徐力恒，譚 鑫

（廣州珠江數(shù)碼集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

從數(shù)字電視到現(xiàn)在廣電運營商為迎接三網(wǎng)融合而大力推廣的高清互動電視，視頻監(jiān)控系統(tǒng)及碼流監(jiān)控系統(tǒng)已成為前端必不可少的一部分。但傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)及碼流監(jiān)控系統(tǒng)必須通過監(jiān)控墻進(jìn)行視頻圖像的展示，并由人工24 h值班，通過巡檢及報警音、燈等外部提示手段來進(jìn)行監(jiān)控。隨著三網(wǎng)融合的腳步越來越近，不少廣電運營商開始同時新建和維護(hù)多個前端，維護(hù)人員的不足成為保障新建前端安全播出的瓶頸。面對這個問題，廣州高清互動電視前端搭建了一套針對前端直播信號的無人值守遠(yuǎn)程碼流（包含視頻）監(jiān)控系統(tǒng)，嘗試通過技術(shù)手段減輕人工值班的壓力。

1 無人值守遠(yuǎn)程碼流、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

廣州高清互動電視前端的無人值守遠(yuǎn)程碼流、視頻監(jiān)控系統(tǒng)為典型的C/S架構(gòu)，由視頻碼流分析服務(wù)器、管理服務(wù)器和多屏軟件終端組成，只需要通過二者就可以協(xié)調(diào)完成前端多點的無人值守的視頻、碼流監(jiān)控任務(wù)（如圖1所示）。

1.1 碼流分析服務(wù)器

碼流分析服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心，下面具體介紹其主要功能。

1）實現(xiàn)總前端、分前端多個節(jié)點的視音頻數(shù)據(jù)采集。方案中碼流分析服務(wù)器采用的是純軟件平臺，除了服務(wù)器外，沒有任何硬件支持，只需通過多個千兆網(wǎng)卡即可實現(xiàn)多路碼流實時解碼及實時監(jiān)測診斷。因為廣州高清互動電視前端采用的是純IP傳輸方案，因此碼流監(jiān)控的范圍可以一直推進(jìn)到接入網(wǎng)設(shè)備（CMTS）。

2）對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)的監(jiān)測模塊提供了從IP層、系統(tǒng)層到視頻編碼層（一致性）、音頻編碼層、數(shù)據(jù)層的深入全面分析診斷功能，同時也具備對圖像聲音層面的黑場、靜幀、靜音、爆音等監(jiān)測，確保了各種數(shù)字壓縮、發(fā)射和接收等各個環(huán)節(jié)上的各種壓縮格式中的視音頻信號與數(shù)據(jù)的正確性、完整性和安全性。

3）具備記錄功能。碼流監(jiān)測服務(wù)器會在分析過程中自動捕捉全部被監(jiān)測信號的系統(tǒng)層、視頻層和音頻層中出現(xiàn)的錯誤，并提供下列功能：記錄哪一路信號出錯，系統(tǒng)支持所有碼流出錯自動記錄；可以選擇出現(xiàn)什么樣的錯誤時進(jìn)行紀(jì)錄；可以設(shè)置對一個數(shù)據(jù)源最大的捕捉時長；提供全程碼流記錄功能，可以一路或多路信號全程記錄。

4）提供多點信號比對功能。一臺碼流監(jiān)測服務(wù)器可以通過不同網(wǎng)卡同時接入來自多個點的監(jiān)測信號。然后通過邏輯綁定，將多點的信號監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。此處的對比并不單只是同一種信號類型的相互對比，而是包含同一套節(jié)目在對傳輸過程中的多種傳輸、編碼環(huán)節(jié)處理后的信號的對比。例如，在對中央一套高清頻道的監(jiān)控中，監(jiān)控了多達(dá)4個傳輸點的信號，包括信號源的MPEG-2信號，H.264編碼后信號，直播推流服務(wù)器處理后的RTP傳輸流信號及分前端接收的傳輸流信號，分別使用了包括TR101 290[1]，H.264 HRD，MD和視音頻一致性測試等檢測方式。任何一個監(jiān)測點出現(xiàn)報錯，整個邏輯鏈路各個點的檢測參數(shù)都可一目了然地獲得，同時可以調(diào)出遠(yuǎn)程視頻回傳，檢查實際影響情況。故當(dāng)出現(xiàn)故障時，可以非常快捷地通過比較發(fā)現(xiàn)故障位置。

5）具備強大的多畫面編碼功能。之所以能實現(xiàn)無人值守，是因為碼流監(jiān)控服務(wù)器本身具備十分強大的多畫面編碼功能。該服務(wù)器可以將監(jiān)測的數(shù)十乃至上百路高標(biāo)清信號通過系統(tǒng)內(nèi)嵌的多畫面編碼軟件編碼成一路低碼率（100 kbit/s～4 Mbit/s）碼流，工程師所持的客戶端（PC或移動終端）只要能夠連上互聯(lián)網(wǎng)，則可通過VPN接收此碼流，并隨意監(jiān)控其中一路或通過多畫面滾屏方式進(jìn)行總前端、分前端的視音頻信號監(jiān)控，配合管理服務(wù)器，實現(xiàn)了真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)管。

6）離線碼流深度分析功能。碼流監(jiān)控服務(wù)器可以同時進(jìn)行離線碼流文件深度分析，對因出錯而被記錄下來的碼流進(jìn)行定量分析，使工程師可以快速直觀地得到關(guān)于該錯誤碼流的更加詳細(xì)、清晰的信息，使系統(tǒng)在通過監(jiān)測站進(jìn)行定性監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加了定性分析功能。

1.2 管理服務(wù)器

管理服務(wù)器的功能顧名思義，就是對多臺碼流監(jiān)測服務(wù)器進(jìn)行管理，并將所有的報警信息、報表進(jìn)行整合，通過短信、郵件等手段通知工程師前端碼流的異常情況。其主要功能包括：

1）提供了完整的信息紀(jì)錄保存手段，為客戶提供可分析數(shù)據(jù)。提供的分析數(shù)據(jù)包括每個數(shù)據(jù)源在系統(tǒng)層、視頻層和音頻層的測試結(jié)果概要，每個錯誤或報警的詳細(xì)報告，以及過去12個月內(nèi)的錯誤或警告歷史。

2）對多臺碼流監(jiān)測服務(wù)器進(jìn)行集中式監(jiān)控及管理，可監(jiān)控各臺服務(wù)器的運行情況和資源使用情況，并設(shè)置包括IP、分級報警設(shè)置等功能。

3）為實現(xiàn)無人值守的目的，系統(tǒng)支持語音、標(biāo)識、E-mail、短信、日志、等多種報警方式。其中，多畫面報警功能通過各個終端屏幕，包括電腦、監(jiān)視器、移動終端等對視音頻信號丟失、黑場、靜幀標(biāo)識報警提示。系統(tǒng)還可通過E-mail、短信系統(tǒng)將各類報警分級別、分類型分別通知各個環(huán)節(jié)的運維人員和主管部門領(lǐng)導(dǎo)。

1.3 用戶終端

本系統(tǒng)中最大的特色就是用戶終端和前端服務(wù)器的緊密結(jié)合。在本系統(tǒng)中，用戶終端并非簡單通過網(wǎng)頁或其他形式進(jìn)行監(jiān)測服務(wù)器軟件的設(shè)置和報警信息瀏覽，而是可以通過軟件直接觀看遠(yuǎn)程回傳的多畫面視音頻碼流，并可隨時切換至碼流的任意一路，進(jìn)行視音頻的檢查。這意味著工程師不再需要依賴機(jī)房，無論手機(jī)、筆記本式計算機(jī)，還是家中的臺式計算機(jī)，只要能夠接入互聯(lián)網(wǎng)，即可就地進(jìn)行全網(wǎng)的實時信號監(jiān)控檢查，結(jié)合現(xiàn)階段所有的前端系統(tǒng)皆可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。因此，工程師可以隨時隨地地對前端進(jìn)行監(jiān)控和故障排查，而無須依仗機(jī)房人員24 h監(jiān)控待命。同時，技術(shù)人員也會通過手機(jī)、郵件等方式得到前端的通知。

2 系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多畫面軟件編碼技術(shù)

監(jiān)測服務(wù)器可以根據(jù)維護(hù)人員的編排，將任何一點的多路信號通過H.264編碼編為一路N×M的畫面，同時在軟件中將該路畫面分割出虛擬屏，維護(hù)人員可以點擊虛擬屏單獨選擇任何一路信號，監(jiān)測服務(wù)器停止多畫面編碼，而轉(zhuǎn)為單路信號H.264壓縮后，傳到用戶終端屏幕中。

2.2 視頻分析監(jiān)測技術(shù)

在視頻監(jiān)測中，本系統(tǒng)采用的是業(yè)界在前端監(jiān)控中甚少采用的一致性監(jiān)測方法，該方法根據(jù)國際編碼標(biāo)準(zhǔn)檢測語義規(guī)則和數(shù)據(jù)的完整性?？梢哉f，此系統(tǒng)在圖像質(zhì)量監(jiān)控上已具備專業(yè)編碼質(zhì)量分析能力。

首先在物理層，通過自定義延時，視頻層分析器可以對黑幀（Black Frame）、灰?guī)℅ray Frame）和靜幀進(jìn)行監(jiān)測[1]。

其次，軟件針對前端使用的H.264視頻流[2]，采用了虛擬參考解碼器（Hypothetical Reference Decoder，HRD）參數(shù)檢測，進(jìn)行帶平穩(wěn)刷新快速的幀/場精確隨機(jī)查找，可得到詳細(xì)的解碼后圖像緩沖期信息，并可得到根據(jù)顯示或編碼順序排列的流圖像分布圖，還可快速選定一個特定的圖像并顯示其屬性信息。

在報頭信息的監(jiān)測中，包括序列參數(shù)組、序列參數(shù)組擴(kuò)展、圖像參數(shù)組、補充提高信息和片報頭信息都是檢測目標(biāo)。

同時，視頻編碼過程中的宏塊信息和塊信息也是系統(tǒng)監(jiān)測的對象，包括宏塊信息中的參考索引、運動矢量、編碼后數(shù)據(jù)塊樣式、運動矢量的模式、量化和參殘差數(shù)據(jù)的詳細(xì)編碼大小、宏塊類型的可視化圖標(biāo)、塊信息中的變換和量化后的系數(shù)、反量化和反變換后的系數(shù)、塊內(nèi)/塊間預(yù)測結(jié)構(gòu)（參考數(shù)據(jù)）、參考數(shù)據(jù)和殘差數(shù)據(jù)和等[2]。

此外，系統(tǒng)還可以實時圖像形式計算PSNR和SSIM、流數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，此處不再一一介紹。

2.3 音頻層檢測

音頻層的檢測主要包括基本的音頻流信息檢測，包括音頻類型、音頻碼率、采樣碼率、聲道模式、音頻波形檢視窗口等。針對運營商所關(guān)注的靜音、爆音監(jiān)測，系統(tǒng)采用的是帶爆音指示的快速PPM檢測，可偵測毫秒級的爆音和自定義的靜音監(jiān)測[3]。

2.4 傳輸流檢測

傳輸流的檢測依舊針對的是傳輸流層的ESTI TR 101 290[1]測試，具體分為3個優(yōu)先級。

第1優(yōu)先級別包括TS同步丟失，同步字節(jié)錯誤，PAT錯誤，連續(xù)計數(shù)錯誤，PMT錯誤和PID錯誤。

第2優(yōu)先級別包括傳輸錯誤，CRC錯誤，PCR重復(fù)錯誤，PCR不連續(xù)指示誤差，PCR準(zhǔn)確度錯誤，PTS錯誤和CAT錯誤。

第3優(yōu)先級別包括NIT真實錯誤，NIT其他錯誤，PID關(guān)聯(lián)錯誤，SDT實際錯誤，SDT其他錯誤，EIT實際錯誤，EIT其他錯誤，EIT PF錯誤，RST錯誤和TDT錯誤。

2.5 IP層監(jiān)測

因為本系統(tǒng)涉及到分前端的監(jiān)控，而分前端和總前端之間跨越了多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此網(wǎng)絡(luò)層的監(jiān)測也是必不可少的一部分。系統(tǒng)主要針對廣州高清互動平臺使用的RTP及IPTV中的MDI進(jìn)行監(jiān)控[4]。包括帶寬監(jiān)測、SAP/SDP分析、RTP順序誤差、RTP LDE（Lost Distance Error）、RTP LPE（Lost Period Error）、MDI DF、MDI MLR等。

3 小結(jié)

現(xiàn)在各級廣電的新建前端都在逐步向IP化、遠(yuǎn)程可管理化的方向發(fā)展，以盡量降低技術(shù)維護(hù)人員的人力成本，但保障安全播出仍是各前端的首要職責(zé)，如何能在兩者之間尋找平衡，廣州高清互動電視平臺所建立的無人值守的遠(yuǎn)程碼流監(jiān)控系統(tǒng)就是在朝著這個方向前進(jìn)。技術(shù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等手段，將成為人工值班監(jiān)控的有力輔助和補充。

[1]ETSI TR101 290，Digital Video Broadcasting（DVB）；measurement guidelines for DVB systems[S].2001.

[2]ITU-T H.264—2005,Series H:audiovisual and multimedia systems,infrastructure of audiovisual services——coding of moving video，advanced video coding for generic audiovisual services[S].2005.

[3]ISO/IEC 14496-3，Information technology——coding of audio-visual objects——part 3：audio[S].2001.

[4]RFC 4445 MDI，A proposed media delivery index[S].2006.