江苏广电总台受众测试系统设计与应用
2018-09-12宋硕张小邨江苏省广播电视总台
宋硕 张小邨 江苏省广播电视总台
1.概述
受众研究是大众传播研究的一个重要领域，在发达国家电视产业中早已得到广泛的普及和认同，目前最具代表性的是CBS的观众测评实验室，每年进行几万人的节目测试，通过三十年的跟踪记录表明，节目测试的准确度相当高。因此，美国几乎每一个电视网的节目在播出前都进行测试，把观众测试当做排除风险的必经之道。随着受众分析理念的日渐普及，国内越来越多的广电媒体开始意识到受众分析的价值和意义。在先期进行的调研活动中，视、音频节目的受众播前测试，让总台真切感受到了这一手段的科学有效，而众多的良好反馈和越来越多的测试需求，体现出生产一线对于近距离聆听受众声音的期待和热情，这也坚定了总台加速建设自有受众实验室项目的信心和决心。江苏广电总台受众测试实验室的建设是总台在高标准建设一流媒体集团进程中非常重要的举措和重大决定，目的就是使受众研究能够真正步入到合理规范的轨道上来，通过受众研究让内容生产更加规范和科学化。
2.整体设计
2.1 功能需求
总台受众测试室设计根据功能需求分为三个功能区域，分别为测试室、焦点室以及观察室。
测试室：测试的主要场地主要承担视听功能，能够实现超过40个测试终端现场观看视频并借助专业的拨盘设备进行节目测试。为实现这一目的，测试室需要搭建视音频播放系统，实现高清、标清节目的播放，以及音频节目的播放，声音效果需具备立体声，单声道、多声道等多格式声音播放能力；能够实现优质便捷的视音频信号调度、控制功能；为保证观看效果，除测试室前方设计大屏幕进行视频展示外，所有终端需要能够实现节目同步播出，并实现测试数据的上传及收集。此外，大屏幕还需兼备会议的功能，能满足大屏播放PPT演示和视频播放等需求,需配备无线麦克风。
为保证配套的问卷调查，测试室内的每个测试终端需要配置电脑并连接至服务器，配备耳机等必要配件。
焦点室：主要承担视听测试结束后的深入座谈功能，要求能满足小型会议的功能，可实现主流视音频节目文件的播放，以及视频配套的立体声，单声道等多格式声音播放能力；能满足大屏播放PPT演示的需求。同时可以连接无线网络，以实现可能发生的配套测试。
观察室：制作团队设置单面镜与测试室及焦点室隔离，制作团队可以在观察室内，通过单面镜“隐身”观看全过程，近距离聆听受众意见。同时观察室作为受众测试实验室控制中心，提供视音频播放系统控制、测试信息收集能力。
2.2 架构选型
视频分发系统是受众测试实验室的核心系统，一般采用视音频传输矩阵加播放终端的传统架构，江苏广电总台受众测试实验室在建设初期也计划采用该架构。项目建设过程中，项目组发现采用传统架构存在几个较大的缺陷：
（1）搭建成本高，扩展能力差
传统硬件视音频分发系统由视音频矩阵为核心搭建，测试站点数量受限于矩阵多路输出的能力，专业的多路矩阵设备价格昂贵，硬件扩展能力有限，且随着电视节目向4K化、HDR化发展，矩阵设备还可能需要更新换代，系统整体搭建成本、扩建成本及改造成本都很高昂。
（2）终端体验较差
传统硬件视音频分发系统很难做到单显示器同时满足视频播放和问卷答题显示需求，导致受测人员需在多个显示终端之间切换，增加了操作的复杂度。鉴于电视受众受测人员组成中不熟悉电脑及专业设备操作的人员数量占比较大，复杂的操作会直接影响受测人心情，导致测试效果出现偏差。
针对以上问题，设计团队摒弃了传统的硬件分发系统，大胆尝试采用以IT技术架构为基础，组播与远程控制技术为核心的网络化软件视音频分发系统。
3.系统架构
整个测试系统由视音频分发系统、问卷调查系统及反馈信息采集系统组成。其中视音频分发系统负责将测试节目在所有大屏、测试终端及现场音响系统中进行同步播放；反馈信息采集系统负责通过测试终端的拨盘设备实时收集节目播放过程中受众的反馈；问卷调查系统负责每次测试的播前播后调查问卷。系统结构示意图见图1。
播放系统采用两块大屏作为主要播放设备，大屏支持4K分辨率及HDR，测试室配备5.1环绕立体声音响系统，能够充分满足电视节目制作发展的趋势和要求。测试终端采用单台PC，在访问播放控制服务器获取播放资源的同时，可访问问卷服务器获取问卷调查材料，测试过程中系统会自动切换视频播放界面和问卷调查界面，降低受测人员操作复杂度。受测人员观看过程中的喜爱程度由每个终端的拨盘设备收集后，传递至拨盘服务器。系统配置有线、无线双网络，有线网络利用高稳定性和低干扰优势，主要传输视音频信息；无线网络使用便利，设计用于接入拨盘设备及其他便携设备，实现系统功能扩展。由于采用IT架构+PC终端，系统简单增加站点数量即可扩大测试规模，扩展成本很低，同时终端功能延伸也很便利，将来可以配置摄像头、眼动仪等外部设备，将受测人员表情、眼神等信息纳入采集范围，进一步提升信息收集的渠道。
因为是全新架构的系统，搭建及测试过程中，团队遇到了大量难题，比如网络抖动导致测试终端视频播放不同步、组播协议不兼容视音频需要转码导致节目质量下降、受测人员不熟悉电脑操作导致测试失败等，为此，技术团队进行了大量的技术创新。
3.1 改进的数据组播技术
图1 系统结构示意图
改进的数据组播增强报文发送效率，控制网络流量，减少服务器和CPU负载；优化网络性能，消除流量冗余；适应分布式应用，当接收者数量发生变化时，网络流量的波动很平稳；使得单节点服务器支持最高96路视频PC终端同时在线情况下的1K、2K、4K高清视频同步播放，进一步降低了系统扩展成本。
3.2 改进的控制单播技术
改进的控制单播是指服务器和客户端之间“一对一”的通讯模式，网络交换机对数据只进行转发不进行复制，由于其能够针对每个客户及时响应，并且控制信息包非常小，所以单播协议发挥了及时控制和反馈的效果。交换机根据其目标地址选择传输路径，将单播数据传送到其指定的目的地。改进的控制单播增强了控制信息的及时、准确送达，排除了客户端集群之间控制信号的相互影响，使得各个终端之间的视频、音频同步在0.1s内。
3.3 改进的RTP可靠传输控制技术
视频分发系统在UDP上运行实时传输协议（RTP）以便使用其多路结点和校验服务，这两种协议都提供了传输层协议的功能。RTP可以与其它适合的底层网络或传输协议一起使用，如果底层网络提供组播方式，那么 RTP 可以使用该组播表传输数据到多个目的地。RTP 本身并没有提供按时发送机制或其它服务质量（QoS）保证，它依赖于底层服务去实现这一过程。 RTP 并不保证传送或防止无序传送，也不确定底层网络的可靠性。 RTP 实行有序传送， RTP 中的序列号允许接收方重组发送方的包序列，同时序列号也能用于决定适当的包位置。如果多媒体数据的分发过程中出现对包的现象，视频分发客户端会根据包的索引号判断出来，并且再次去视频分发服务器请求丢失的数据包，这样就避免了丢包导致的卡顿和花屏现象，更增强了客户端之间的同步效果。
3.4 改进的多功能复合编码/解码引擎
多功能复合编码/解码引擎使得视频分发系统支持多种协议，比如ITU-T H.323、ITU-T H.225、ITU-T H.235、ITU-T H.245、ITU-T H.263、ITU-T H.264、MPEG4、ITU-T T.120、RFC1889/1890、RFC2453/3261/3263/3550、ITU-T G.711、ITU-T G.729等协议，支持总台的各种多媒体文件格式，避免了各种格式之间相互转换带来的视音频质量下降。
3.5 RPC技术
RPC（Remote Procedure Call）远程过程调用，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。RPC采用客户机/服务器模式，请求程序安装在播放控制服务器上，而服务提供程序安装在每一个测试终端。测试进行时，由播放控制服务器对每一个终端的显示界面、播放情况、同步情况进行自动化控制及监测，极大避免了人员误操作等原因造成的测试失败。
3.6 视音频同步系统设计
在网络上传输多媒体数据时，由于终端对数据的处理方式以及网络中的延时、抖动，会引起视音频流的不同步。为解决这个难题，系统采用动态缓冲技术，以更为敏感的音频流为基准，对视音频进行同步处理，并且根据不同的网络状况实时调节缓冲区的大小，在实时性和流畅性之间保持平衡。
（1）在网络畅通时，网络传输时延基本恒定，抖动很小，发送端和接收端的视音频帧间间隔基本保持一致，媒体数据基本没有丢失。此时主要利用RTP包头的时间戳来解决终端同步问题。在发送端，针对音频的不同采样速率和视频的不同帧率动态控制时间戳的递增速率 。接收端接收到音频帧时，首先对其解码，并存入动态的循环缓冲区中，循环缓存块节点数比预计最长抖动时间要大。开始启动播放音频前，首先把缓冲区充满，然后定时提取音频帧播放，并记录当前播放的时间戳。视频帧到达时，接收端对其解码后，将解码数据存入循环缓冲区。
图2 .1 接收音频流示意图
图2 .2 接收视频流示意图
为了避免高速视频画面出现的块效应，本系统采用事件驱动的方式来播放视频流。当缓冲区接收到一个视频数据包时，把该帧的时间戳TV与当前待播放的音频数据的时间戳TA进行比较。经过测试，120ms是一个较为合适的视音频帧不同步门限值。对一帧视频数据的处理结果分为以下三种：若TA-120ms
（2）当网络环境较差时，视音频流不能按原定的传输速率传送，否则会出现数据包丢失严重的情况，这时需要采用RTCP来进行反馈控制。即利用RTCP的发送报告SR和接收报告RR包监测QOS。接收端将RR包发送给源端，该报告包含用来估算分组丢失和分组延迟抖动等必要信息。源端根据这些信息控制媒体数据的发送量，及时有效地解决同步问题。根据评估RR包的参数，得到长时指标丢包率和短时指标间隔抖动。当丢包率和抖动达到一定阈值时，音频方面选择不同的AMR-WB传输速率，来降低音频传输码率，提高传输效率和系统容量，为视频传输减少带宽负担。
视频方面，根据不同值调整视频数据的发送量，即在发送端对视频的质量和连续性能进行平衡，选择性丢帧：当丢包率和抖动很高，即信道速率很低时，通过降低视频帧率，使每一帧能够具有较好的质量，使用户在较低的速率条件下，仍然可以得到较好的图像质量；当丢包率和抖动保持在中等水平，即信道速率中速时，在保持一定的视频质量条件下，增强视频的连续性；当丢包率和抖动回到较好的水平，即信道速率较高时，继续提高视频质量达到优秀程度后，提高视频帧率达到更好的视频质量。
3.7 丢包补偿智能控制技术。
为了满足受众测试系统音视频传输的实时性要求， UDP协议可快速一次性地传输数据。但是它只保证数据包的传输满足实时性，并不保证所有数据包都能有序并且全部到达接收端，可能会出现因为网络问题而造成数据包丢失的状况，当丢包达到一定程度时，同样会影响音视频的播放以及同步。系统采用了交织技术和插值技术进行丢包恢复和丢包隐藏，进一步提升了音视频同步质量和用户的感受。
4. 测试流程
根据系统特性及功能，江苏广电总台设计的测试流程如图3所示。
图3 测试流程示意图
图4 问卷欢迎界面
图5 问卷填写界面
图6 节目反馈信息示例
测试开始前，工作人员设计本次测试内容并将相关的问卷录入系统。受测人员入场后，由主持人介绍测试步骤和操作方法，随后受测人员进入问卷系统接受播前问卷调查，完成后观看测试节目并进行拨盘反馈，最后填写播后问卷，部分受邀人员进入焦点室进行深入访谈，最终工作人员将所有的反馈信息进行分析后提供给节目部门，供节目部门参考。
测试实验室建成后，江苏卫视所有的节目均进行了播前用户测试，大量的节目进行了针对性的修改，有的节目甚至彻底重新制作，大大提升了所推出节目的质量和评价。
5. 结束语
受众测试实验室能够充分结合线上、线下调研手段，将受众研究融入播前、播中各个环节，在舆情分析、新闻调查、研发制作、影视剧生产与采购等多个领域发挥作用。未来，还可以针对内容质量进行调研，形成受众评价指数等指标，与收视/听率、点播率等评价数据形成互补，让评价考核体系更加完善。江苏广电总台受众测试实验室的建成，必将帮助总台提升节目质量，不断制作出更多更好更贴近受众的优秀节目。
