fù)責(zé)，因此，當(dāng)前監(jiān)測方式高度依賴值班人員，要求值班人員在工作期間全程保持專注的狀態(tài)。

由此可見，當(dāng)前架構(gòu)下，電視播出值班崗位承擔(dān)著較大的安全播出壓力。隨著電視播出IT 化、IP 化轉(zhuǎn)型，又將為值班人員帶來新的工作內(nèi)容。IP 化系統(tǒng)的信號質(zhì)量與數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架構(gòu)截然不同，僅僅依賴電視墻信號，不能夠做到全面的掌控，主要有以下幾個方面的原因。

（1）SDI 信號傳輸鏈路是固定的點到點的模式，兩端連接好就可以實現(xiàn)信號的傳遞，源—目的模式比較簡潔，無外部依賴條件，非常容易排查出信號故障原因。

（2）IP 信號基于數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)絡(luò)，信號的傳輸可以基于多個傳輸鏈路。每個鏈路是復(fù)用的，且鏈路上傳輸?shù)男盘柨梢允遣煌袷健?/p>

（3）IP 信號以交換機為核心，遵從SMPTE ST2110 標(biāo)準(zhǔn)的視音頻信號采用多路組播流來承載，整個網(wǎng)絡(luò)高度依賴精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）時鐘同步[1]。

從SDI 架構(gòu)轉(zhuǎn)換到IP 架構(gòu)，一方面，維護人員對于系統(tǒng)使用和維護所需的知識、經(jīng)驗都需要更新；另一方面，IP 化網(wǎng)絡(luò)比基于SDI 構(gòu)建的系統(tǒng)有更多需要關(guān)注的環(huán)節(jié)。IP化系統(tǒng)不再是簡單的連線，除了物理層的網(wǎng)絡(luò)連接，還有一層邏輯路由信號傳輸鏈路需要時刻掌握。因此，IP 化、網(wǎng)絡(luò)化下的電視頻道播出信號監(jiān)看，既要關(guān)注信號內(nèi)容，也要關(guān)注信號數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)指標(biāo)及PTP 時鐘的鎖定、同步情況[2]。原本傳統(tǒng)SDI 構(gòu)建的播出系統(tǒng)已經(jīng)有很大的安全播出壓力，IP 化后還要增加上述內(nèi)容，大大提高了對值班人員的要求，也為播出安全帶來了潛在風(fēng)險。

2 對于信號監(jiān)測方式的思考

當(dāng)前，計算機技術(shù)發(fā)展迅速。計算機在圖形圖像處理、數(shù)據(jù)加工處理方面的性能越來越強大。通過服務(wù)器的計算能力分擔(dān)值班人員的工作壓力，是本文主要探討的內(nèi)容。主要從以下兩個方面展開。

2.1 減輕對值班人員的高度依賴

電視頻道播出系統(tǒng)通過專業(yè)視音頻設(shè)備、服務(wù)器、前后臺軟件協(xié)同工作，完成播出過程。在硬盤播出系統(tǒng)上，視頻節(jié)目大部分采用文件送播方式，經(jīng)過視頻服務(wù)器解碼，輸出SDI、IP 信號。為降低對播出值班人員的依賴，可以從以下幾個方面進行優(yōu)化和改進。

2.1.1 播出系統(tǒng)軟件

（1）播出控制軟件自動化。目前典型的播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主播出控制軟件控制主視頻服務(wù)器，在主視頻服務(wù)器異常后將控制權(quán)交給備播出控制軟件。如考慮減少值班人員，需要進一步加強播出自動化，比如目前節(jié)目單加載、節(jié)目信號源分配均通過軟件自動化解決。同時，播出控制軟件自動對外提供接口，提供在線播出節(jié)目單和報警、二級事件、狀態(tài)的自動發(fā)布與查詢。

（2）播出軟件運行監(jiān)視自動化。通過播出控制軟件接口，實現(xiàn)對各個頻道的播出主、備控制軟件進行信息收集。播出控制軟件具備自動化的能力，配套的運行監(jiān)視工具負(fù)責(zé)對播控自動化執(zhí)行結(jié)果進行檢查。運行監(jiān)視工具功能包括主備在線播出節(jié)目單核對，在需要核對紙質(zhì)節(jié)目單和在線節(jié)目單時，運行監(jiān)視軟件可以對紙質(zhì)節(jié)目單進行快速、準(zhǔn)確的信息采集，完成紙質(zhì)單與在電子單的自動核驗。

2.1.2 文件準(zhǔn)備

節(jié)目播出文件準(zhǔn)備，屬于播出內(nèi)容管理系統(tǒng)軟件的范疇。節(jié)目播出文件要轉(zhuǎn)換成實時的播出信號，節(jié)目文件內(nèi)容質(zhì)量與播出信號質(zhì)量直接相關(guān)。節(jié)目內(nèi)容的題材、剪輯制作效果、技術(shù)質(zhì)量因素等都不相同，如一些視頻畫面長時間靜止但是有音頻不斷播出的場景，電視劇片頭過渡畫面亮度很低的場景等。在經(jīng)過自動技審與技術(shù)質(zhì)量檢測復(fù)核環(huán)節(jié)已確認(rèn)過不是技術(shù)質(zhì)量問題的視頻片段，在播出過程中，如果有播出信號監(jiān)測環(huán)節(jié)，就可能產(chǎn)生不必要的報警。因此，文件技審環(huán)節(jié)和實時信號檢測環(huán)節(jié)對同一個節(jié)目相同的畫面位置，應(yīng)該具有信息聯(lián)動。也就是說，上游流程確認(rèn)過的內(nèi)容，下游流程應(yīng)盡量避免誤報。

對此，在不同的檢測環(huán)節(jié)，最好使用相同的檢測算法，配置相同的檢測閾值，否則在實際播出過程中可能出現(xiàn)報警時段漂移的情況。本著從源頭發(fā)現(xiàn)異常的原則，通過對上游技審確認(rèn)信息的集成，可以有效減少直播時的誤報。

2.1.3 信號準(zhǔn)備

播出信號的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，能對播出外來信號進行分析和監(jiān)測，包括信號是否提前調(diào)度就緒、信號內(nèi)容有無異常、信號切換是否及時正確等。在SDI 和IP 不同技術(shù)架構(gòu)下，播出外來信號狀態(tài)的分析有所區(qū)別，主要在于從不同的設(shè)備獲取信號狀態(tài)，以及獲取信號本身的采集方式不同。

SDI 架構(gòu)下，播出外來信號是否進行預(yù)置、是否按準(zhǔn)確的時間進行切換，這些信息可以通過播出切換臺的交叉點狀態(tài)獲取。信號內(nèi)容方面，可通過視頻分配器進行SDI 信號采集，經(jīng)過綜合分析得出信號的內(nèi)容質(zhì)量有無問題、信號切換是否及時。

IP 架構(gòu)下，如果采用以IP 播出切換臺為中心的模式，信號切換狀態(tài)的獲取與SDI 架構(gòu)下的獲取方式相同。如果采用All in one 集成播控視頻服務(wù)器的模式，則需要從視頻服務(wù)器獲取信號切換是否就緒的狀態(tài)。如圖1 所示。

圖1 外來信號預(yù)置、切換狀態(tài)分析示意圖

由此，可以在控制層面、信號內(nèi)容層面進行匯總綜合分析。若出現(xiàn)問題，統(tǒng)一匯報到運行監(jiān)視工具上，供值班人員再次確認(rèn)。

2.1.4 末級信號輸出

播出系統(tǒng)末級信號輸出通常采用末級切換器2選1，3 選1，4 選1 切換開關(guān)，或者IP 化系統(tǒng)下的IP 媒體網(wǎng)關(guān)。目前，基于SDI 的信號檢測和比對已經(jīng)比較成熟，可以做到4 路或系統(tǒng)內(nèi)多個信號采樣點循環(huán)比對[3]，定義不同的算法來判斷當(dāng)前系統(tǒng)中正常播出的信號，并通過自動切換控制邏輯實現(xiàn)末級信號的智能倒換。在IP 化系統(tǒng)下，信號源來自交換機，可以采用控制IP 媒體網(wǎng)關(guān)的方式實現(xiàn)末級信號選擇切換。末級信號比對切換是當(dāng)前播出系統(tǒng)安全播出的關(guān)鍵技術(shù)手段。SDI 系統(tǒng)和IP 化系統(tǒng)的末級信號比對如圖2 所示。

圖2 末級信號比對示意圖

在SDI 架構(gòu)的播出系統(tǒng)中，播出值班員依賴末級比對監(jiān)測進行自動應(yīng)急保護，切換過程可以做到不用人工干預(yù)自動切換。播出值班員只需要對切換發(fā)生的原因進行分析，上報故障。

在IP 架構(gòu)的播出系統(tǒng)中，除了信號比對自動切換功能，還需要對IP 信號源冗余流的情況、PTP 同步的情況進行綜合分析，需要增加更多的檢測計算環(huán)節(jié)。這個環(huán)節(jié)需要計算機自動化處理，為播出值班人員提供分析結(jié)果。

2.2 增加對信號質(zhì)量的自動化監(jiān)測

當(dāng)前電視播出系統(tǒng)中，視音頻文件多數(shù)采用50 Mb·s-1碼率格式，播出環(huán)節(jié)無壓縮信號[4]，但是在做分發(fā)時需要進行壓縮處理，編碼成AVS 或H.264、H.265 編碼格式，降低了播出信號碼率，屬于有損壓縮方式。這個過程必然會引起畫面質(zhì)量下降，而且在傳輸過程中可能存在多次編碼。目前使用的編碼格式并不支持多次迭代編碼無損，這樣，每經(jīng)過一個編解碼處理環(huán)節(jié)，就會降低視頻畫面質(zhì)量。

電視頻道播出面向多個平臺和渠道進行播出信號內(nèi)容分發(fā)，引入對信號質(zhì)量的監(jiān)測和監(jiān)看能力，播出回傳信號可展示在播出機房電視墻上。上文提到的末級信號比對，是對同一個頻道內(nèi)多個通路的末級信號進行比對分析，本章節(jié)提到的增加對信號質(zhì)量的自動化監(jiān)測，是對頻道播出整個信號路由鏈路縱向的信號質(zhì)量分析，如圖3 所示。

圖3 基于多點的信號質(zhì)量監(jiān)測評估示意圖

縱向信號鏈路的信號質(zhì)量分析可以采用峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、結(jié)構(gòu)相似性（Structural Similarity，SSIM）、延時測量、內(nèi)容比對等多種技術(shù)分析手段。其中，峰值信噪比PSNR、結(jié)構(gòu)相似性SSIM 可以對兩路信號的視頻畫面內(nèi)容進行量化的差值比對，比如，取自末級切換器和回傳信號兩兩計算，就可以得到經(jīng)過傳輸回傳環(huán)節(jié)信號質(zhì)量下降的情況。延時測量可以對末級到編碼器輸出、編碼到回傳之間的時間差等進行數(shù)據(jù)量化，可以作為評估編碼器與傳輸系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通常應(yīng)保持在某個數(shù)值內(nèi)，如果波動突然變大則說明存在異常。內(nèi)容比對是指比對回傳信號與頻道PGM 播出信號是否一致[5]，防止出現(xiàn)信號被篡改或回傳異常情況。兩個信號存在時間差，需要監(jiān)測評估軟件內(nèi)部具有較大的視頻緩存隊列，且具有高效的視頻同步查找算法，這是監(jiān)測評估軟件需要解決的問題。

3 結(jié) 語

通過對播出機房信號監(jiān)看上下游關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的分析，本文主要討論了如何減輕信號監(jiān)測工作對值班人員的高度依賴，以及增加對信號質(zhì)量的自動化監(jiān)測環(huán)節(jié)，討論了關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)如播出系統(tǒng)控制軟件、文件準(zhǔn)備、信號準(zhǔn)備、末級信號輸出等可能的優(yōu)化措施和方法，提出了從節(jié)目文件與信號源頭抓起，在播出過程中及時管控，在末端設(shè)置信號保護自動化，提供縱向信號鏈路監(jiān)測自動化多種方法，希望能夠為電視播出系統(tǒng)的設(shè)計和升級改造提供新的思路。當(dāng)前，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速。在節(jié)目內(nèi)容生產(chǎn)、播出內(nèi)容分發(fā)領(lǐng)域引入人工智能算法，將會有更多的應(yīng)用落地。