互聯網電視視頻流端到端質量實時監測

韓爭艷，魚蘇立，劉 斌，張小強，田程軍，曾 強

（中國移動通信集團陜西有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

互聯網電視視頻流端到端質量實時監測，主要實現對全量互聯網電視視頻流各傳輸節點質量的實時監測，通過聲光告警形式上報異常事件，同時支持分屏多畫面實時監測及動態校驗，可以縮短故障定位時長，提高監控人員工作效率，提升互聯網電視直播頻道的安播、異常事件監測及校驗的時效性。實現對互聯網電視全量視頻流的云、管、端全流程實時監測，主要包括視頻源信號、傳輸節點、魔百盒側節目等質量，同時根據節目告警觸發電視平臺網絡、傳輸、硬件性能等監測，快速定位節目源質差點，并提供質差原因定位支撐，提高視頻流端到端質量，提升互聯網電視用戶觀看感知。

1 互聯網電視視頻源監測存在的問題

當前，市場上針對電視視頻源監測的手段主要存在如下問題。

（1）缺少傳輸管道及端到端的關聯監測分析[1-2]。當前，針對互聯網電視視頻源的監測手段主要集中于對視頻畫面質量以及視頻流質量的監控，僅僅針對電視視頻流本身進行監測分析，缺乏針對傳輸管道、終端以及服務器的端到端實時監測的手段，無法做到對視頻流端到端整體質量的實時監測與關聯分析。

（2）告警呈現形式不足。當前，系統報警呈現主要有聲音告警和文字告警兩種形式。而這兩種形式均需要屏幕承載進行顯示，不僅存在空間上的局限性，而且需要人工進行肉眼觀看，無法起到系統應該具備的自動值守、自智監控的作用。同時，當報警較多，量變引發質變，較多的報警一直顯示，監控人員無法迅速、準確地從諸多監測頻道中圈定錯誤頻道范圍，而且告警的觸發是串行處理，多個告警無法并行，導致告警的時效性也不佳。這樣的報警機制無法發揮其作用，監控人員也無法迅速發現錯誤、定位錯誤并及時解決問題。

2 互聯網電視視頻源端到端質量實時監測思路及方案

互聯網電視視頻源端到端質量實時監測通過對播控平臺輸入節點、業務系統輸出節點、用戶終端側信號進行監聽監看及異態錄制，視頻源異常告警信息上報集中故障告警平臺，實現秒級視頻流異態發現。同時配合自主研發的可視化聲光告警技術，實現視頻流的大屏可視化告警監控。系統建立分鐘級視頻流質量閉環處置機制，在進行視頻流質量監測的同時，對電視視頻流內容庫、分發平臺進行網絡環境、傳輸鏈路及硬件性能實時監測，及時定位網絡、傳輸鏈路、硬件性能（壞盤、慢盤）等原因造成的視頻流質差現象。

互聯網電視視頻流端到端質量實時監測系統采用分布式架構設計，如圖1所示，通過多畫面直播拉流監測工具，根據ETSITR101290碼流層指標監測標準，對多節點節目進行實時監測，輸出告警。基于golang語言構建自動化監測程序，部署于堡壘機，通過安全殼（Secure Shell ，SSH）協議連接、登錄互聯網電視直播頻道安播平臺，實時監測數據采集以及內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）自動化運維的能力。系統具有網絡、傳輸鏈路及硬件設備主動監測（主動實時下發）、周期性自動巡檢（設定周期自動巡檢）兩種運行模式。系統具備指標的快速分析、判斷并結合經驗值形成原因智能分析，建立多個場景的數據智能分析、診斷、關聯能力。

圖1 互聯網電視視頻流端到端質量實時監測系統架構圖

3 實時監測技術優勢

3.1 多畫面等比例分屏算法

互聯網電視視頻流端到端質量實時監測系統的可視化監控能力采用“畫面等比例分屏布局算法”。算法支持任意數量n的視頻流畫面進行等比例布局呈現，具備n個窗口的合理化布局、自動化處理功能；具備各種分屏需求數據采樣訓練、自定義窗口布局、分屏計算。無論后期添加多少套節目，畫面都可以合理地生成排布方式，具有良好的擴展性和可用性。

該算法保證分屏的合理性、界面的可觀賞性，同時排除了傳統排布方式可能造成的圖像拉伸或者壓縮失真的問題；界面具備音、視同屏監控，包括雙向聲道音柱動態監控、高清節目流界面播放能力[3]；雙向聲道音柱，使用基于TR101 290視頻指標規范計算用戶音量感知健康度，同時用綠色代表健康、黃色代表質差、紅色代表故障，進行界面著色可視化管理。

3.2 圖像對比算法

針對電視視頻流質量的“圖像監測”“碼流識別分析”是該實時監測系統最主要的功能體現，能準確、高效、穩定地監控運行及告警，是整個系統價值的直接體現。視頻比對算法對于圖像的采樣，以前采用的是均勻掃描采樣，并不能很好地獲得圖像特征，同時使得采樣的數據集較大。新的算法以香農定律中圖像信息熵為基礎，通過學習得到圖像信息、畫面狀態熵大的區域，然后對這些區域進行抽樣，從而達到降低抽樣數量并且提供抽樣合理性的目的[4]。

本文所述算法在保證界面比對效果的前提下，完全改變了圖像指紋的建模方式，使得用更少且更專業的數據來表示圖像特征及圖像質量，使系統在多路頻道并行監測處理上更加高效，同時降低了數據運算量、數據判斷場景，從而使系統出錯的概率降低，穩定性提高。

新的算法模型存儲的數據量更小，具備快速樣本訓練、場景迭代、規則優化能力，提高了“圖像比對”結果的準確性。通過現網部署應用測試，算法準確率提升了9.5%。

3.3 聲光語音告警技術

系統基于告警參數的語音合成技術，以語音播報的方式實現直播視頻源故障的及時提醒及處置，最大程度解決了故障發現“時效性”的問題。

當節目出現故障時，系統立刻進行語音報警提示用戶，告警提示音包括“XXX頻道信號中斷”“XXX節目出現劣化”“XXX平臺XX節目出現故障”等語音提醒。同理，告警恢復時，系統會自動播報對應頻道、平臺故障恢復提醒。

屏幕菜單式調節方式（On Screen Display，OSD）字符報警為光顯告警，當節目出現故障時，畫面顯示框內會有紅色字符顯示，如“信號中斷”，同時，顯示框上有紅色提示框間隔閃爍，提醒用戶。

3.4 直播內容庫自動巡檢技術

為了實現電視視頻流端到端的質量實時監測巡檢，同時實現告警問題的快速診斷分析，系統基于golang語言構建電視業務平臺的自動化巡檢程序。程序部署在堡壘機上，通過SSH協議連接、登錄到存儲電視視頻流的CDN服務器，實現巡檢數據采集以及CDN自動化運維能力[3]。

巡檢程序具有主動巡檢（主動實時下發）、周期性自動巡檢（設定周期自動巡檢）兩種運行模式。通過采集存儲電視視頻流的CDN服務器的性能參數（中央處理器、內存、快/慢盤）指標、網絡質量指標[4]（網絡丟包、網絡時延），實現與電視視頻流圖像層監控結果進行快速的關聯分析，實現對服務器問題、視頻流問題、網絡問題等問題現象的智能識別與判斷。

4 互聯網電視視頻流端到端質量實時監測整體評估

互聯網電視視頻流端到端質量實時監測系統[5]具備對多種網絡主流流媒體協議如超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）、用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）、實時流傳輸協議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）、實時消息傳輸協議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）、基于HTTP的自適應碼率流媒體傳輸（HTTP Live Streaming，HLS）等的視音頻信號監測能力，對多種流媒體協議視音頻信號的接收和處理能力，可以直接接入視頻源信號地址監測，實現對節目內容的分析。

系統支持對主流網絡編碼的解碼監測分析能力[6]，包括對AVS+、H.264、MPEG-2、AVS等協議的高標清視頻解碼，支持MP2、MP3、AC3、AAC等格式的音頻解碼[7]，支持4K視音頻信號的接入和監測。

系統具備良好的可擴展性及兼容性。考慮到互聯網電視新技術、新業務的發展和應用規模的不斷擴大，系統不僅能夠滿足當前互聯網電視安全播出監測應用需求，并且滿足以后建設需要，具有較強的新增監測業務功能和監測規模擴容的可擴展性和應用系統、設備（軟件和硬件）的平滑升級和過渡能力，滿足以后多類場景的應用和發展需要，能夠在系統應用中的擴容和升級中，最大限度地保護建設投資的有效和安全。

5 結 語

借助5G東風，互聯網電視將迎來進一步的發展。以移動互聯網為代表的各類新興媒體迅速崛起，其發展速度之快、規模之大，令傳統媒體望塵莫及。新媒體監測是在原有傳統類信號監測基礎上，在有線、無線信號傳輸方式外，對網絡傳輸方式的一種擴展和延伸的監測。網絡傳輸方式存在傳輸途徑和渠道多，協議規范和信號編碼類型多，傳輸環境或信號延遲時間長，信號易受攻擊或篡改等多種問題的影響。因此，新媒體的監測將是一個新的研究方向和課題。