電視臺播出信號監測趨勢探討

2023-07-29 16:24:44周平

電視技術 2023年6期

周平

（云南省廣播電視局安全播出監測中心，云南昆明 650031）

1 當前電視播出系統信號監測方式

在傳統電視播出機房，電視屏幕墻是日常信號監看的主要手段。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。經過多年發展，后臺的自動播出系統能夠較為完善地自動控制視頻服務器、切換臺、矩陣及鍵控器等多種專業視音頻設備，播出自動化運行狀態下通常不需要人工干預。播出監控系統通常采用分布式架構，后臺自動收集播出系統內核心硬件設備、環境、軟件、業務流程的運行狀態信息，發現異常后能夠及時通過前端軟件進行告警。在監測所有的信號播出狀態、自動播出控制軟件運行狀態、播出監控報警的過程中，需要值班人員保持精神集中，否則容易出現疏漏。然而，值班人員還要對總控/演播室的信號任務、總編室節目單交接以及字幕播出單負責，因此，當前監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。

由此可見，當前架構下，電視播出值班崗位承擔著較大的安全播出壓力。隨著電視播出IT 化、IP 化轉型，又將為值班人員帶來新的工作內容。IP 化系統的信號質量與數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架構截然不同，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 信號基于數據包交換網絡，信號的傳輸可以基于多個傳輸鏈路。每個鏈路是復用的，且鏈路上傳輸的信號可以是不同格式。

（3）IP 信號以交換機為核心，遵從SMPTE ST2110 標準的視音頻信號采用多路組播流來承載，整個網絡高度依賴精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）時鐘同步[1]。

從SDI 架構轉換到IP 架構，一方面，維護人員對于系統使用和維護所需的知識、經驗都需要更新；另一方面，IP 化網絡比基于SDI 構建的系統有更多需要關注的環節。IP化系統不再是簡單的連線，除了物理層的網絡連接，還有一層邏輯路由信號傳輸鏈路需要時刻掌握。因此，IP 化、網絡化下的電視頻道播出信號監看，既要關注信號內容，也要關注信號數據包轉發技術指標及PTP 時鐘的鎖定、同步情況[2]。原本傳統SDI 構建的播出系統已經有很大的安全播出壓力，IP 化后還要增加上述內容，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險。

2 對于信號監測方式的思考

當前，計算機技術發展迅速。計算機在圖形圖像處理、數據加工處理方面的性能越來越強大。通過服務器的計算能力分擔值班人員的工作壓力，是本文主要探討的內容。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

電視頻道播出系統通過專業視音頻設備、服務器、前后臺軟件協同工作，完成播出過程。在硬盤播出系統上，視頻節目大部分采用文件送播方式，經過視頻服務器解碼，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化和改進。

2.1.1 播出系統軟件

（1）播出控制軟件自動化。目前典型的播出系統結構是主播出控制軟件控制主視頻服務器，在主視頻服務器異常后將控制權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，比如目前節目單加載、節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，提供在線播出節目單和報警、二級事件、狀態的自動發布與查詢。

（2）播出軟件運行監視自動化。通過播出控制軟件接口，實現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，配套的運行監視工具負責對播控自動化執行結果進行檢查。運行監視工具功能包括主備在線播出節目單核對，在需要核對紙質節目單和在線節目單時，運行監視軟件可以對紙質節目單進行快速、準確的信息采集，完成紙質單與在電子單的自動核驗。

2.1.2 文件準備

節目播出文件準備，屬于播出內容管理系統軟件的范疇。節目播出文件要轉換成實時的播出信號，節目文件內容質量與播出信號質量直接相關。節目內容的題材、剪輯制作效果、技術質量因素等都不相同，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。在經過自動技審與技術質量檢測復核環節已確認過不是技術質量問題的視頻片段，在播出過程中，如果有播出信號監測環節，就可能產生不必要的報警。因此，文件技審環節和實時信號檢測環節對同一個節目相同的畫面位置，應該具有信息聯動。也就是說，上游流程確認過的內容，下游流程應盡量避免誤報。

對此，在不同的檢測環節，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報警時段漂移的情況。本著從源頭發現異常的原則，通過對上游技審確認信息的集成，可以有效減少直播時的誤報。

2.1.3 信號準備

播出信號的準備環節，能對播出外來信號進行分析和監測，包括信號是否提前調度就緒、信號內容有無異常、信號切換是否及時正確等。在SDI 和IP 不同技術架構下，播出外來信號狀態的分析有所區別，主要在于從不同的設備獲取信號狀態，以及獲取信號本身的采集方式不同。

SDI 架構下，播出外來信號是否進行預置、是否按準確的時間進行切換，這些信息可以通過播出切換臺的交叉點狀態獲取。信號內容方面，可通過視頻分配器進行SDI 信號采集，經過綜合分析得出信號的內容質量有無問題、信號切換是否及時。

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

圖1 外來信號預置、切換狀態分析示意圖

由此，可以在控制層面、信號內容層面進行匯總綜合分析。若出現問題，統一匯報到運行監視工具上，供值班人員再次確認。

2.1.4 末級信號輸出

播出系統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，或者IP 化系統下的IP 媒體網關。目前，基于SDI 的信號檢測和比對已經比較成熟，可以做到4 路或系統內多個信號采樣點循環比對[3]，定義不同的算法來判斷當前系統中正常播出的信號，并通過自動切換控制邏輯實現末級信號的智能倒換。在IP 化系統下，信號源來自交換機，可以采用控制IP 媒體網關的方式實現末級信號選擇切換。末級信號比對切換是當前播出系統安全播出的關鍵技術手段。SDI 系統和IP 化系統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 架構的播出系統中，播出值班員依賴末級比對監測進行自動應急保護，切換過程可以做到不用人工干預自動切換。播出值班員只需要對切換發生的原因進行分析，上報故障。

在IP 架構的播出系統中，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節。這個環節需要計算機自動化處理，為播出值班人員提供分析結果。

2.2 增加對信號質量的自動化監測

當前電視播出系統中，視音頻文件多數采用50 Mb·s-1碼率格式，播出環節無壓縮信號[4]，但是在做分發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，每經過一個編解碼處理環節，就會降低視頻畫面質量。

電視頻道播出面向多個平臺和渠道進行播出信號內容分發，引入對信號質量的監測和監看能力，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，是對同一個頻道內多個通路的末級信號進行比對分析，本章節提到的增加對信號質量的自動化監測，是對頻道播出整個信號路由鏈路縱向的信號質量分析，如圖3 所示。

圖3 基于多點的信號質量監測評估示意圖

縱向信號鏈路的信號質量分析可以采用峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、結構相似性（Structural Similarity，SSIM）、延時測量、內容比對等多種技術分析手段。其中，峰值信噪比PSNR、結構相似性SSIM 可以對兩路信號的視頻畫面內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，就可以得到經過傳輸回傳環節信號質量下降的情況。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據量化，可以作為評估編碼器與傳輸系統運行狀態的關鍵技術指標，通常應保持在某個數值內，如果波動突然變大則說明存在異常。內容比對是指比對回傳信號與頻道PGM 播出信號是否一致[5]，防止出現信號被篡改或回傳異常情況。兩個信號存在時間差，需要監測評估軟件內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，這是監測評估軟件需要解決的問題。

3 結語