5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)的優(yōu)化

王 勇

（河南省駐馬店廣播電視臺(tái)，河南 駐馬店 463000）

0 引 言

2019年以后，“5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播”在廣播電視傳播中得到初步的應(yīng)用，并成為廣播電視傳播技術(shù)融合與創(chuàng)新的新方向之一。從“5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播”的具體實(shí)踐來(lái)看，其不僅促進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)直播帶寬的拓展，提升了現(xiàn)場(chǎng)直播的清晰度、流暢度和靈活性，同時(shí)也與“講好中國(guó)故事”的傳播理念相符合，最大化地發(fā)揮出傳播技術(shù)優(yōu)化對(duì)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(xiàn)場(chǎng)直播為例，結(jié)合傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)存在的音視頻不同步、圖像像素缺失等問題，結(jié)合5G技術(shù)，對(duì)電視新聞節(jié)目現(xiàn)場(chǎng)直播的傳輸路徑和傳輸方法進(jìn)行系統(tǒng)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(yīng)技術(shù)、H.264壓縮技術(shù)等，并結(jié)合電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)的相關(guān)原理，搭建了5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)體系，結(jié)合具體實(shí)踐，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行 展示。

1 5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

本研究提出的系統(tǒng)框架，主要結(jié)合廣播電視新聞節(jié)目現(xiàn)場(chǎng)直播的具體流程需求，設(shè)計(jì)新聞現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集（采集與發(fā)送端）、服務(wù)器以及接收端，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

新聞現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集主要是對(duì)收集的新聞信息源進(jìn)行壓縮與傳送，采用的技術(shù)主要包括H.264和ACC壓縮技術(shù)，將信息源進(jìn)行編碼并傳送到服務(wù)器中。本研究提出的系統(tǒng)的服務(wù)器，主要針對(duì)的問題是現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)中因用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）傳輸中網(wǎng)絡(luò)擁堵導(dǎo)致信息難以及時(shí)、有效的傳送到直播端的問題，并結(jié)合RTCP技術(shù)，設(shè)計(jì)了解決傳送過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)擁堵的方案。方案的核心在于接收端口在接收到經(jīng)由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）數(shù)據(jù)包整合的數(shù)據(jù)以后，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合，并將其傳送到緩沖區(qū)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次解碼、傳送和響應(yīng)直播區(qū)間的播放[2]。設(shè)計(jì)方案中的服務(wù)器處理邏輯如圖2所示，服務(wù)器對(duì)傳輸問題的優(yōu)化主要是基于啟動(dòng)、解決、具體事件處理以及反應(yīng)與記錄的邏輯思路。

圖2 服務(wù)器處理邏輯

1.2 音頻和視頻處理過(guò)程

電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)的核心工作是對(duì)直播內(nèi)容的音頻和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這直接影響到播出內(nèi)容的流暢性和受眾觀看體驗(yàn)。在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)直播中，直播數(shù)據(jù)與信息經(jīng)由傳輸通道傳送至播出端，中間未經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理和整合，容易出現(xiàn)音視頻幀數(shù)據(jù)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(gòu)設(shè)計(jì)下，通過(guò)編碼轉(zhuǎn)換等方式，在傳輸過(guò)程中對(duì)音頻和視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行有效性驗(yàn)證，確保傳輸音視頻內(nèi)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(shù)據(jù)接收。在接收網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的視頻數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，然后對(duì)視頻幀的屬性參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，等待下一步處理。利用前一步接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的視頻幀參數(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)視頻幀驗(yàn)證的使用時(shí)間進(jìn)行記錄。驗(yàn)證完成以后，采用RTP技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，傳送到服務(wù)器終端和播出端。這樣不僅能夠最大程度地確保音視頻數(shù)據(jù)信息的完整性，同時(shí)也能提高幀驗(yàn)證的頻率，并通過(guò)RTP技術(shù)的轉(zhuǎn)碼，減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用情況，提升傳輸過(guò)程的流暢性[4]。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

5G電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)包括視頻和音頻文件、錄音/廣播服務(wù)器的配置文件、電視節(jié)目列表、相應(yīng)多通道媒體服務(wù)器的信息表和SDI輸出注冊(cè)表。

5G電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播服務(wù)器中最重要的數(shù)據(jù)是音頻和視頻文件。但是，由于音頻和視頻文件傳輸過(guò)程中會(huì)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(huì)導(dǎo)致視頻和音頻數(shù)據(jù)在高比特率視頻傳輸過(guò)程中阻塞，影響用戶觀看體驗(yàn)[5]。

對(duì)此，將視頻和音頻文件按照電視臺(tái)的節(jié)目名稱搭建數(shù)據(jù)庫(kù)類目。各個(gè)類目中，按照文件夾中的日期進(jìn)行分類。為了方便用戶查找和下載文件，在相應(yīng)的視頻和音頻文件所在的文件夾中設(shè)計(jì)了一個(gè)名稱相同的后綴索引文件。當(dāng)用戶下載當(dāng)前視頻和音頻文件時(shí)，通過(guò)讀取索引文件，可以獲得用戶的目標(biāo)時(shí)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(guò)程中的等待時(shí)間，提高了用戶體驗(yàn)[6]。

2 5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 卡片框架自適應(yīng)與信道傳輸

采用卡片框架自適應(yīng)策略的主要目的是縮短幀數(shù)據(jù)緩沖的周期，從而提升視頻的流暢度，為受眾提供一個(gè)流暢的視覺效果[7]?？ㄆ蚣茏赃m應(yīng)策略的實(shí)施主要是以漸進(jìn)回傳幀為主要方式，降低音頻和視頻數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的重復(fù)率，提高數(shù)據(jù)幀之間的斷點(diǎn)距離，確保幀數(shù)據(jù)重復(fù)與循環(huán)的頻率能夠形成平滑推進(jìn)的趨勢(shì)。

在卡片框架自適應(yīng)策略實(shí)施的基礎(chǔ)上，以動(dòng)態(tài)比特率的方式對(duì)音視頻的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，形成數(shù)據(jù)傳輸通道。其中，實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）在傳輸通道中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，主要對(duì)傳輸?shù)倪^(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和分析，確保信息傳輸?shù)倪B續(xù)性以及發(fā)送端和接收端的時(shí)間同步性。在音視頻數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，通過(guò)RTSP協(xié)議的數(shù)據(jù)整合與優(yōu)化，申請(qǐng)電視新聞直播端口的服務(wù)器響應(yīng)，并結(jié)合直播端口輸出的參數(shù)，對(duì)傳輸中的比特率進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，也結(jié)合電視新聞直播的需求，生成RTCP（傳輸控制協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳輸鏈路中的速率進(jìn)行自適應(yīng)，形成信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。RTCP傳輸控制工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 RTCP傳輸控制過(guò)程

2.2 提高直播影像質(zhì)量

電視新聞直播過(guò)程中的影像質(zhì)量包括畫面質(zhì)量、音響質(zhì)量，最常出現(xiàn)的問題是聲畫不同步，這會(huì)影響直播的效果[8]。因此，為了提高電視新聞直播影像質(zhì)量，本研究采用RedbridgeII板卡對(duì)影像信息進(jìn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確保直播影像能夠?qū)崿F(xiàn)高清晰度的效果。

首先，結(jié)合SDI接口特性，對(duì)傳輸過(guò)程抖動(dòng)性的問題進(jìn)行處理。一般而言，直播畫面在信息傳輸通道中如果出現(xiàn)抖動(dòng)的問題，便會(huì)導(dǎo)致影像在接收完成以后的質(zhì)量相對(duì)下降。結(jié)合我國(guó)廣電行業(yè)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，通常抖動(dòng)容限不能超過(guò)0.2 UI，本研究將其作為參考值，將抖動(dòng)容限范圍設(shè)定為0.18 UI。

其次，結(jié)合SDI信道傳輸?shù)奶匦?，?duì)傳輸過(guò)程中的非線性失真情況和振幅頻率進(jìn)行控制。這兩個(gè)指標(biāo)主要衡量傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰減情況，因此指標(biāo)越小，傳輸性能越高，代表的傳輸信息保真度也越強(qiáng)。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)廣電實(shí)踐的具體情況，本研究將信道失真度設(shè)定值域?yàn)椋?，0.1%），最大程度地降低信道傳輸過(guò)程中抖動(dòng)圖像導(dǎo)致的退化和非線性失真問題，非線性失真在傳播過(guò)程中的一般表現(xiàn)如圖4所示。

圖4 非線性失真一般表現(xiàn)圖

2.3 直播視頻壓縮

結(jié)合廣電行業(yè)的實(shí)踐來(lái)看，視頻壓縮主要采用H.264編碼技術(shù)。該種技術(shù)相對(duì)于MPGE4、H.263等編碼技術(shù)而言，編碼效果更好，并且壓縮視頻的質(zhì)量也更高。因此，本研究在直播視頻壓縮技術(shù)上采用H.264編碼方法，該方法的具體運(yùn)行如圖5所示。

圖5 H.264編碼系統(tǒng)運(yùn)行框圖

2.4 RTCP反饋擁塞控制

在電視新聞直播過(guò)程中，擁塞情況的發(fā)生會(huì)直接影響傳輸?shù)男阅芎椭辈鬏數(shù)馁|(zhì)量。該種情況經(jīng)常發(fā)生，主要是由于信號(hào)傳輸出現(xiàn)并發(fā)或者發(fā)包數(shù)量過(guò)多的問題。結(jié)合本研究采用的數(shù)據(jù)傳輸方式，以及在日常廣電直播實(shí)踐中遇到的問題，采用基于RTCP反饋的擁塞控制機(jī)制，借助TCP友好速率控制算法（TCP-Friendly Rate Control，TFRC），對(duì)服務(wù)器中傳輸反饋的數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收，并計(jì)算適應(yīng)傳輸?shù)乃俾?，與現(xiàn)有傳輸速率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)當(dāng)前傳輸速率進(jìn)行調(diào)整。

3 5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播優(yōu)化測(cè)試

3.1 CPU占用率測(cè)試

5G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播系統(tǒng)中，CPU位于系統(tǒng)的服務(wù)器內(nèi)，影響服務(wù)器信息傳輸?shù)倪\(yùn)行，反映系統(tǒng)在事件處理過(guò)程中的順暢度和擁堵情況，具體表現(xiàn)形式為CPU的占用率。本研究中，測(cè)試時(shí)間以 5 min為段點(diǎn)，分別為5 min內(nèi)單個(gè)用戶數(shù)量和5 min內(nèi)20個(gè)用戶（集合用戶）。結(jié)合測(cè)試結(jié)果來(lái)看，當(dāng)單個(gè)用戶達(dá)到20個(gè)時(shí)，CPU占用率為1.5%左右，18個(gè)集合用戶（360個(gè)用戶）時(shí)，CPU占用率為8%，而1個(gè)集合用戶（20個(gè)）時(shí)，CPU占用率為6.5%。因此，CPU占用率和用戶數(shù)量沒有明顯的比例關(guān)系。也因此，本研究提出的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)在線需求，同時(shí)，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(cè)試

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制主要體現(xiàn)在視頻延時(shí)和圖像質(zhì)量上。結(jié)合CPU占用率測(cè)試情況，采用20個(gè)用戶同時(shí)使用時(shí)的傳輸擁塞情況進(jìn)行測(cè)試，將發(fā)送數(shù)據(jù)包記錄系統(tǒng)時(shí)間記為T1，并將其放入數(shù)據(jù)包的傳輸中；在接收端接收數(shù)據(jù)包，提取時(shí)間戳，將再次得到當(dāng)前系統(tǒng)的時(shí)間記為T2，得到準(zhǔn)確的延遲（T2-T1）。表1總結(jié)了基于RTCP反饋擁塞控制的有效性測(cè)試的結(jié)果。結(jié)合具體測(cè)試情況，當(dāng)不采用本文提出的擁塞控制方案時(shí)，延遲時(shí)間為2 s左右，會(huì)出現(xiàn)跳幀和拼接現(xiàn)象。采用擁塞控制方案后的延遲時(shí)間約為100 ms，圖像相對(duì)清晰平滑，基本沒有幀丟失和模糊現(xiàn)象。在UDP方式下，本文提出了基于RTCP的反饋擁塞控制機(jī)制，以達(dá)到預(yù)期的效果。實(shí)時(shí)流媒體直播較好地延遲了并發(fā)處理，圖像質(zhì)量相對(duì)清晰平滑，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，降低了分組丟失，能夠滿足音視頻廣播對(duì)實(shí)時(shí)性和圖像質(zhì)量的要求。

表1 基于RTCP反饋擁塞控制的有效性測(cè)試結(jié)果

3.3 圖像處理測(cè)試

圖像處理測(cè)試主要評(píng)價(jià)圖像傳輸過(guò)程中的像素缺陷情況、光響應(yīng)情況以及信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）情況。圖像傳感器缺陷像素的測(cè)試中，將測(cè)試的環(huán)境控制在24 ℃，測(cè)試時(shí)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(shù)占據(jù)0.41%，這也就導(dǎo)致了在亮度較低的環(huán)境下，部分像素存在過(guò)度亮的反應(yīng)。

圖6 系統(tǒng)服務(wù)器CPU情況

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)根均方平均數(shù)偏差法檢驗(yàn)光響應(yīng)不均勻性（Photo Response Non-Uniformity，PRNU）。根據(jù)公式：

式中：V0為數(shù)據(jù)的平均輸出信號(hào)，n是光源表面像素的數(shù)量，V0i是像素的信號(hào)輸出情況。在對(duì)有源像素的傳感器光響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試中，主要考察其非均衡性。在對(duì)其進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，測(cè)試溫度仍舊控制為24 ℃，將傳感器的狀態(tài)設(shè)置為半飽和狀態(tài)，最終得出非均衡性的結(jié)果為1.89%。

對(duì)于信噪比的測(cè)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(duì)圖像傳感器的曝光情況進(jìn)行調(diào)整，檢驗(yàn)輸出信號(hào)（Vsat）平均值為10%～90%狀況下的信噪比。

結(jié)合測(cè)試研究，采用非均勻校正+缺陷像素替換的方法，能夠達(dá)到信噪比最優(yōu)化的效果。該方法對(duì)成像圖像進(jìn)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(guò)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(hào)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(jìn)行處理的圖像，隨著信號(hào)平均值的加大，其信噪比變化也不斷加大，這也進(jìn)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(jié) 語(yǔ)

5G技術(shù)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(gè)性化定制，受眾對(duì)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(chǎng)性”，確保直播音視頻的質(zhì)量?！?G+電視現(xiàn)場(chǎng)直播”作為提升電視新聞傳播時(shí)效性和傳播質(zhì)量的有效方法，在當(dāng)前的廣播電視發(fā)展中得到了有效的應(yīng)用。5G等新技術(shù)強(qiáng)化了電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播的互動(dòng)性。本研究引用了H.264壓縮、RTCP反饋擁塞等技術(shù)，并結(jié)合5G技術(shù)，提升了現(xiàn)場(chǎng)直播的清晰性和傳播穩(wěn)定性，能夠提升電視新聞現(xiàn)場(chǎng)直播實(shí)施的靈活性和抗干擾性，具有參考和借鑒價(jià)值。