電視播出中音頻信號異常檢測及應急方法分析

蔣 崢

（山西廣播電視無線管理中心，山西 太原 030001）

0 引 言

在電視播出過程中，音視頻鏈路結構中關聯的運行設備較多，各個設備的處理操作都會對播出的音頻信號產生影響，存在發生異常的可能性[1]。電視播出過程中需要準確、及時地對音頻信號異常問題類型和具體情況進行檢測，明確音頻信號異常問題特征，從而采取有效的應急方法進行處理，保證電視播出期間音頻信號能夠快速恢復正常，保持穩定輸出狀態[2,3]。

1 電視播出中的音頻內容層異常

電視播出期間，播出信號串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）監控系統會自動對信號進行采集。除了完全靜音的情況外，如果音頻數據收集出現特殊顯示效果，則表示音頻數據處于丟失狀態。電視音頻系統中包含多個聲道，針對音頻內容層異常需要對聲道逐一檢測，檢查聲道中是否是靜音狀態、音量高低等級水平，同時對固態電平、周期波以及噪聲等情況進行檢查[4]。

1.1 聲道靜音和音量高低等級水平檢測

電視播出期間，聲道板卡中每一幀的頻域能量平均值會在每間隔8 ms時出現，需要累計100幀的數據進行相加。應用手持信號發生器設備輸出0 dBFS千周音信號來作為板卡輸入，根據千周音信號和檢測信號計算出當前信號的分貝值。將當前信號的分貝值與電視播出聲道板卡預設音量標準范圍進行對比，觀察分貝水平在相應時間中的動態變化情況[5]。

1.2 播出音頻信號的噪聲異常

當電視播出音頻信號出現大小規格不同的能量疊加時，就會產生白噪聲。針對這一異常問題的檢測，需要明確白噪聲特征。集中收集頻域的頻點能量分布數據，并對收集的數據進行總體分析，然后按照相應的公式對頻點能量值的離散程度進行計算。將得出的數據結果與門限值進行對比，若是計算結果大于門限值，就證明存在白噪聲異常情況。實際上，當白噪音的能量水平偏低時，計算出的離散程度與正常音頻譜離散程度效果差別較小，音頻異常自動檢測通常會將其忽略[6]。

1.3 周期波信號和固定電平異常

在電視播出期間主要針對1 000 Hz音頻、其他周期波異常進行檢測，而固定電平異常問題的表征現象為出現監視多畫面分割器上的音頻電平表，憑借人耳無法進行察覺。這類異常主要有3種形式：（1）在播出音頻信號中單獨出現周期波信號，聲頻頻譜固定頻率點位置存在固定能量信號；（2）在輸出的聲音中，周期波疊加在原本的聲頻頻譜中，周期波能量非常大，并且能量值會大于聲音標準能量水平；（3）處于固定狀態的大規模直流分量會疊加振動，震動幅度屬于偏小的等級。周期波異常時，輸出聲音頻譜中相應固定頻點的位置會出現大小規格比較固定的能量分布，根據這一特征進行異常檢測，一般情況下可以在頻域中獲取頻點能量大小數據，以8 ms時間窗口為1個單位，針對聲音信號采取短時傅里葉變換處理，然后對其中的頻點能量進行排序，觀察最大能量點的頻帶位置是否固定不變，延續的時間超過400 ms時證明周期波異常信號出現，其最大能量點位置就是周期波基頻所在之處。在檢測過程中，能否準確識別還會受到周期波疊加最大能量水平的影響，當最大能量值小于正常聲音能量水平時，就很難及時檢測出來，通常會被異常檢測忽略。尤其是電視播出期間，正常音頻最大能量點的頻譜位置持續400 ms不變時，周期波異常往往無法識別[7]。

2 電視播出中音頻組合與規范性異常問題

電視播出音頻的聲道數量較多，在單一聲道沒有檢測出異常問題時，需要對音頻聲道組合與聲道運行規范性進行檢測。

在電視播出的音頻組合結構中，節目音頻輸出分為左聲道與右聲道，需要在板卡位置分別對2個聲道所有頻點的相關系數進行計算。頻域分析方法不能做到對聲音波形相位信息的保留，無法對短時傅里葉變換頻率進行良好分辨。在電視播出的聲音場景類型為類似當當聲、水泡聲時，頻域分析方法最終的結果就容易出現失誤，判定其為立體聲不相關[8]。

時域分析法主要針對左聲道與右聲道脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）波形相關系數開展計算，根據計算結果對聲道組合的音頻輸出進行仿真模擬。通常情況下，PCM相關系數計算對于相位變化感知的靈敏度較好，而對幅度變化的感知靈敏度較差。在實際計算分析過程中，將其與服務器正常運行模式進行對比，通過獲取不同測試場景的相關系數計算結果，能夠明確判斷異常檢測程序對聲道組合異常狀態檢測感知的靈敏度水平[9]。

音頻組合和規范性異常檢測中，針對不同的音頻場景需要合理選擇檢測分析方法，以保證異常分析檢測結果的準確性。

場景1是電視節目左右組合聲道的聲音電平、波形處于接近狀態，PCM波形時域相關性大幅降低，主要是相位變化對其產生了影響。要想對聲道組合異常進行檢測，可以應用時域分析方法，對時域上相關系數進行計算，得到的相關系數變化會與聲音波形變化狀態保持相同的趨勢，能夠更清晰地獲取相位變化相關性。這種情況不建議采用對比分析聲道頻點能量值的方法檢測異常，當相位變化幅度偏小時無法進行精細識別。場景2是電視播出節目的左聲道和右聲道輸出音頻內容存在差異，分別播放不同的音頻內容。場景3是電視播出節目的左聲道音頻與右聲道音頻屬于相互配合的狀態，如左聲道為人聲、右聲道為伴奏音樂。對于場景2和場景3這2種聲道組合音頻場景，無法有效應用頻域分析和時域分析方法進行異常檢測，得出的結論都是左右聲道不相關，這時還需要結合其他比對結果來進一步判斷異常。當在板卡位置應用時域分析方法時，上述3種場景的立體聲不相關均能被識別，板卡中的音頻數據均能保持對齊狀態，不需要與服務器進行同步對比就能直接、準確計算相關性[10]。

針對響度控制器環繞立體聲的相關性檢測分析階段，需要根據聲音響度的具體狀態來對左聲道與右聲道的相關性狀態進行具體判斷。當聲音能量差在-8～-1 dB時，響度控制器輸出左聲道與右聲道處于正相關狀態，中置聲音的能量值要明顯比左聲道和右聲道的能量值高；當聲音能量的分貝差大于-9 dB時，響度控制器輸出左聲道與右聲道處于負相關狀態。若是左聲道與右聲道的相位處于相反狀態且聲音能量值非常接近狀態時，聲道也是處于負相關狀態，中置聲音則處于靜音狀態。當經過響度控制器產生的立體聲環繞正常輸出條件下，左聲道和右聲道之間的音頻具有很高的相關性。電視播出期間，從源級輸出的信號經過傳輸到達響度控制設備時，需要由控制器對信號進行處理。相對來說，若是對立體聲的音頻相關性進行檢測，檢測范圍包括左聲道和右聲道；若是檢測環繞立體音，則需要對所有方位（左、右、后左、后右以及中置等）的聲道以及重低音聲道進行全面檢測。

在電視節目左右組合聲道的聲音電平或波形處于接近狀態、PCM波形時域相關性大幅降低的立體聲場景中，會存在一種極端現象，即立體聲反相。針對這種情況，可以選擇在板卡本地采取計算相關系數的方法來對異常情況進行檢測。立體聲反相檢測判定的2個關鍵參數為相位異常百分比和時間閾值。將相位異常百分比與相位正常百分比進行對比，若是異常百分比更大，則證明立體聲反相成立。立體聲反相狀態持續時間達到閾值后，則證明相反事件形成。此外，還可以將PCM值傳輸到服務器來對數據進行仿真對比，也能對具體異常情況進行檢測。

3 電視播出中音頻比對異常

單純地對聲道音頻進行檢測只能識別一部分音頻異常問題，對此需要建立整體檢測觀念，對電視播出頻道的所有音頻主備路和設備運行進行全面檢測分析，同步將圖像與音頻進行關聯考量。對多個節點的音頻進行比對操作，將音頻與圖像的同步關系狀態進行相互匹配分析，這樣能夠實現對系統層面的音頻處理狀態進行顯式約束，使音頻與圖像在電視播出過程中保持高度一致性。應用感知音頻信號實時比對算法，能夠清晰呈現音頻內容的狀態，實現響度控制和音頻混音等異常問題的準確判斷。但是非即時性音頻故障檢測算法對于時間要求較長，否則會影響故障檢測的準確性，同時對于異常的具體部位判斷還處于比較粗放的狀態。針對這種情況，可以在電視節目播出之前提前引入節目的媒體文件，在離線狀態下對電視節目媒體文件運行的特征和狀態進行分析，對比正常標準狀態來確定節目音頻運行是否保持規范狀態。離線文件中包含豐富的音頻特征值信息，一些音頻信息中帶有時間序列，通過對這種有時間序列的音頻特征值信息進行提取并重點分析，將實際特征情況與實時信號進行對比，從而有效分析問題的具體情況。

4 電視播出中音頻信號異常應急處理

在電視播出中出現音頻信號異常時，需要采取有效的應急措施進行處理，為節目正常播出提供保障。當電視播出期間檢測到源信號音頻聲道出現缺失異常問題時，可以利用音頻包含多個聲道的優勢進行應急補救，根據實際情況切換電視音頻聲道。確定應急方案后，由專業技術人員到指定位置開展補救操作，也可以直接應用簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol，SNMP）啟動音頻處理設備的應急操作工作，實現立體聲、雙聲道等不同模式的轉換，保證電視播出期間出現異常時能夠及時調整，實現音頻的正常高質量輸出。

5 結 論

在電視臺的播出系統中，音頻信號的格式與類型具有多樣化特征，導致音頻信號出現異常的原因也較為復雜。當出現音頻信號異常問題時，需要明確各類音頻信號的異常特征，合理應用異常檢測方法，提升檢測的準確性和及時性，針對異常快速做出有效的應急處理，為電視節目的安全穩定播出提供更好的保障。