智慧廣電背景下融媒體播視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝兵旺

（北京冠華信達(dá)科技股份有限公司，北京 100160）

智慧廣電作為一種新興的媒體傳播形式，是信息化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)物[1]。在智慧廣電背景下，融媒體播視系統(tǒng)成為了廣播電視服務(wù)的核心[2]。融媒體播視系統(tǒng)是一種將多種媒體形式整合起來的播放系統(tǒng)，它可以同時(shí)播放視頻、音頻、圖片等多種媒體形式，實(shí)現(xiàn)了對多種媒體資源的有效利用[3]。然而，現(xiàn)有的融媒體播視系統(tǒng)設(shè)計(jì)還存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)性能有待提高、資源分配不合理、用戶體驗(yàn)不佳、維護(hù)成本較高[4]。針對這些問題，本文提出了一種新型的智慧廣電背景下的融媒體播視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過設(shè)計(jì)一種適用于智慧廣電的融媒體播視系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號源獲取與處理，再對信號傳輸與終端顯示進(jìn)行優(yōu)化，最終通過測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

隨著科技的進(jìn)步，融媒體播視系統(tǒng)逐漸從傳統(tǒng)的模擬技術(shù)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化方向發(fā)展[5]。本文對融媒體播視系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)主要包括信號源獲取、信號處理、信號傳輸與終端顯示三個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 融媒體播視系統(tǒng)框架圖

信號采集器主要對HDMI、SDI、DVI、光纖等各種渠道輸入的信號進(jìn)行采集，并對采集后的信號進(jìn)行編碼壓縮，同時(shí)檢測信號質(zhì)量，初步處理后的信號由信號源處理服務(wù)器進(jìn)行信號質(zhì)量優(yōu)化、格式轉(zhuǎn)換、碼率調(diào)整、分辨率縮放等信號調(diào)整，調(diào)整完成的信號經(jīng)過調(diào)度后傳輸至終端進(jìn)行展示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟與實(shí)現(xiàn)

2.1 信號源獲取

在智慧廣電背景下，融媒體播視系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)不同信號源的高效獲取和集成[6]。在信號源獲取模塊設(shè)計(jì)中，本次設(shè)計(jì)使用Magewell Pro Capture信號采集卡作為信號源采集器，其支持HDMI、SDI、DVI、光纖等各種信號源的輸入，其用于對信號源進(jìn)行采集、編碼和壓縮，生成適用于IPTV網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a流。信號通過信號源采集器輸入后，經(jīng)H.264編解碼算法進(jìn)行初步編碼和壓縮，減少信號傳輸壓力，然后使用SSIM算法檢測信號質(zhì)量，評估處理后的信號源與原始信號源之間的相似性，其算法公式為

式中，x和y分別表示原始信號源和處理后的信號源；μx和μy分別表示信號源的均值；σx和σy分別表示信號源的方差；σxy表示信號源的協(xié)方差；C1和C2是常數(shù)，用于避免分母為零的情況。SSIM值越接近1，表示信號質(zhì)量越高。經(jīng)過信號采集器獲取的信號再由信號源處理器進(jìn)行處理保存。

2.2 信號源處理

經(jīng)信號源采集器輸入的信號由信號源處理服務(wù)器進(jìn)行二次信號處理，本文采用搭載了Intel Xeon Scalable處理器的DeLL PowerEdge R7402U機(jī)架式服務(wù)器作為信號源處理服務(wù)器，信號源處理包括以下四個(gè)方面：信號質(zhì)量優(yōu)化、格式轉(zhuǎn)換、碼率調(diào)整以及分辨率縮放。信號質(zhì)量優(yōu)化屬于可用信號源初步處理的階段，其目的是通過降噪、去模糊等算法，提高信號源的質(zhì)量。本方案設(shè)計(jì)在信號降噪方面采用BM3D降噪算法，通過塊匹配和3D濾波相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高效的圖像去噪處理。采用此算法需將噪聲圖像劃分為固定大小的非重疊塊，然后對每個(gè)塊尋找與其相似的塊，用SAD衡量兩個(gè)塊的相似度。對于兩個(gè)塊X和Y，SAD的確認(rèn)計(jì)算公式為

式中，i和j分別表示塊內(nèi)的行和列索引。將每個(gè)組中的相似塊堆疊起來形成一個(gè)三維數(shù)組，對該數(shù)組應(yīng)用3D變換，對于一個(gè)空間域中的三維數(shù)組F(x,y,z)，其3D變換表示為

式中，C(u),C(v)和C(w)是歸一化因子；N是塊的大小；x、y和z分別表示三維數(shù)組中的行、列和深度索引；u、v和w表示變換域中的行、列和深度索引。對變換后的數(shù)組執(zhí)行硬閾值處理以去除噪聲成分，并應(yīng)用3D逆變換恢復(fù)空間域。在信號去模糊方面使用Wiener濾波去模糊算法，消除信號源中的模糊效果。Wiener濾波的算法公式為

式中，H(w)表示W(wǎng)iener濾波器的頻率響應(yīng)；Px(w)表示信號的功率譜密度；Pn(w)表示噪聲的功率譜密度。信號經(jīng)過降噪和去模糊等處理后需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，其目的是根據(jù)客戶端需求將信號源轉(zhuǎn)換成適用于不同客戶端的格式。在信號分辨率縮放上，使用雙三次插值縮放算法對信號源進(jìn)行分辨率縮放，以適應(yīng)不同客戶端的顯示需求。雙三次插值算法公式為

式中，f(x,y)表示目標(biāo)分辨率圖像的像素值；a{ij}表示源圖像的像素值；h(x)為三次插值函數(shù)。經(jīng)過信號源處理服務(wù)器處理完成的信號再由信號源調(diào)度系統(tǒng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行調(diào)度分發(fā)，信號源調(diào)度系統(tǒng)需要高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以確保信號源的高效傳輸和分發(fā)，因此本方案采用HPE Aruba 2930M Series交換機(jī)以及HPE MSR3000 Series路由器作為網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中加入基于HTTP的自適應(yīng)流，確保客戶端能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自動(dòng)選擇最佳碼率。信號源調(diào)度系統(tǒng)使用權(quán)重輪詢算法，根據(jù)信號源的優(yōu)先級、客戶端需求等因素進(jìn)行調(diào)度。權(quán)重輪詢算法的計(jì)算公式為

式中，index表示當(dāng)前選擇的信號源序號；N表示信號源總數(shù)；gcd表示計(jì)算列表中所有權(quán)重的最大公約數(shù)，index和N的定義與輪詢算法相同。至此完成處理的信號將傳輸至終端顯示。

2.3 信號傳輸與終端顯示

本設(shè)計(jì)方案的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多種信號源的高效傳輸和高質(zhì)量終端顯示。主要包括以下四個(gè)部分：信號源封裝、信號源傳輸、客戶端接收以及終端顯示。本設(shè)計(jì)信號傳輸與終端顯示流程如圖2所示。

圖2 信號傳輸與終端顯示流程圖

將經(jīng)過前面步驟編碼處理后的信號源與相關(guān)的元數(shù)據(jù)一起進(jìn)行封裝，封裝格式包括MP4、MKV、TS、FLV，以此生成適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。之后使用HLS自適應(yīng)流技術(shù)根據(jù)客戶端的網(wǎng)絡(luò)狀況和設(shè)備性能動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸速率和質(zhì)量。信號源封裝好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)或廣播方式發(fā)送給終端設(shè)備，在信號源傳輸上采用RTMP傳輸協(xié)議，將信號源切片成多個(gè)片段并為每個(gè)片段生成多個(gè)不同碼率和質(zhì)量的副本，之后創(chuàng)建索引文件中各個(gè)副本的信息，方便客戶端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和設(shè)備性能選擇合適的副本進(jìn)行播放。終端設(shè)備接收到發(fā)送過來的信號數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和解析，這個(gè)過程包括提取元數(shù)據(jù)、恢復(fù)音視頻同步信息。設(shè)計(jì)中客戶端使用緩沖算法來平衡播放延遲和播放質(zhì)量，采用的緩沖算法公式如下：

式中，B(t)表示當(dāng)前時(shí)刻的緩沖大小；R(t)表示當(dāng)前時(shí)刻接收到的信號源數(shù)據(jù)量；P(t)表示當(dāng)前時(shí)刻播放的信號源數(shù)據(jù)量；α是一個(gè)權(quán)重系數(shù)，取值范圍為0到1，用于平衡過去的緩沖大小和當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)量變化。提取元數(shù)據(jù)的具體步驟取決于所使用的封裝格式，客戶端首先分析信號的結(jié)構(gòu)，確定元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置。音頻渲染完成后，音視頻信號會(huì)分別輸出到顯示設(shè)備和音響設(shè)備。最終將處理完成的音頻和視頻信號傳輸至客戶端呈現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在Windows Server 2019 Datacenter設(shè)備下進(jìn)行融媒體播視系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)，在設(shè)備中安裝自主研發(fā)的融媒體播視系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)視頻處理、音視頻同步、元數(shù)據(jù)生成和動(dòng)態(tài)場景生成等功能。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：視頻分辨率為1080 P、4 K；視頻碼率為4 Mbps、8 Mbps；并發(fā)用戶數(shù)為50、100。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對不同并發(fā)用戶數(shù)、視頻分辨率、視頻碼率的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評估融媒體播視系統(tǒng)的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對不同并發(fā)用戶數(shù)、視頻分辨率、視頻碼率的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表1中數(shù)據(jù)可知，在相同并發(fā)用戶數(shù)和視頻分辨率下，隨著視頻碼率增長系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間變化增長最多為50 ms，在相同并發(fā)用戶數(shù)和相同視頻碼率下，隨著視頻分辨率提高，系統(tǒng)吐量變化增長穩(wěn)定在10 Mbps；在相同視頻分辨率和視頻碼率下，隨著并發(fā)用戶數(shù)增加，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間變化增長最多為30 ms，系統(tǒng)吐量變化增長最多為30 Mbps。不同條件下變化幅度均在可接受范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)可以適應(yīng)各種分辨率和碼率的播視需求。通過對比各個(gè)參數(shù)組合下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在并發(fā)用戶數(shù)為100、視頻分辨率為1080 p、視頻碼率為4 Mbps的情況下，融媒體播視系統(tǒng)的性能表現(xiàn)最佳。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于智慧廣電背景的融媒體播視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、信號源獲取與處理、信號傳輸與終端顯示等多個(gè)方面。通過對該方案的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：該方案實(shí)現(xiàn)了對多種媒體信號的有效整合，可提升媒體資源的處理速度，提高廣播電視服務(wù)的管理和運(yùn)營效率。智慧廣電背景下的融媒體播視系統(tǒng)是廣播電視服務(wù)的重要發(fā)展方向，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為該方向的研究和實(shí)踐提供了一定的參考和借鑒，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究和探索。■