广州高清互动电视平台远程码流监控系统浅析

徐力恒，谭 鑫

（广州珠江数码集团有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

从数字电视到现在广电运营商为迎接三网融合而大力推广的高清互动电视，视频监控系统及码流监控系统已成为前端必不可少的一部分。但传统的视频监控系统及码流监控系统必须通过监控墙进行视频图像的展示，并由人工24 h值班，通过巡检及报警音、灯等外部提示手段来进行监控。随着三网融合的脚步越来越近，不少广电运营商开始同时新建和维护多个前端，维护人员的不足成为保障新建前端安全播出的瓶颈。面对这个问题，广州高清互动电视前端搭建了一套针对前端直播信号的无人值守远程码流（包含视频）监控系统，尝试通过技术手段减轻人工值班的压力。

1 无人值守远程码流、视频监控系统组成

广州高清互动电视前端的无人值守远程码流、视频监控系统为典型的C/S架构，由视频码流分析服务器、管理服务器和多屏软件终端组成，只需要通过二者就可以协调完成前端多点的无人值守的视频、码流监控任务（如图1所示）。

1.1 码流分析服务器

码流分析服务器是整个系统的核心，下面具体介绍其主要功能。

1）实现总前端、分前端多个节点的视音频数据采集。方案中码流分析服务器采用的是纯软件平台，除了服务器外，没有任何硬件支持，只需通过多个千兆网卡即可实现多路码流实时解码及实时监测诊断。因为广州高清互动电视前端采用的是纯IP传输方案，因此码流监控的范围可以一直推进到接入网设备（CMTS）。

2）对采集得到的数据进行监测。系统的监测模块提供了从IP层、系统层到视频编码层（一致性）、音频编码层、数据层的深入全面分析诊断功能，同时也具备对图像声音层面的黑场、静帧、静音、爆音等监测，确保了各种数字压缩、发射和接收等各个环节上的各种压缩格式中的视音频信号与数据的正确性、完整性和安全性。

3）具备记录功能。码流监测服务器会在分析过程中自动捕捉全部被监测信号的系统层、视频层和音频层中出现的错误，并提供下列功能：记录哪一路信号出错，系统支持所有码流出错自动记录；可以选择出现什么样的错误时进行纪录；可以设置对一个数据源最大的捕捉时长；提供全程码流记录功能，可以一路或多路信号全程记录。

4）提供多点信号比对功能。一台码流监测服务器可以通过不同网卡同时接入来自多个点的监测信号。然后通过逻辑绑定，将多点的信号监测结果进行对比。此处的对比并不单只是同一种信号类型的相互对比，而是包含同一套节目在对传输过程中的多种传输、编码环节处理后的信号的对比。例如，在对中央一套高清频道的监控中，监控了多达4个传输点的信号，包括信号源的MPEG-2信号，H.264编码后信号，直播推流服务器处理后的RTP传输流信号及分前端接收的传输流信号，分别使用了包括TR101 290[1]，H.264 HRD，MD和视音频一致性测试等检测方式。任何一个监测点出现报错，整个逻辑链路各个点的检测参数都可一目了然地获得，同时可以调出远程视频回传，检查实际影响情况。故当出现故障时，可以非常快捷地通过比较发现故障位置。

5）具备强大的多画面编码功能。之所以能实现无人值守，是因为码流监控服务器本身具备十分强大的多画面编码功能。该服务器可以将监测的数十乃至上百路高标清信号通过系统内嵌的多画面编码软件编码成一路低码率（100 kbit/s～4 Mbit/s）码流，工程师所持的客户端（PC或移动终端）只要能够连上互联网，则可通过VPN接收此码流，并随意监控其中一路或通过多画面滚屏方式进行总前端、分前端的视音频信号监控，配合管理服务器，实现了真正意义的远程监管。

6）离线码流深度分析功能。码流监控服务器可以同时进行离线码流文件深度分析，对因出错而被记录下来的码流进行定量分析，使工程师可以快速直观地得到关于该错误码流的更加详细、清晰的信息，使系统在通过监测站进行定性监测的基础上，增加了定性分析功能。

1.2 管理服务器

管理服务器的功能顾名思义，就是对多台码流监测服务器进行管理，并将所有的报警信息、报表进行整合，通过短信、邮件等手段通知工程师前端码流的异常情况。其主要功能包括：

1）提供了完整的信息纪录保存手段，为客户提供可分析数据。提供的分析数据包括每个数据源在系统层、视频层和音频层的测试结果概要，每个错误或报警的详细报告，以及过去12个月内的错误或警告历史。

2）对多台码流监测服务器进行集中式监控及管理，可监控各台服务器的运行情况和资源使用情况，并设置包括IP、分级报警设置等功能。

3）为实现无人值守的目的，系统支持语音、标识、E-mail、短信、日志、等多种报警方式。其中，多画面报警功能通过各个终端屏幕，包括电脑、监视器、移动终端等对视音频信号丢失、黑场、静帧标识报警提示。系统还可通过E-mail、短信系统将各类报警分级别、分类型分别通知各个环节的运维人员和主管部门领导。

1.3 用户终端

本系统中最大的特色就是用户终端和前端服务器的紧密结合。在本系统中，用户终端并非简单通过网页或其他形式进行监测服务器软件的设置和报警信息浏览，而是可以通过软件直接观看远程回传的多画面视音频码流，并可随时切换至码流的任意一路，进行视音频的检查。这意味着工程师不再需要依赖机房，无论手机、笔记本式计算机，还是家中的台式计算机，只要能够接入互联网，即可就地进行全网的实时信号监控检查，结合现阶段所有的前端系统皆可以进行远程管理。因此，工程师可以随时随地地对前端进行监控和故障排查，而无须依仗机房人员24 h监控待命。同时，技术人员也会通过手机、邮件等方式得到前端的通知。

2 系统中采用的关键技术

2.1 多画面软件编码技术

监测服务器可以根据维护人员的编排，将任何一点的多路信号通过H.264编码编为一路N×M的画面，同时在软件中将该路画面分割出虚拟屏，维护人员可以点击虚拟屏单独选择任何一路信号，监测服务器停止多画面编码，而转为单路信号H.264压缩后，传到用户终端屏幕中。

2.2 视频分析监测技术

在视频监测中，本系统采用的是业界在前端监控中甚少采用的一致性监测方法，该方法根据国际编码标准检测语义规则和数据的完整性。可以说，此系统在图像质量监控上已具备专业编码质量分析能力。

首先在物理层，通过自定义延时，视频层分析器可以对黑帧（Black Frame）、灰帧（Gray Frame）和静帧进行监测[1]。

其次，软件针对前端使用的H.264视频流[2]，采用了虚拟参考解码器（Hypothetical Reference Decoder，HRD）参数检测，进行带平稳刷新快速的帧/场精确随机查找，可得到详细的解码后图像缓冲期信息，并可得到根据显示或编码顺序排列的流图像分布图，还可快速选定一个特定的图像并显示其属性信息。

在报头信息的监测中，包括序列参数组、序列参数组扩展、图像参数组、补充提高信息和片报头信息都是检测目标。

同时，视频编码过程中的宏块信息和块信息也是系统监测的对象，包括宏块信息中的参考索引、运动矢量、编码后数据块样式、运动矢量的模式、量化和参残差数据的详细编码大小、宏块类型的可视化图标、块信息中的变换和量化后的系数、反量化和反变换后的系数、块内/块间预测结构（参考数据）、参考数据和残差数据和等[2]。

此外，系统还可以实时图像形式计算PSNR和SSIM、流数据和图像数据统计等，此处不再一一介绍。

2.3 音频层检测

音频层的检测主要包括基本的音频流信息检测，包括音频类型、音频码率、采样码率、声道模式、音频波形检视窗口等。针对运营商所关注的静音、爆音监测，系统采用的是带爆音指示的快速PPM检测，可侦测毫秒级的爆音和自定义的静音监测[3]。

2.4 传输流检测

传输流的检测依旧针对的是传输流层的ESTI TR 101 290[1]测试，具体分为3个优先级。

第1优先级别包括TS同步丢失，同步字节错误，PAT错误，连续计数错误，PMT错误和PID错误。

第2优先级别包括传输错误，CRC错误，PCR重复错误，PCR不连续指示误差，PCR准确度错误，PTS错误和CAT错误。

第3优先级别包括NIT真实错误，NIT其他错误，PID关联错误，SDT实际错误，SDT其他错误，EIT实际错误，EIT其他错误，EIT PF错误，RST错误和TDT错误。

2.5 IP层监测

因为本系统涉及到分前端的监控，而分前端和总前端之间跨越了多个网络设备，因此网络层的监测也是必不可少的一部分。系统主要针对广州高清互动平台使用的RTP及IPTV中的MDI进行监控[4]。包括带宽监测、SAP/SDP分析、RTP顺序误差、RTP LDE（Lost Distance Error）、RTP LPE（Lost Period Error）、MDI DF、MDI MLR等。

3 小结

现在各级广电的新建前端都在逐步向IP化、远程可管理化的方向发展，以尽量降低技术维护人员的人力成本，但保障安全播出仍是各前端的首要职责，如何能在两者之间寻找平衡，广州高清互动电视平台所建立的无人值守的远程码流监控系统就是在朝着这个方向前进。技术监控、远程监控等手段，将成为人工值班监控的有力辅助和补充。

[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.