有線網絡公司靜幀監測算法優化實踐

周清

（江西廣播電視網絡傳輸有限公司，江西 南昌 330000）

有線網絡公司靜幀監測算法優化實踐

周清

（江西廣播電視網絡傳輸有限公司，江西 南昌 330000）

圖像靜幀故障的及時準確發現和快速處理，是有線網絡公司日常運維的一項重要工作。傳輸節目的多樣性導致了靜幀監測算法的復雜性，結合機房運維的實際情況，提出了以靈敏度和靜幀抑制策略為核心，輔以靜幀運行圖的一整套靜幀監測優化算法，取得了很好的效果，極大地提升了靜幀報警的有效性，減輕了機房值班人員的工作強度。

有線網絡公司；靜幀監測；靈敏度；靜幀抑制

隨著廣播電視技術的不斷發展，各地有線網絡公司傳輸的數字電視節目數量不斷增加，在豐富了人民群眾精神生活的同時，安全播出的工作也面臨著越來越大的挑戰。圖像靜幀是各級廣電單位機房日常值班維護中需要重點關注的一種故障現象，對于各地有線網絡公司而言，其傳輸的數字電視節目眾多，來源和節目播出特征也多種多樣，情況相比電視臺等單位更為復雜。一般來說，網絡公司機房運維值班對于靜幀監測的基本訴求如下：

1）對于播出、傳輸設備故障引起的圖像靜止，能快速準確報出，為及時處置提供依據；

2）對于講座類容易出現圖像不動的頻道，能盡量減少甚至規避節目正常播出時可能存在的靜幀報警；

3）對于夜間停播的頻道，報警狀態能夠穩定持續，避免出現報警在發生和恢復之間來回變化的情況，干擾對重點播出頻道的安全監控；

4）出現靜幀故障時，值班人員需要有途徑能進行快速的處理和甄別，以便不影響其他頻道的監視。

主流的數字電視監視監測系統都提供了對圖像靜幀的監測報警功能，但因為缺乏對網絡公司機房傳輸節目靜幀特性、機房值班實際情況的了解，常規的靜幀報警功能不能很好地解決上述問題。為此，本文提出了一種以靈敏度和靜幀抑制策略為核心，輔以靜幀運行圖的一整套靜幀監測優化算法，取得了良好的效果。

1 優化算法

1.1 基本原理

對于數字電視的靜幀監測，基本流程如圖1所示。監測系統接收IP化的TS碼流，分別進行解復用、視頻解碼之后，得到圖像的YUV數據，再對YUV數據的亮度信息（Y分量）進行對比分析，判斷圖像是否發生了靜幀故障。

圖1 數字電視靜幀監測流程

在提取到原始YUV圖像之后，通過以下幾個步驟可以實現靜幀故障的監測：

1）圖像歸一化及干擾區域裁剪

數字電視有高標清多種分辨率和色彩格式，對于靜幀監測故障而言，352×288分辨率的灰度圖像就足夠了，對待分析圖像進行歸一化有兩個好處：一是可以顯著減少靜幀算法處理的數據量，提高監測效率；二是歸一化后的圖像可以方便地應用統一的處理算法，避免不同格式的圖像對算法產生不必要的復雜度。

此外，某些電視節目在制作的過程中，圖像邊緣會存在一些抖動、條紋等干擾信息，這些干擾信息在做監測時需要進行排除，避免影響算法的準確性，通常是去除圖像四周各5%的區域。

2）圖像相似度計算

靜幀監測的實質是比較兩幅圖像是否一致，也就是相似程度的衡量。為提高效率，步驟1）中處理后的灰度圖像，可以按照8×8像素的大小進行網格化區分，計算每個網格的圖像灰度值的總和，作為該網格的特征值，如圖2所示。

圖2 網格化特征提取

對相鄰兩幅圖像對應網格之間的特征值求差，并將差值累計，計算相似度S為

式中：K，L分別表示當前采樣和上一次采樣時，網格化區域的特征值；P為參考常量。相似度大于設定的門限則認為圖像靜止，否則認為圖像不靜止。

3）報警生成與恢復

將相鄰兩幅圖像中相似度計算結果進行統計，一段時間內圖像相似的次數大于一定比例，則認為該視頻靜幀，否則認為靜幀恢復。如果將一系列待處理的圖像相似度比對結果記為一系列的0或1序列，1代表圖像相似，0代表圖像不相似，那么可以在每個判斷點對序列求和，取值大于設定序列長度的90%，則認為是靜幀，否則認為靜幀恢復，即報警產生的邏輯可表示為

1.2 靈敏度

按照1.1節中所論述的靜幀監測算法，可以對真正嚴格的圖像靜幀故障進行準確的識別，但實際運維中的情況卻要復雜得多，不少節目表面上看起來靜止，并且從值班的角度也期望報靜幀，監測系統的報警狀態卻經常不穩定，在靜幀故障和靜幀恢復之間來回切換，有的甚至則報不出靜幀來。經過分析確定，是圖像的某些細微變化導致了靜幀報警狀態的不穩定，為了解決這個問題，需要引入靈敏度的概念。

1）空間靈敏度

一種典型需要處理的問題是某些頻道夜間停播時在畫面上顯示的時鐘，雖然時鐘在走動，但對于實際值班人員來說，這種情況最好能統一當作靜幀來處理，主要有兩方面的原因：一是不同頻道的停播畫面各不相同，有的有時鐘、有的無時鐘，統一報警的話有助于值班人員的統一判斷；二是同一個頻道，測試圖本身也不甚穩定，有時會有時鐘有時沒有時鐘，無法進行統一對待。

如果只是簡單地調節式（1）中的判斷門限，可以將圖3所示情況統一為靜幀故障，但這樣勢必引入大量的誤報，其根源是沒有考慮到圖像變化區域的空間特性。在通過式（1）計算得到的相似度都比較高的情況下，圖3上顯示的變化區域相對比較集中，因此可以認為是靜幀；但如果圖像變化區域比較大，例如講座類節目鼠標移動的動作，就不應該認為是靜幀，這就是所謂的空間靈敏度。

圖3 靜幀的空間靈敏度

2）時間靈敏度

有的節目夜間停播時，會出現一些短時的圖像劇烈異常，如圖4所示。相鄰的兩幅圖像明顯存在重大的差異，相似度極低，但因為這些異常圖像出現的頻率非常低，可以通過時間靈敏度來加以規避。

圖4 靜幀的時間靈敏度

時間靈敏度的處理采用了類似于游程的概念，在根據式（2）判斷視頻是否處于靜幀時，不僅判斷其累加的和，還要判斷圖像連續不相似的最大次數（游程），只有兩個條件都滿足時才認為是靜幀，此辦法可以有效地規避短時的圖像抖動導致的靜幀恢復，游程判斷表示為

1.3 抑制策略

在加入了靈敏度的策略之后，靜幀報警的實用性大大提升，但還是有一個現實的問題，即時間判斷門限的問題。考慮到安全播出的重要性，對于真正的靜幀故障，需要在盡可能短的時間內報告出來，以便進行妥善處置，而這勢必需要一個較短的時間門限；但如果將這個較短的時間門限應用到所有的場合，誤報情況將會非常多，比較典型的是攝影、棋牌、講座、政策文件宣講的場景，非常容易報靜幀，必須要有相應的靜幀抑制手段。

由于單純的圖像識別已經無法區分真正的靜幀故障和正常播出中的靜止畫面，因此必須結合電視節目的其他方面特征來進行判斷，一種最直觀有效的辦法就是以電視伴音作為輔助判斷。

節目制作、傳輸過程中的故障導致的靜幀，往往是因為接線不牢、設備死機、網絡中斷等引起，出現故障時經常是視頻和音頻同時出現異常，即圖像靜幀的同時，音量值也非常低，對于人耳來說就是靜音。而正常播放節目中的圖像靜止，往往都是伴隨音頻講解播放的。利用這一特點，可形成一個視音頻相結合的靜幀抑制策略：對于每個要監測的節目，可以定義不同的靜幀抑制參數K，當通過式（3）檢測出圖像靜止時，并不立即進行靜幀報警，而是判斷這段時間內的音頻報警是否正常。如果在靜幀判斷的正常時間門限T內，音頻播放正常，則圖像需要連續靜止K×T的時間才進行報警；如果在靜幀判斷的正常時間門限T內，音頻已經不正常，則靜止時間達到T時馬上進行靜幀報警。

舉例來說，靜幀的時間門限典型的可以設置為10 s，靜幀抑制參數可取值30。在這種配置情況下，真正的靜幀故障10 s就能識別出，而對于那些音頻正常的情況下，需要300 s才會進行靜幀報警，這樣就可以避免絕大多數的靜幀誤報。特別地，如果將靜幀參數設置為0，可以認為只要音頻播放正常，就不進行靜幀報警，這對某些節目的監測也有現實意義。

1.4 靜幀運行圖

通過上述改進措施，靜幀監測算法已經比較完善，但仍有一些特殊情況，如圖5所示，有的頻道在夜間停播時播放的測試圖會出現周期性的移動，按照正常的邏輯，這種情況會周期性地出現靜幀報警、靜幀恢復的情況，給夜間值班人員造成極大的困擾。

圖5 周期性變化的測試圖

考慮到此類節目的播出特性，為了在保證安全播出的同時降低值班人員的強度，需要引入靜幀運行圖的概念，即靜幀故障只在設定的時間段內進行監測，在此時間段外只監測視音頻丟失、黑場等嚴重的故障。相比較而言，一般的監測系統只考慮了節目的運行圖，在運行圖內就對所有的故障類型監測，在運行圖外則什么故障也不監測，靜幀運行圖的設計和使用可以較好地在安全播出防范和值班強度之間做出一個好的平衡。

2 測試結果

使用監測系統默認的監測功能，對網絡公司傳輸的200余套節目進行監測，對一天的觀測數據進行統計的結果如圖6所示，可以看出，棋牌類、學習培訓類節目產生的靜幀報警數目占據了絕大多數。

使用第1部分論述的算法，從靈敏度、抑制策略兩個方面對靜幀算法進行優化，并對不同類型的節目設置合適的監測門限之后，靜幀報警數量有了明顯的變化，如表1所示。

圖6 靜幀故障分布

表1 優化結果對比

3 輔助手段

除了上述從算法邏輯上做的改進之外，還有一些從日常值班的角度考慮需要進行完善的輔助手段，這些手段的應用，可以進一步提升有線網絡公司機房值班運維的水平。

3.1 循環語音提示

語音報警是各類監測管理系統必備的提示方式，對于視音頻監測來說亦是如此，來源于不同監測設備、不同節目的不同告警信息匯聚到語音報警設備，通過TTS（Text To Speech）技術進行集中的語音報警。通常情況下，語音提示只在報警發生和恢復的時候進行提示。實際值班過程中，為了防止值班人員因為各種情況漏聽到語音報警，進而可能存在對異常現象的漏處理，系統設計了循環語音提示的功能：在報警恢復前，語音提示按照預先設置好的次數和頻率進行周期性的播報。

3.2 故障確認

和循環語音提示相關聯的，需要引入故障確認機制。當值班人員已經注意到故障，需要有手段進行確認，一旦對故障進行了確認，相關的語音報警就應該暫停。通過表1可以看出，由于有線網絡公司監測的頻道眾多，即便應用了靜幀優化算法，每天仍有一定數量的靜幀報警會產生，對于這類情況，就需要應用到故障確認機制，避免這些報警影響日常的值班工作。

4 結束語

安全播出是廣播電視永恒的主題，靜幀故障的發現和處理是廣電網絡公司日常運維工作的一個重要內容。廣播電視技術是應用型的技術，本文給出的辦法也是工程化的解決辦法，通過實踐證明能有效提高靜幀報警的有效性，從根源上杜絕漏報，最大限度避免誤報，有效地提高了運維水平。

[1] ISO/IEC 13818-1，Generic coding ofmoving pictures and associat?ed audio,Part1:System[S].1994.

[2] 李廣東，高新波，趙力.一種基于靜幀特征分析的視頻檢索方法[J].數據采集與處理，2011（5）：334-338.

[3] 劉漢武.基于IP的嵌入式廣播電視信號監測設備設計與實現[J].廣播電視與技術，2011，38（9）：124-127.

TCL集團：擬建單獨公司推智能家居

11月12日，TCL公司公告稱，公司擬與控股子公司TCL多媒體、TCL通訊共同投資9 000萬元在香港成立合資公司。通過該公司，TCL將在中國境內投資成立一家外商獨資企業，作為智能家庭項目的運營實體。TCL集團、TCL多媒體、TCL通訊將分別持有該合資公司30%、30%、40%的股權。該項目擬通過整合新興物聯網及服務業務，通過APP完成對整個家庭的狀態監控、遠程遙控和智能服務，打造全流程的智能家庭服務體驗。

Optim ization Practice of Freeze Detection A lgorithm in Cable TV

ZHOU Qing
（Jiangxi Radio&TV Network Corporation,Nanchang 330000,China）

The accurate detection and fast handling of video freeze fault is an important routine to cable TV operators. The variety of TV programs leads to the complexity of freeze detection algorithm.Based on the practice of cable TV monitoring system,an optimization algorithm to freeze detection is given,which uses sensitivity check and freeze control as main principle,freeze monitoring period as a supplement.The optimization algorithm is proved to be effective in spot test, thus the work intensity of staff on duty is obviously reduced.

cable TV;freeze detection;sensitivity;freeze control

TN94

B

?? 京

2014-10-21

【本文獻信息】周清.有線網絡公司靜幀監測算法優化實踐[J].電視技術，2014，38（24）.

周 清（1972—），碩士，從事有線數字電視信號傳輸及安全播出工作。