電視播出中音頻信號(hào)異常檢測(cè)及應(yīng)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(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)的運(yùn)行設(shè)備較多，各個(gè)設(shè)備的處理操作都會(huì)對(duì)播出的音頻信號(hào)產(chǎn)生影響，存在發(fā)生異常的可能性[1]。電視播出過程中需要準(zhǔn)確、及時(shí)地對(duì)音頻信號(hào)異常問題類型和具體情況進(jìn)行檢測(cè)，明確音頻信號(hào)異常問題特征，從而采取有效的應(yīng)急方法進(jìn)行處理，保證電視播出期間音頻信號(hào)能夠快速恢復(fù)正常，保持穩(wěn)定輸出狀態(tài)[2,3]。

1 電視播出中的音頻內(nèi)容層異常

電視播出期間，播出信號(hào)串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。除了完全靜音的情況外，如果音頻數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)特殊顯示效果，則表示音頻數(shù)據(jù)處于丟失狀態(tài)。電視音頻系統(tǒng)中包含多個(gè)聲道，針對(duì)音頻內(nèi)容層異常需要對(duì)聲道逐一檢測(cè)，檢查聲道中是否是靜音狀態(tài)、音量高低等級(jí)水平，同時(shí)對(duì)固態(tài)電平、周期波以及噪聲等情況進(jìn)行檢查[4]。

1.1 聲道靜音和音量高低等級(jí)水平檢測(cè)

電視播出期間，聲道板卡中每一幀的頻域能量平均值會(huì)在每間隔8 ms時(shí)出現(xiàn)，需要累計(jì)100幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行相加。應(yīng)用手持信號(hào)發(fā)生器設(shè)備輸出0 dBFS千周音信號(hào)來作為板卡輸入，根據(jù)千周音信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前信號(hào)的分貝值。將當(dāng)前信號(hào)的分貝值與電視播出聲道板卡預(yù)設(shè)音量標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行對(duì)比，觀察分貝水平在相應(yīng)時(shí)間中的動(dòng)態(tài)變化情況[5]。

1.2 播出音頻信號(hào)的噪聲異常

當(dāng)電視播出音頻信號(hào)出現(xiàn)大小規(guī)格不同的能量疊加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生白噪聲。針對(duì)這一異常問題的檢測(cè)，需要明確白噪聲特征。集中收集頻域的頻點(diǎn)能量分布數(shù)據(jù)，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，然后按照相應(yīng)的公式對(duì)頻點(diǎn)能量值的離散程度進(jìn)行計(jì)算。將得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與門限值進(jìn)行對(duì)比，若是計(jì)算結(jié)果大于門限值，就證明存在白噪聲異常情況。實(shí)際上，當(dāng)白噪音的能量水平偏低時(shí)，計(jì)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(dòng)檢測(cè)通常會(huì)將其忽略[6]。

1.3 周期波信號(hào)和固定電平異常

在電視播出期間主要針對(duì)1 000 Hz音頻、其他周期波異常進(jìn)行檢測(cè)，而固定電平異常問題的表征現(xiàn)象為出現(xiàn)監(jiān)視多畫面分割器上的音頻電平表，憑借人耳無法進(jìn)行察覺。這類異常主要有3種形式：（1）在播出音頻信號(hào)中單獨(dú)出現(xiàn)周期波信號(hào)，聲頻頻譜固定頻率點(diǎn)位置存在固定能量信號(hào)；（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(huì)大于聲音標(biāo)準(zhǔn)能量水平；（3）處于固定狀態(tài)的大規(guī)模直流分量會(huì)疊加振動(dòng)，震動(dòng)幅度屬于偏小的等級(jí)。周期波異常時(shí)，輸出聲音頻譜中相應(yīng)固定頻點(diǎn)的位置會(huì)出現(xiàn)大小規(guī)格比較固定的能量分布，根據(jù)這一特征進(jìn)行異常檢測(cè)，一般情況下可以在頻域中獲取頻點(diǎn)能量大小數(shù)據(jù)，以8 ms時(shí)間窗口為1個(gè)單位，針對(duì)聲音信號(hào)采取短時(shí)傅里葉變換處理，然后對(duì)其中的頻點(diǎn)能量進(jìn)行排序，觀察最大能量點(diǎn)的頻帶位置是否固定不變，延續(xù)的時(shí)間超過400 ms時(shí)證明周期波異常信號(hào)出現(xiàn)，其最大能量點(diǎn)位置就是周期波基頻所在之處。在檢測(cè)過程中，能否準(zhǔn)確識(shí)別還會(huì)受到周期波疊加最大能量水平的影響，當(dāng)最大能量值小于正常聲音能量水平時(shí)，就很難及時(shí)檢測(cè)出來，通常會(huì)被異常檢測(cè)忽略。尤其是電視播出期間，正常音頻最大能量點(diǎn)的頻譜位置持續(xù)400 ms不變時(shí)，周期波異常往往無法識(shí)別[7]。

2 電視播出中音頻組合與規(guī)范性異常問題

電視播出音頻的聲道數(shù)量較多，在單一聲道沒有檢測(cè)出異常問題時(shí)，需要對(duì)音頻聲道組合與聲道運(yùn)行規(guī)范性進(jìn)行檢測(cè)。

在電視播出的音頻組合結(jié)構(gòu)中，節(jié)目音頻輸出分為左聲道與右聲道，需要在板卡位置分別對(duì)2個(gè)聲道所有頻點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。頻域分析方法不能做到對(duì)聲音波形相位信息的保留，無法對(duì)短時(shí)傅里葉變換頻率進(jìn)行良好分辨。在電視播出的聲音場(chǎng)景類型為類似當(dāng)當(dāng)聲、水泡聲時(shí)，頻域分析方法最終的結(jié)果就容易出現(xiàn)失誤，判定其為立體聲不相關(guān)[8]。

時(shí)域分析法主要針對(duì)左聲道與右聲道脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）波形相關(guān)系數(shù)開展計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)聲道組合的音頻輸出進(jìn)行仿真模擬。通常情況下，PCM相關(guān)系數(shù)計(jì)算對(duì)于相位變化感知的靈敏度較好，而對(duì)幅度變化的感知靈敏度較差。在實(shí)際計(jì)算分析過程中，將其與服務(wù)器正常運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)比，通過獲取不同測(cè)試場(chǎng)景的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，能夠明確判斷異常檢測(cè)程序?qū)β暤澜M合異常狀態(tài)檢測(cè)感知的靈敏度水平[9]。

音頻組合和規(guī)范性異常檢測(cè)中，針對(duì)不同的音頻場(chǎng)景需要合理選擇檢測(cè)分析方法，以保證異常分析檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

場(chǎng)景1是電視節(jié)目左右組合聲道的聲音電平、波形處于接近狀態(tài)，PCM波形時(shí)域相關(guān)性大幅降低，主要是相位變化對(duì)其產(chǎn)生了影響。要想對(duì)聲道組合異常進(jìn)行檢測(cè)，可以應(yīng)用時(shí)域分析方法，對(duì)時(shí)域上相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到的相關(guān)系數(shù)變化會(huì)與聲音波形變化狀態(tài)保持相同的趨勢(shì)，能夠更清晰地獲取相位變化相關(guān)性。這種情況不建議采用對(duì)比分析聲道頻點(diǎn)能量值的方法檢測(cè)異常，當(dāng)相位變化幅度偏小時(shí)無法進(jìn)行精細(xì)識(shí)別。場(chǎng)景2是電視播出節(jié)目的左聲道和右聲道輸出音頻內(nèi)容存在差異，分別播放不同的音頻內(nèi)容。場(chǎng)景3是電視播出節(jié)目的左聲道音頻與右聲道音頻屬于相互配合的狀態(tài)，如左聲道為人聲、右聲道為伴奏音樂。對(duì)于場(chǎng)景2和場(chǎng)景3這2種聲道組合音頻場(chǎng)景，無法有效應(yīng)用頻域分析和時(shí)域分析方法進(jìn)行異常檢測(cè)，得出的結(jié)論都是左右聲道不相關(guān)，這時(shí)還需要結(jié)合其他比對(duì)結(jié)果來進(jìn)一步判斷異常。當(dāng)在板卡位置應(yīng)用時(shí)域分析方法時(shí)，上述3種場(chǎng)景的立體聲不相關(guān)均能被識(shí)別，板卡中的音頻數(shù)據(jù)均能保持對(duì)齊狀態(tài)，不需要與服務(wù)器進(jìn)行同步對(duì)比就能直接、準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)性[10]。

針對(duì)響度控制器環(huán)繞立體聲的相關(guān)性檢測(cè)分析階段，需要根據(jù)聲音響度的具體狀態(tài)來對(duì)左聲道與右聲道的相關(guān)性狀態(tài)進(jìn)行具體判斷。當(dāng)聲音能量差在-8～-1 dB時(shí)，響度控制器輸出左聲道與右聲道處于正相關(guān)狀態(tài)，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(dāng)聲音能量的分貝差大于-9 dB時(shí)，響度控制器輸出左聲道與右聲道處于負(fù)相關(guān)狀態(tài)。若是左聲道與右聲道的相位處于相反狀態(tài)且聲音能量值非常接近狀態(tài)時(shí)，聲道也是處于負(fù)相關(guān)狀態(tài)，中置聲音則處于靜音狀態(tài)。當(dāng)經(jīng)過響度控制器產(chǎn)生的立體聲環(huán)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(guān)性。電視播出期間，從源級(jí)輸出的信號(hào)經(jīng)過傳輸?shù)竭_(dá)響度控制設(shè)備時(shí)，需要由控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。相對(duì)來說，若是對(duì)立體聲的音頻相關(guān)性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)范圍包括左聲道和右聲道；若是檢測(cè)環(huán)繞立體音，則需要對(duì)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(jìn)行全面檢測(cè)。

在電視節(jié)目左右組合聲道的聲音電平或波形處于接近狀態(tài)、PCM波形時(shí)域相關(guān)性大幅降低的立體聲場(chǎng)景中，會(huì)存在一種極端現(xiàn)象，即立體聲反相。針對(duì)這種情況，可以選擇在板卡本地采取計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方法來對(duì)異常情況進(jìn)行檢測(cè)。立體聲反相檢測(cè)判定的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為相位異常百分比和時(shí)間閾值。將相位異常百分比與相位正常百分比進(jìn)行對(duì)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(tài)持續(xù)時(shí)間達(dá)到閾值后，則證明相反事件形成。此外，還可以將PCM值傳輸?shù)椒?wù)器來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真對(duì)比，也能對(duì)具體異常情況進(jìn)行檢測(cè)。

3 電視播出中音頻比對(duì)異常

單純地對(duì)聲道音頻進(jìn)行檢測(cè)只能識(shí)別一部分音頻異常問題，對(duì)此需要建立整體檢測(cè)觀念，對(duì)電視播出頻道的所有音頻主備路和設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行全面檢測(cè)分析，同步將圖像與音頻進(jìn)行關(guān)聯(lián)考量。對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的音頻進(jìn)行比對(duì)操作，將音頻與圖像的同步關(guān)系狀態(tài)進(jìn)行相互匹配分析，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)層面的音頻處理狀態(tài)進(jìn)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(yīng)用感知音頻信號(hào)實(shí)時(shí)比對(duì)算法，能夠清晰呈現(xiàn)音頻內(nèi)容的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)響度控制和音頻混音等異常問題的準(zhǔn)確判斷。但是非即時(shí)性音頻故障檢測(cè)算法對(duì)于時(shí)間要求較長，否則會(huì)影響故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)于異常的具體部位判斷還處于比較粗放的狀態(tài)。針對(duì)這種情況，可以在電視節(jié)目播出之前提前引入節(jié)目的媒體文件，在離線狀態(tài)下對(duì)電視節(jié)目媒體文件運(yùn)行的特征和狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)比正常標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)來確定節(jié)目音頻運(yùn)行是否保持規(guī)范狀態(tài)。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(shí)間序列，通過對(duì)這種有時(shí)間序列的音頻特征值信息進(jìn)行提取并重點(diǎn)分析，將實(shí)際特征情況與實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而有效分析問題的具體情況。

4 電視播出中音頻信號(hào)異常應(yīng)急處理

在電視播出中出現(xiàn)音頻信號(hào)異常時(shí)，需要采取有效的應(yīng)急措施進(jìn)行處理，為節(jié)目正常播出提供保障。當(dāng)電視播出期間檢測(cè)到源信號(hào)音頻聲道出現(xiàn)缺失異常問題時(shí)，可以利用音頻包含多個(gè)聲道的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)救，根據(jù)實(shí)際情況切換電視音頻聲道。確定應(yīng)急方案后，由專業(yè)技術(shù)人員到指定位置開展補(bǔ)救操作，也可以直接應(yīng)用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）啟動(dòng)音頻處理設(shè)備的應(yīng)急操作工作，實(shí)現(xiàn)立體聲、雙聲道等不同模式的轉(zhuǎn)換，保證電視播出期間出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)音頻的正常高質(zhì)量輸出。

5 結(jié) 論

在電視臺(tái)的播出系統(tǒng)中，音頻信號(hào)的格式與類型具有多樣化特征，導(dǎo)致音頻信號(hào)出現(xiàn)異常的原因也較為復(fù)雜。當(dāng)出現(xiàn)音頻信號(hào)異常問題時(shí)，需要明確各類音頻信號(hào)的異常特征，合理應(yīng)用異常檢測(cè)方法，提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，針對(duì)異?？焖僮龀鲇行У膽?yīng)急處理，為電視節(jié)目的安全穩(wěn)定播出提供更好的保障。