電視臺(tái)播出信號(hào)監(jiān)測(cè)趨勢(shì)探討

周 平

（云南省廣播電視局安全播出監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650031）

1 當(dāng)前電視播出系統(tǒng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方式

在傳統(tǒng)電視播出機(jī)房，電視屏幕墻是日常信號(hào)監(jiān)看的主要手段。各頻道主、備、第三備、墊片及多路外來(lái)信號(hào)等都通過(guò)多畫(huà)面拼接器進(jìn)行上屏監(jiān)看，各路信號(hào)視頻、音頻的播出情況可以非常直觀地展示出來(lái)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，后臺(tái)的自動(dòng)播出系統(tǒng)能夠較為完善地自動(dòng)控制視頻服務(wù)器、切換臺(tái)、矩陣及鍵控器等多種專業(yè)視音頻設(shè)備，播出自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)下通常不需要人工干預(yù)。播出監(jiān)控系統(tǒng)通常采用分布式架構(gòu)，后臺(tái)自動(dòng)收集播出系統(tǒng)內(nèi)核心硬件設(shè)備、環(huán)境、軟件、業(yè)務(wù)流程的運(yùn)行狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)異常后能夠及時(shí)通過(guò)前端軟件進(jìn)行告警。在監(jiān)測(cè)所有的信號(hào)播出狀態(tài)、自動(dòng)播出控制軟件運(yùn)行狀態(tài)、播出監(jiān)控報(bào)警的過(guò)程中，需要值班人員保持精神集中，否則容易出現(xiàn)疏漏。然而，值班人員還要對(duì)總控/演播室的信號(hào)任務(wù)、總編室節(jié)目單交接以及字幕播出單負(fù)責(zé)，因此，當(dāng)前監(jiān)測(cè)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(tài)。

由此可見(jiàn)，當(dāng)前架構(gòu)下，電視播出值班崗位承擔(dān)著較大的安全播出壓力。隨著電視播出IT 化、IP 化轉(zhuǎn)型，又將為值班人員帶來(lái)新的工作內(nèi)容。IP 化系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量與數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架構(gòu)截然不同，僅僅依賴電視墻信號(hào)，不能夠做到全面的掌控，主要有以下幾個(gè)方面的原因。

（1）SDI 信號(hào)傳輸鏈路是固定的點(diǎn)到點(diǎn)的模式，兩端連接好就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，源—目的模式比較簡(jiǎn)潔，無(wú)外部依賴條件，非常容易排查出信號(hào)故障原因。

（2）IP 信號(hào)基于數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)的傳輸可以基于多個(gè)傳輸鏈路。每個(gè)鏈路是復(fù)用的，且鏈路上傳輸?shù)男盘?hào)可以是不同格式。

（3）IP 信號(hào)以交換機(jī)為核心，遵從SMPTE ST2110 標(biāo)準(zhǔn)的視音頻信號(hào)采用多路組播流來(lái)承載，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)高度依賴精確時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）時(shí)鐘同步[1]。

從SDI 架構(gòu)轉(zhuǎn)換到IP 架構(gòu)，一方面，維護(hù)人員對(duì)于系統(tǒng)使用和維護(hù)所需的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)都需要更新；另一方面，IP 化網(wǎng)絡(luò)比基于SDI 構(gòu)建的系統(tǒng)有更多需要關(guān)注的環(huán)節(jié)。IP化系統(tǒng)不再是簡(jiǎn)單的連線，除了物理層的網(wǎng)絡(luò)連接，還有一層邏輯路由信號(hào)傳輸鏈路需要時(shí)刻掌握。因此，IP 化、網(wǎng)絡(luò)化下的電視頻道播出信號(hào)監(jiān)看，既要關(guān)注信號(hào)內(nèi)容，也要關(guān)注信號(hào)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)指標(biāo)及PTP 時(shí)鐘的鎖定、同步情況[2]。原本傳統(tǒng)SDI 構(gòu)建的播出系統(tǒng)已經(jīng)有很大的安全播出壓力，IP 化后還要增加上述內(nèi)容，大大提高了對(duì)值班人員的要求，也為播出安全帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 對(duì)于信號(hào)監(jiān)測(cè)方式的思考

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速。計(jì)算機(jī)在圖形圖像處理、數(shù)據(jù)加工處理方面的性能越來(lái)越強(qiáng)大。通過(guò)服務(wù)器的計(jì)算能力分擔(dān)值班人員的工作壓力，是本文主要探討的內(nèi)容。主要從以下兩個(gè)方面展開(kāi)。

2.1 減輕對(duì)值班人員的高度依賴

電視頻道播出系統(tǒng)通過(guò)專業(yè)視音頻設(shè)備、服務(wù)器、前后臺(tái)軟件協(xié)同工作，完成播出過(guò)程。在硬盤播出系統(tǒng)上，視頻節(jié)目大部分采用文件送播方式，經(jīng)過(guò)視頻服務(wù)器解碼，輸出SDI、IP 信號(hào)。為降低對(duì)播出值班人員的依賴，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2.1.1 播出系統(tǒng)軟件

（1）播出控制軟件自動(dòng)化。目前典型的播出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主播出控制軟件控制主視頻服務(wù)器，在主視頻服務(wù)器異常后將控制權(quán)交給備播出控制軟件。如考慮減少值班人員，需要進(jìn)一步加強(qiáng)播出自動(dòng)化，比如目前節(jié)目單加載、節(jié)目信號(hào)源分配均通過(guò)軟件自動(dòng)化解決。同時(shí)，播出控制軟件自動(dòng)對(duì)外提供接口，提供在線播出節(jié)目單和報(bào)警、二級(jí)事件、狀態(tài)的自動(dòng)發(fā)布與查詢。

（2）播出軟件運(yùn)行監(jiān)視自動(dòng)化。通過(guò)播出控制軟件接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)頻道的播出主、備控制軟件進(jìn)行信息收集。播出控制軟件具備自動(dòng)化的能力，配套的運(yùn)行監(jiān)視工具負(fù)責(zé)對(duì)播控自動(dòng)化執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行檢查。運(yùn)行監(jiān)視工具功能包括主備在線播出節(jié)目單核對(duì)，在需要核對(duì)紙質(zhì)節(jié)目單和在線節(jié)目單時(shí)，運(yùn)行監(jiān)視軟件可以對(duì)紙質(zhì)節(jié)目單進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的信息采集，完成紙質(zhì)單與在電子單的自動(dòng)核驗(yàn)。

2.1.2 文件準(zhǔn)備

節(jié)目播出文件準(zhǔn)備，屬于播出內(nèi)容管理系統(tǒng)軟件的范疇。節(jié)目播出文件要轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)的播出信號(hào)，節(jié)目文件內(nèi)容質(zhì)量與播出信號(hào)質(zhì)量直接相關(guān)。節(jié)目?jī)?nèi)容的題材、剪輯制作效果、技術(shù)質(zhì)量因素等都不相同，如一些視頻畫(huà)面長(zhǎng)時(shí)間靜止但是有音頻不斷播出的場(chǎng)景，電視劇片頭過(guò)渡畫(huà)面亮度很低的場(chǎng)景等。在經(jīng)過(guò)自動(dòng)技審與技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)復(fù)核環(huán)節(jié)已確認(rèn)過(guò)不是技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題的視頻片段，在播出過(guò)程中，如果有播出信號(hào)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，就可能產(chǎn)生不必要的報(bào)警。因此，文件技審環(huán)節(jié)和實(shí)時(shí)信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)同一個(gè)節(jié)目相同的畫(huà)面位置，應(yīng)該具有信息聯(lián)動(dòng)。也就是說(shuō)，上游流程確認(rèn)過(guò)的內(nèi)容，下游流程應(yīng)盡量避免誤報(bào)。

對(duì)此，在不同的檢測(cè)環(huán)節(jié)，最好使用相同的檢測(cè)算法，配置相同的檢測(cè)閾值，否則在實(shí)際播出過(guò)程中可能出現(xiàn)報(bào)警時(shí)段漂移的情況。本著從源頭發(fā)現(xiàn)異常的原則，通過(guò)對(duì)上游技審確認(rèn)信息的集成，可以有效減少直播時(shí)的誤報(bào)。

2.1.3 信號(hào)準(zhǔn)備

播出信號(hào)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，能對(duì)播出外來(lái)信號(hào)進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)，包括信號(hào)是否提前調(diào)度就緒、信號(hào)內(nèi)容有無(wú)異常、信號(hào)切換是否及時(shí)正確等。在SDI 和IP 不同技術(shù)架構(gòu)下，播出外來(lái)信號(hào)狀態(tài)的分析有所區(qū)別，主要在于從不同的設(shè)備獲取信號(hào)狀態(tài)，以及獲取信號(hào)本身的采集方式不同。

SDI 架構(gòu)下，播出外來(lái)信號(hào)是否進(jìn)行預(yù)置、是否按準(zhǔn)確的時(shí)間進(jìn)行切換，這些信息可以通過(guò)播出切換臺(tái)的交叉點(diǎn)狀態(tài)獲取。信號(hào)內(nèi)容方面，可通過(guò)視頻分配器進(jìn)行SDI 信號(hào)采集，經(jīng)過(guò)綜合分析得出信號(hào)的內(nèi)容質(zhì)量有無(wú)問(wèn)題、信號(hào)切換是否及時(shí)。

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

圖1 外來(lái)信號(hào)預(yù)置、切換狀態(tài)分析示意圖

由此，可以在控制層面、信號(hào)內(nèi)容層面進(jìn)行匯總綜合分析。若出現(xiàn)問(wèn)題，統(tǒng)一匯報(bào)到運(yùn)行監(jiān)視工具上，供值班人員再次確認(rèn)。

2.1.4 末級(jí)信號(hào)輸出

播出系統(tǒng)末級(jí)信號(hào)輸出通常采用末級(jí)切換器2選1，3 選1，4 選1 切換開(kāi)關(guān)，或者IP 化系統(tǒng)下的IP 媒體網(wǎng)關(guān)。目前，基于SDI 的信號(hào)檢測(cè)和比對(duì)已經(jīng)比較成熟，可以做到4 路或系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)循環(huán)比對(duì)[3]，定義不同的算法來(lái)判斷當(dāng)前系統(tǒng)中正常播出的信號(hào)，并通過(guò)自動(dòng)切換控制邏輯實(shí)現(xiàn)末級(jí)信號(hào)的智能倒換。在IP 化系統(tǒng)下，信號(hào)源來(lái)自交換機(jī)，可以采用控制IP 媒體網(wǎng)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)末級(jí)信號(hào)選擇切換。末級(jí)信號(hào)比對(duì)切換是當(dāng)前播出系統(tǒng)安全播出的關(guān)鍵技術(shù)手段。SDI 系統(tǒng)和IP 化系統(tǒng)的末級(jí)信號(hào)比對(duì)如圖2 所示。

圖2 末級(jí)信號(hào)比對(duì)示意圖

在SDI 架構(gòu)的播出系統(tǒng)中，播出值班員依賴末級(jí)比對(duì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)急保護(hù)，切換過(guò)程可以做到不用人工干預(yù)自動(dòng)切換。播出值班員只需要對(duì)切換發(fā)生的原因進(jìn)行分析，上報(bào)故障。

在IP 架構(gòu)的播出系統(tǒng)中，除了信號(hào)比對(duì)自動(dòng)切換功能，還需要對(duì)IP 信號(hào)源冗余流的情況、PTP 同步的情況進(jìn)行綜合分析，需要增加更多的檢測(cè)計(jì)算環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)需要計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理，為播出值班人員提供分析結(jié)果。

2.2 增加對(duì)信號(hào)質(zhì)量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

當(dāng)前電視播出系統(tǒng)中，視音頻文件多數(shù)采用50 Mb·s-1碼率格式，播出環(huán)節(jié)無(wú)壓縮信號(hào)[4]，但是在做分發(fā)時(shí)需要進(jìn)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(hào)碼率，屬于有損壓縮方式。這個(gè)過(guò)程必然會(huì)引起畫(huà)面質(zhì)量下降，而且在傳輸過(guò)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(wú)損，這樣，每經(jīng)過(guò)一個(gè)編解碼處理環(huán)節(jié)，就會(huì)降低視頻畫(huà)面質(zhì)量。

電視頻道播出面向多個(gè)平臺(tái)和渠道進(jìn)行播出信號(hào)內(nèi)容分發(fā)，引入對(duì)信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和監(jiān)看能力，播出回傳信號(hào)可展示在播出機(jī)房電視墻上。上文提到的末級(jí)信號(hào)比對(duì)，是對(duì)同一個(gè)頻道內(nèi)多個(gè)通路的末級(jí)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析，本章節(jié)提到的增加對(duì)信號(hào)質(zhì)量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，是對(duì)頻道播出整個(gè)信號(hào)路由鏈路縱向的信號(hào)質(zhì)量分析，如圖3 所示。

圖3 基于多點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估示意圖

縱向信號(hào)鏈路的信號(hào)質(zhì)量分析可以采用峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、結(jié)構(gòu)相似性（Structural Similarity，SSIM）、延時(shí)測(cè)量、內(nèi)容比對(duì)等多種技術(shù)分析手段。其中，峰值信噪比PSNR、結(jié)構(gòu)相似性SSIM 可以對(duì)兩路信號(hào)的視頻畫(huà)面內(nèi)容進(jìn)行量化的差值比對(duì)，比如，取自末級(jí)切換器和回傳信號(hào)兩兩計(jì)算，就可以得到經(jīng)過(guò)傳輸回傳環(huán)節(jié)信號(hào)質(zhì)量下降的情況。延時(shí)測(cè)量可以對(duì)末級(jí)到編碼器輸出、編碼到回傳之間的時(shí)間差等進(jìn)行數(shù)據(jù)量化，可以作為評(píng)估編碼器與傳輸系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通常應(yīng)保持在某個(gè)數(shù)值內(nèi)，如果波動(dòng)突然變大則說(shuō)明存在異常。內(nèi)容比對(duì)是指比對(duì)回傳信號(hào)與頻道PGM 播出信號(hào)是否一致[5]，防止出現(xiàn)信號(hào)被篡改或回傳異常情況。兩個(gè)信號(hào)存在時(shí)間差，需要監(jiān)測(cè)評(píng)估軟件內(nèi)部具有較大的視頻緩存隊(duì)列，且具有高效的視頻同步查找算法，這是監(jiān)測(cè)評(píng)估軟件需要解決的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)播出機(jī)房信號(hào)監(jiān)看上下游關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的分析，本文主要討論了如何減輕信號(hào)監(jiān)測(cè)工作對(duì)值班人員的高度依賴，以及增加對(duì)信號(hào)質(zhì)量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，討論了關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)如播出系統(tǒng)控制軟件、文件準(zhǔn)備、信號(hào)準(zhǔn)備、末級(jí)信號(hào)輸出等可能的優(yōu)化措施和方法，提出了從節(jié)目文件與信號(hào)源頭抓起，在播出過(guò)程中及時(shí)管控，在末端設(shè)置信號(hào)保護(hù)自動(dòng)化，提供縱向信號(hào)鏈路監(jiān)測(cè)自動(dòng)化多種方法，希望能夠?yàn)殡娨暡コ鱿到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和升級(jí)改造提供新的思路。當(dāng)前，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速。在節(jié)目?jī)?nèi)容生產(chǎn)、播出內(nèi)容分發(fā)領(lǐng)域引入人工智能算法，將會(huì)有更多的應(yīng)用落地。