5G+電視現場直播系統的優(yōu)化

王 勇

（河南省駐馬店廣播電視臺，河南 駐馬店 463000）

0 引 言

2019年以后，“5G+電視現場直播”在廣播電視傳播中得到初步的應用，并成為廣播電視傳播技術融合與創(chuàng)新的新方向之一。從“5G+電視現場直播”的具體實踐來看，其不僅促進了現場直播帶寬的拓展，提升了現場直播的清晰度、流暢度和靈活性，同時也與“講好中國故事”的傳播理念相符合，最大化地發(fā)揮出傳播技術優(yōu)化對廣電媒體傳播創(chuàng)新的作用[1]。本研究以廣播電視新聞節(jié)目現場直播為例，結合傳統現場直播系統存在的音視頻不同步、圖像像素缺失等問題，結合5G技術，對電視新聞節(jié)目現場直播的傳輸路徑和傳輸方法進行系統的優(yōu)化。本研究使用的優(yōu)化方案，綜合采用了卡幀自適應技術、H.264壓縮技術等，并結合電視新聞現場直播系統的相關原理，搭建了5G+電視現場直播的整體優(yōu)化設計體系，結合具體實踐，對測試結果進行 展示。

1 5G+電視現場直播系統架構

1.1 總體設計架構

本研究提出的系統框架，主要結合廣播電視新聞節(jié)目現場直播的具體流程需求，設計新聞現場數據收集（采集與發(fā)送端）、服務器以及接收端，詳細如圖1所示。

圖1 系統框架

新聞現場數據收集主要是對收集的新聞信息源進行壓縮與傳送，采用的技術主要包括H.264和ACC壓縮技術，將信息源進行編碼并傳送到服務器中。本研究提出的系統的服務器，主要針對的問題是現場直播系統中因用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）傳輸中網絡擁堵導致信息難以及時、有效的傳送到直播端的問題，并結合RTCP技術，設計了解決傳送過程中網絡擁堵的方案。方案的核心在于接收端口在接收到經由實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）數據包整合的數據以后，對相關數據進行重新組合，并將其傳送到緩沖區(qū)，對相關數據進行再次解碼、傳送和響應直播區(qū)間的播放[2]。設計方案中的服務器處理邏輯如圖2所示，服務器對傳輸問題的優(yōu)化主要是基于啟動、解決、具體事件處理以及反應與記錄的邏輯思路。

圖2 服務器處理邏輯

1.2 音頻和視頻處理過程

電視新聞現場直播系統的核心工作是對直播內容的音頻和視頻數據進行處理，這直接影響到播出內容的流暢性和受眾觀看體驗。在傳統的現場直播中，直播數據與信息經由傳輸通道傳送至播出端，中間未經過數據的處理和整合，容易出現音視頻幀數據丟失、像素缺失的問題，影響到整體的播出效果[3]。本研究在總體架構設計下，通過編碼轉換等方式，在傳輸過程中對音頻和視頻數據內容進行有效性驗證，確保傳輸音視頻內容的完整性。

視頻和音頻幀處理最重要的部分是視頻幀的數據接收。在接收網絡傳輸模塊的視頻數據時，首先對數據進行解析，驗證數據的有效性，然后對視頻幀的屬性參數進行識別，等待下一步處理。利用前一步接收到的數據，根據設定的視頻幀參數對視頻數據進行解析，將視頻幀推送到需要使用該幀的模塊，包括視頻編碼模塊、視頻文件記錄模塊、SDI輸出模塊等，并對視頻幀驗證的使用時間進行記錄。驗證完成以后，采用RTP技術對數據進行整合，傳送到服務器終端和播出端。這樣不僅能夠最大程度地確保音視頻數據信息的完整性，同時也能提高幀驗證的頻率，并通過RTP技術的轉碼，減少對系統資源的占用情況，提升傳輸過程的流暢性[4]。

1.3 數據存儲設計

5G電視新聞現場直播服務器處理的數據包括視頻和音頻文件、錄音/廣播服務器的配置文件、電視節(jié)目列表、相應多通道媒體服務器的信息表和SDI輸出注冊表。

5G電視新聞現場直播服務器中最重要的數據是音頻和視頻文件。但是，由于音頻和視頻文件傳輸過程中會占用磁盤空間，并隨著傳輸信息的迭代形成磁盤碎片，這便會導致視頻和音頻數據在高比特率視頻傳輸過程中阻塞，影響用戶觀看體驗[5]。

對此，將視頻和音頻文件按照電視臺的節(jié)目名稱搭建數據庫類目。各個類目中，按照文件夾中的日期進行分類。為了方便用戶查找和下載文件，在相應的視頻和音頻文件所在的文件夾中設計了一個名稱相同的后綴索引文件。當用戶下載當前視頻和音頻文件時，通過讀取索引文件，可以獲得用戶的目標時間文件在主文件中的位置，并可以直接開始讀取。這樣能夠減少用戶在操作過程中的等待時間，提高了用戶體驗[6]。

2 5G+電視現場直播系統優(yōu)化設計

2.1 卡片框架自適應與信道傳輸

采用卡片框架自適應策略的主要目的是縮短幀數據緩沖的周期，從而提升視頻的流暢度，為受眾提供一個流暢的視覺效果[7]。卡片框架自適應策略的實施主要是以漸進回傳幀為主要方式，降低音頻和視頻數據在傳輸過程中的重復率，提高數據幀之間的斷點距離，確保幀數據重復與循環(huán)的頻率能夠形成平滑推進的趨勢。

在卡片框架自適應策略實施的基礎上，以動態(tài)比特率的方式對音視頻的幀數據進行傳輸，形成數據傳輸通道。其中，實時流傳輸協議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）在傳輸通道中發(fā)揮著關鍵性的作用，主要對傳輸的過程進行遠程控制和分析，確保信息傳輸的連續(xù)性以及發(fā)送端和接收端的時間同步性。在音視頻數據信息傳輸的過程中，通過RTSP協議的數據整合與優(yōu)化，申請電視新聞直播端口的服務器響應，并結合直播端口輸出的參數，對傳輸中的比特率進行設置。同時，在數據傳輸過程中，也結合電視新聞直播的需求，生成RTCP（傳輸控制協議）標準，對傳輸鏈路中的速率進行自適應，形成信息傳輸的標準和數據結構。RTCP傳輸控制工作過程如圖3所示。

圖3 RTCP傳輸控制過程

2.2 提高直播影像質量

電視新聞直播過程中的影像質量包括畫面質量、音響質量，最常出現的問題是聲畫不同步，這會影響直播的效果[8]。因此，為了提高電視新聞直播影像質量，本研究采用RedbridgeII板卡對影像信息進行解碼，最大程度地降低播放的延遲可能性。RedbridgeII采用SDI視頻10位，AES/EBU音頻24位的國家標準，確保直播影像能夠實現高清晰度的效果。

首先，結合SDI接口特性，對傳輸過程抖動性的問題進行處理。一般而言，直播畫面在信息傳輸通道中如果出現抖動的問題，便會導致影像在接收完成以后的質量相對下降。結合我國廣電行業(yè)設定的標準，通常抖動容限不能超過0.2 UI，本研究將其作為參考值，將抖動容限范圍設定為0.18 UI。

其次，結合SDI信道傳輸的特性，對傳輸過程中的非線性失真情況和振幅頻率進行控制。這兩個指標主要衡量傳輸過程中的信號衰減情況，因此指標越小，傳輸性能越高，代表的傳輸信息保真度也越強。結合當前我國廣電實踐的具體情況，本研究將信道失真度設定值域為（0，0.1%），最大程度地降低信道傳輸過程中抖動圖像導致的退化和非線性失真問題，非線性失真在傳播過程中的一般表現如圖4所示。

圖4 非線性失真一般表現圖

2.3 直播視頻壓縮

結合廣電行業(yè)的實踐來看，視頻壓縮主要采用H.264編碼技術。該種技術相對于MPGE4、H.263等編碼技術而言，編碼效果更好，并且壓縮視頻的質量也更高。因此，本研究在直播視頻壓縮技術上采用H.264編碼方法，該方法的具體運行如圖5所示。

圖5 H.264編碼系統運行框圖

2.4 RTCP反饋擁塞控制

在電視新聞直播過程中，擁塞情況的發(fā)生會直接影響傳輸的性能和直播傳輸的質量。該種情況經常發(fā)生，主要是由于信號傳輸出現并發(fā)或者發(fā)包數量過多的問題。結合本研究采用的數據傳輸方式，以及在日常廣電直播實踐中遇到的問題，采用基于RTCP反饋的擁塞控制機制，借助TCP友好速率控制算法（TCP-Friendly Rate Control，TFRC），對服務器中傳輸反饋的數據包進行接收，并計算適應傳輸的速率，與現有傳輸速率進行對比，對當前傳輸速率進行調整。

3 5G+電視現場直播優(yōu)化測試

3.1 CPU占用率測試

5G+電視現場直播系統中，CPU位于系統的服務器內，影響服務器信息傳輸的運行，反映系統在事件處理過程中的順暢度和擁堵情況，具體表現形式為CPU的占用率。本研究中，測試時間以 5 min為段點，分別為5 min內單個用戶數量和5 min內20個用戶（集合用戶）。結合測試結果來看，當單個用戶達到20個時，CPU占用率為1.5%左右，18個集合用戶（360個用戶）時，CPU占用率為8%，而1個集合用戶（20個）時，CPU占用率為6.5%。因此，CPU占用率和用戶數量沒有明顯的比例關系。也因此，本研究提出的方案，能夠實現多個用戶同時在線需求，同時，CPU占用率能夠得到有效分配。

3.2 基于RTCP反饋的擁塞控制效果測試

網絡擁塞控制主要體現在視頻延時和圖像質量上。結合CPU占用率測試情況，采用20個用戶同時使用時的傳輸擁塞情況進行測試，將發(fā)送數據包記錄系統時間記為T1，并將其放入數據包的傳輸中；在接收端接收數據包，提取時間戳，將再次得到當前系統的時間記為T2，得到準確的延遲（T2-T1）。表1總結了基于RTCP反饋擁塞控制的有效性測試的結果。結合具體測試情況，當不采用本文提出的擁塞控制方案時，延遲時間為2 s左右，會出現跳幀和拼接現象。采用擁塞控制方案后的延遲時間約為100 ms，圖像相對清晰平滑，基本沒有幀丟失和模糊現象。在UDP方式下，本文提出了基于RTCP的反饋擁塞控制機制，以達到預期的效果。實時流媒體直播較好地延遲了并發(fā)處理，圖像質量相對清晰平滑，減少了網絡擁塞控制，降低了分組丟失，能夠滿足音視頻廣播對實時性和圖像質量的要求。

表1 基于RTCP反饋擁塞控制的有效性測試結果

3.3 圖像處理測試

圖像處理測試主要評價圖像傳輸過程中的像素缺陷情況、光響應情況以及信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）情況。圖像傳感器缺陷像素的測試中，將測試的環(huán)境控制在24 ℃，測試時間為20 ms，最終得出該環(huán)境下，像素的缺陷為18 362，像素缺陷總數占據0.41%，這也就導致了在亮度較低的環(huán)境下，部分像素存在過度亮的反應。

圖6 系統服務器CPU情況

本研究采用標準根均方平均數偏差法檢驗光響應不均勻性（Photo Response Non-Uniformity，PRNU）。根據公式：

式中：V0為數據的平均輸出信號，n是光源表面像素的數量，V0i是像素的信號輸出情況。在對有源像素的傳感器光響應進行測試中，主要考察其非均衡性。在對其進行測試的過程中，測試溫度仍舊控制為24 ℃，將傳感器的狀態(tài)設置為半飽和狀態(tài)，最終得出非均衡性的結果為1.89%。

對于信噪比的測試情況，主要是采用不同情景，分別采用非均勻校正、缺陷像素替換以及“非均勻校正+缺陷像素替換”的方法，對圖像傳感器的曝光情況進行調整，檢驗輸出信號（Vsat）平均值為10%～90%狀況下的信噪比。

結合測試研究，采用非均勻校正+缺陷像素替換的方法，能夠達到信噪比最優(yōu)化的效果。該方法對成像圖像進行處理，處理前后的成像效果比較如圖7所示。從圖7可以看出，通過采用“非均勻校正+缺陷像素替換”方法處理的圖像，在整體信噪比方面更加平緩，隨著信號平均值的變化，信噪比分布也在2～2.5 dB之間集中，而采用其他方式進行處理的圖像，隨著信號平均值的加大，其信噪比變化也不斷加大，這也進一步證明了本研究中使用方法的有效性。

圖7 處理前后圖像信噪比情況

4 結 語

5G技術的發(fā)展為電視新聞傳播工作的創(chuàng)新提供了有效的支持，并改變了電視新聞傳播的整體環(huán)境。從“聚焦”到個性化定制，受眾對電視新聞的要求有了新的變化，要求電視新聞傳播能夠突出傳播的“在場性”，確保直播音視頻的質量。“5G+電視現場直播”作為提升電視新聞傳播時效性和傳播質量的有效方法，在當前的廣播電視發(fā)展中得到了有效的應用。5G等新技術強化了電視新聞現場直播的互動性。本研究引用了H.264壓縮、RTCP反饋擁塞等技術，并結合5G技術，提升了現場直播的清晰性和傳播穩(wěn)定性，能夠提升電視新聞現場直播實施的靈活性和抗干擾性，具有參考和借鑒價值。