电视台播出信号监测趋势探讨

周 平

（云南省广播电视局安全播出监测中心，云南 昆明 650031）

1 当前电视播出系统信号监测方式

在传统电视播出机房，电视屏幕墙是日常信号监看的主要手段。各频道主、备、第三备、垫片及多路外来信号等都通过多画面拼接器进行上屏监看，各路信号视频、音频的播出情况可以非常直观地展示出来。经过多年发展，后台的自动播出系统能够较为完善地自动控制视频服务器、切换台、矩阵及键控器等多种专业视音频设备，播出自动化运行状态下通常不需要人工干预。播出监控系统通常采用分布式架构，后台自动收集播出系统内核心硬件设备、环境、软件、业务流程的运行状态信息，发现异常后能够及时通过前端软件进行告警。在监测所有的信号播出状态、自动播出控制软件运行状态、播出监控报警的过程中，需要值班人员保持精神集中，否则容易出现疏漏。然而，值班人员还要对总控/演播室的信号任务、总编室节目单交接以及字幕播出单负责，因此，当前监测方式高度依赖值班人员，要求值班人员在工作期间全程保持专注的状态。

由此可见，当前架构下，电视播出值班岗位承担着较大的安全播出压力。随着电视播出IT 化、IP 化转型，又将为值班人员带来新的工作内容。IP 化系统的信号质量与数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）架构截然不同，仅仅依赖电视墙信号，不能够做到全面的掌控，主要有以下几个方面的原因。

（1）SDI 信号传输链路是固定的点到点的模式，两端连接好就可以实现信号的传递，源—目的模式比较简洁，无外部依赖条件，非常容易排查出信号故障原因。

（2）IP 信号基于数据包交换网络，信号的传输可以基于多个传输链路。每个链路是复用的，且链路上传输的信号可以是不同格式。

（3）IP 信号以交换机为核心，遵从SMPTE ST2110 标准的视音频信号采用多路组播流来承载，整个网络高度依赖精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）时钟同步[1]。

从SDI 架构转换到IP 架构，一方面，维护人员对于系统使用和维护所需的知识、经验都需要更新；另一方面，IP 化网络比基于SDI 构建的系统有更多需要关注的环节。IP化系统不再是简单的连线，除了物理层的网络连接，还有一层逻辑路由信号传输链路需要时刻掌握。因此，IP 化、网络化下的电视频道播出信号监看，既要关注信号内容，也要关注信号数据包转发技术指标及PTP 时钟的锁定、同步情况[2]。原本传统SDI 构建的播出系统已经有很大的安全播出压力，IP 化后还要增加上述内容，大大提高了对值班人员的要求，也为播出安全带来了潜在风险。

2 对于信号监测方式的思考

当前，计算机技术发展迅速。计算机在图形图像处理、数据加工处理方面的性能越来越强大。通过服务器的计算能力分担值班人员的工作压力，是本文主要探讨的内容。主要从以下两个方面展开。

2.1 减轻对值班人员的高度依赖

电视频道播出系统通过专业视音频设备、服务器、前后台软件协同工作，完成播出过程。在硬盘播出系统上，视频节目大部分采用文件送播方式，经过视频服务器解码，输出SDI、IP 信号。为降低对播出值班人员的依赖，可以从以下几个方面进行优化和改进。

2.1.1 播出系统软件

（1）播出控制软件自动化。目前典型的播出系统结构是主播出控制软件控制主视频服务器，在主视频服务器异常后将控制权交给备播出控制软件。如考虑减少值班人员，需要进一步加强播出自动化，比如目前节目单加载、节目信号源分配均通过软件自动化解决。同时，播出控制软件自动对外提供接口，提供在线播出节目单和报警、二级事件、状态的自动发布与查询。

（2）播出软件运行监视自动化。通过播出控制软件接口，实现对各个频道的播出主、备控制软件进行信息收集。播出控制软件具备自动化的能力，配套的运行监视工具负责对播控自动化执行结果进行检查。运行监视工具功能包括主备在线播出节目单核对，在需要核对纸质节目单和在线节目单时，运行监视软件可以对纸质节目单进行快速、准确的信息采集，完成纸质单与在电子单的自动核验。

2.1.2 文件准备

节目播出文件准备，属于播出内容管理系统软件的范畴。节目播出文件要转换成实时的播出信号，节目文件内容质量与播出信号质量直接相关。节目内容的题材、剪辑制作效果、技术质量因素等都不相同，如一些视频画面长时间静止但是有音频不断播出的场景，电视剧片头过渡画面亮度很低的场景等。在经过自动技审与技术质量检测复核环节已确认过不是技术质量问题的视频片段，在播出过程中，如果有播出信号监测环节，就可能产生不必要的报警。因此，文件技审环节和实时信号检测环节对同一个节目相同的画面位置，应该具有信息联动。也就是说，上游流程确认过的内容，下游流程应尽量避免误报。

对此，在不同的检测环节，最好使用相同的检测算法，配置相同的检测阈值，否则在实际播出过程中可能出现报警时段漂移的情况。本着从源头发现异常的原则，通过对上游技审确认信息的集成，可以有效减少直播时的误报。

2.1.3 信号准备

播出信号的准备环节，能对播出外来信号进行分析和监测，包括信号是否提前调度就绪、信号内容有无异常、信号切换是否及时正确等。在SDI 和IP 不同技术架构下，播出外来信号状态的分析有所区别，主要在于从不同的设备获取信号状态，以及获取信号本身的采集方式不同。

SDI 架构下，播出外来信号是否进行预置、是否按准确的时间进行切换，这些信息可以通过播出切换台的交叉点状态获取。信号内容方面，可通过视频分配器进行SDI 信号采集，经过综合分析得出信号的内容质量有无问题、信号切换是否及时。

IP 架构下，如果采用以IP 播出切换台为中心的模式，信号切换状态的获取与SDI 架构下的获取方式相同。如果采用All in one 集成播控视频服务器的模式，则需要从视频服务器获取信号切换是否就绪的状态。如图1 所示。

图1 外来信号预置、切换状态分析示意图

由此，可以在控制层面、信号内容层面进行汇总综合分析。若出现问题，统一汇报到运行监视工具上，供值班人员再次确认。

2.1.4 末级信号输出

播出系统末级信号输出通常采用末级切换器2选1，3 选1，4 选1 切换开关，或者IP 化系统下的IP 媒体网关。目前，基于SDI 的信号检测和比对已经比较成熟，可以做到4 路或系统内多个信号采样点循环比对[3]，定义不同的算法来判断当前系统中正常播出的信号，并通过自动切换控制逻辑实现末级信号的智能倒换。在IP 化系统下，信号源来自交换机，可以采用控制IP 媒体网关的方式实现末级信号选择切换。末级信号比对切换是当前播出系统安全播出的关键技术手段。SDI 系统和IP 化系统的末级信号比对如图2 所示。

图2 末级信号比对示意图

在SDI 架构的播出系统中，播出值班员依赖末级比对监测进行自动应急保护，切换过程可以做到不用人工干预自动切换。播出值班员只需要对切换发生的原因进行分析，上报故障。

在IP 架构的播出系统中，除了信号比对自动切换功能，还需要对IP 信号源冗余流的情况、PTP 同步的情况进行综合分析，需要增加更多的检测计算环节。这个环节需要计算机自动化处理，为播出值班人员提供分析结果。

2.2 增加对信号质量的自动化监测

当前电视播出系统中，视音频文件多数采用50 Mb·s-1码率格式，播出环节无压缩信号[4]，但是在做分发时需要进行压缩处理，编码成AVS 或H.264、H.265 编码格式，降低了播出信号码率，属于有损压缩方式。这个过程必然会引起画面质量下降，而且在传输过程中可能存在多次编码。目前使用的编码格式并不支持多次迭代编码无损，这样，每经过一个编解码处理环节，就会降低视频画面质量。

电视频道播出面向多个平台和渠道进行播出信号内容分发，引入对信号质量的监测和监看能力，播出回传信号可展示在播出机房电视墙上。上文提到的末级信号比对，是对同一个频道内多个通路的末级信号进行比对分析，本章节提到的增加对信号质量的自动化监测，是对频道播出整个信号路由链路纵向的信号质量分析，如图3 所示。

图3 基于多点的信号质量监测评估示意图

纵向信号链路的信号质量分析可以采用峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）、结构相似性（Structural Similarity，SSIM）、延时测量、内容比对等多种技术分析手段。其中，峰值信噪比PSNR、结构相似性SSIM 可以对两路信号的视频画面内容进行量化的差值比对，比如，取自末级切换器和回传信号两两计算，就可以得到经过传输回传环节信号质量下降的情况。延时测量可以对末级到编码器输出、编码到回传之间的时间差等进行数据量化，可以作为评估编码器与传输系统运行状态的关键技术指标，通常应保持在某个数值内，如果波动突然变大则说明存在异常。内容比对是指比对回传信号与频道PGM 播出信号是否一致[5]，防止出现信号被篡改或回传异常情况。两个信号存在时间差，需要监测评估软件内部具有较大的视频缓存队列，且具有高效的视频同步查找算法，这是监测评估软件需要解决的问题。

3 结 语

通过对播出机房信号监看上下游关键业务环节的分析，本文主要讨论了如何减轻信号监测工作对值班人员的高度依赖，以及增加对信号质量的自动化监测环节，讨论了关键业务环节如播出系统控制软件、文件准备、信号准备、末级信号输出等可能的优化措施和方法，提出了从节目文件与信号源头抓起，在播出过程中及时管控，在末端设置信号保护自动化，提供纵向信号链路监测自动化多种方法，希望能够为电视播出系统的设计和升级改造提供新的思路。当前，人工智能技术发展迅速。在节目内容生产、播出内容分发领域引入人工智能算法，将会有更多的应用落地。