智慧广电背景下融媒体播视系统设计

谢兵旺

（北京冠华信达科技股份有限公司，北京 100160）

智慧广电作为一种新兴的媒体传播形式，是信息化、数字化和网络化的产物[1]。在智慧广电背景下，融媒体播视系统成为了广播电视服务的核心[2]。融媒体播视系统是一种将多种媒体形式整合起来的播放系统，它可以同时播放视频、音频、图片等多种媒体形式，实现了对多种媒体资源的有效利用[3]。然而，现有的融媒体播视系统设计还存在一些问题，主要表现在以下几个方面：系统性能有待提高、资源分配不合理、用户体验不佳、维护成本较高[4]。针对这些问题，本文提出了一种新型的智慧广电背景下的融媒体播视系统设计方案。通过设计一种适用于智慧广电的融媒体播视系统架构，实现信号源获取与处理，再对信号传输与终端显示进行优化，最终通过测试实验验证了以上系统设计的可行性。

1 系统框架设计

随着科技的进步，融媒体播视系统逐渐从传统的模拟技术向数字化、网络化、高清化方向发展[5]。本文对融媒体播视系统的框架设计主要包括信号源获取、信号处理、信号传输与终端显示三个方面，如图1所示。

图1 融媒体播视系统框架图

信号采集器主要对HDMI、SDI、DVI、光纤等各种渠道输入的信号进行采集，并对采集后的信号进行编码压缩，同时检测信号质量，初步处理后的信号由信号源处理服务器进行信号质量优化、格式转换、码率调整、分辨率缩放等信号调整，调整完成的信号经过调度后传输至终端进行展示。

2 系统设计步骤与实现

2.1 信号源获取

在智慧广电背景下，融媒体播视系统需要实现不同信号源的高效获取和集成[6]。在信号源获取模块设计中，本次设计使用Magewell Pro Capture信号采集卡作为信号源采集器，其支持HDMI、SDI、DVI、光纤等各种信号源的输入，其用于对信号源进行采集、编码和压缩，生成适用于IPTV网络传输的码流。信号通过信号源采集器输入后，经H.264编解码算法进行初步编码和压缩，减少信号传输压力，然后使用SSIM算法检测信号质量，评估处理后的信号源与原始信号源之间的相似性，其算法公式为

式中，x和y分别表示原始信号源和处理后的信号源；μx和μy分别表示信号源的均值；σx和σy分别表示信号源的方差；σxy表示信号源的协方差；C1和C2是常数，用于避免分母为零的情况。SSIM值越接近1，表示信号质量越高。经过信号采集器获取的信号再由信号源处理器进行处理保存。

2.2 信号源处理

经信号源采集器输入的信号由信号源处理服务器进行二次信号处理，本文采用搭载了Intel Xeon Scalable处理器的DeLL PowerEdge R7402U机架式服务器作为信号源处理服务器，信号源处理包括以下四个方面：信号质量优化、格式转换、码率调整以及分辨率缩放。信号质量优化属于可用信号源初步处理的阶段，其目的是通过降噪、去模糊等算法，提高信号源的质量。本方案设计在信号降噪方面采用BM3D降噪算法，通过块匹配和3D滤波相结合的方式实现高效的图像去噪处理。采用此算法需将噪声图像划分为固定大小的非重叠块，然后对每个块寻找与其相似的块，用SAD衡量两个块的相似度。对于两个块X和Y，SAD的确认计算公式为

式中，i和j分别表示块内的行和列索引。将每个组中的相似块堆叠起来形成一个三维数组，对该数组应用3D变换，对于一个空间域中的三维数组F(x,y,z)，其3D变换表示为

式中，C(u),C(v)和C(w)是归一化因子；N是块的大小；x、y和z分别表示三维数组中的行、列和深度索引；u、v和w表示变换域中的行、列和深度索引。对变换后的数组执行硬阈值处理以去除噪声成分，并应用3D逆变换恢复空间域。在信号去模糊方面使用Wiener滤波去模糊算法，消除信号源中的模糊效果。Wiener滤波的算法公式为

式中，H(w)表示Wiener滤波器的频率响应；Px(w)表示信号的功率谱密度；Pn(w)表示噪声的功率谱密度。信号经过降噪和去模糊等处理后需进行格式转换，其目的是根据客户端需求将信号源转换成适用于不同客户端的格式。在信号分辨率缩放上，使用双三次插值缩放算法对信号源进行分辨率缩放，以适应不同客户端的显示需求。双三次插值算法公式为

式中，f(x,y)表示目标分辨率图像的像素值；a{ij}表示源图像的像素值；h(x)为三次插值函数。经过信号源处理服务器处理完成的信号再由信号源调度系统存储到数据库中并进行调度分发，信号源调度系统需要高性能的网络设备，以确保信号源的高效传输和分发，因此本方案采用HPE Aruba 2930M Series交换机以及HPE MSR3000 Series路由器作为网络传输设备，在网络协议中加入基于HTTP的自适应流，确保客户端能够根据网络状况自动选择最佳码率。信号源调度系统使用权重轮询算法，根据信号源的优先级、客户端需求等因素进行调度。权重轮询算法的计算公式为

式中，index表示当前选择的信号源序号；N表示信号源总数；gcd表示计算列表中所有权重的最大公约数，index和N的定义与轮询算法相同。至此完成处理的信号将传输至终端显示。

2.3 信号传输与终端显示

本设计方案的主要目标是实现多种信号源的高效传输和高质量终端显示。主要包括以下四个部分：信号源封装、信号源传输、客户端接收以及终端显示。本设计信号传输与终端显示流程如图2所示。

图2 信号传输与终端显示流程图

将经过前面步骤编码处理后的信号源与相关的元数据一起进行封装，封装格式包括MP4、MKV、TS、FLV，以此生成适用于网络传输的数据包。之后使用HLS自适应流技术根据客户端的网络状况和设备性能动态调整传输速率和质量。信号源封装好的数据通过网络或广播方式发送给终端设备，在信号源传输上采用RTMP传输协议，将信号源切片成多个片段并为每个片段生成多个不同码率和质量的副本，之后创建索引文件中各个副本的信息，方便客户端根据网络状况和设备性能选择合适的副本进行播放。终端设备接收到发送过来的信号数据后，需要对数据进行缓冲和解析，这个过程包括提取元数据、恢复音视频同步信息。设计中客户端使用缓冲算法来平衡播放延迟和播放质量，采用的缓冲算法公式如下：

式中，B(t)表示当前时刻的缓冲大小；R(t)表示当前时刻接收到的信号源数据量；P(t)表示当前时刻播放的信号源数据量；α是一个权重系数，取值范围为0到1，用于平衡过去的缓冲大小和当前时刻的数据量变化。提取元数据的具体步骤取决于所使用的封装格式，客户端首先分析信号的结构，确定元数据的存储位置。音频渲染完成后，音视频信号会分别输出到显示设备和音响设备。最终将处理完成的音频和视频信号传输至客户端呈现。

3 实验与验证

3.1 实验环境

在Windows Server 2019 Datacenter设备下进行融媒体播视系统测试实验，在设备中安装自主研发的融媒体播视系统，支持实时视频处理、音视频同步、元数据生成和动态场景生成等功能。实验参数设置如下：视频分辨率为1080 P、4 K；视频码率为4 Mbps、8 Mbps；并发用户数为50、100。本次实验目的是通过对不同并发用户数、视频分辨率、视频码率的变化进行实验，评估融媒体播视系统的性能。

3.2 实验结果

通过对不同并发用户数、视频分辨率、视频码率的变化进行实验，实验结果如表1所示。

表1 测试实验结果表

由表1中数据可知，在相同并发用户数和视频分辨率下，随着视频码率增长系统的平均响应时间变化增长最多为50 ms，在相同并发用户数和相同视频码率下，随着视频分辨率提高，系统吐量变化增长稳定在10 Mbps；在相同视频分辨率和视频码率下，随着并发用户数增加，系统平均响应时间变化增长最多为30 ms，系统吐量变化增长最多为30 Mbps。不同条件下变化幅度均在可接受范围内，证明系统可以适应各种分辨率和码率的播视需求。通过对比各个参数组合下的实验结果可以发现，在并发用户数为100、视频分辨率为1080 p、视频码率为4 Mbps的情况下，融媒体播视系统的性能表现最佳。

4 结束语

本文提出了一种基于智慧广电背景的融媒体播视系统设计方案，包括系统架构设计、信号源获取与处理、信号传输与终端显示等多个方面。通过对该方案的实现和实验验证，得到了以下结论：该方案实现了对多种媒体信号的有效整合，可提升媒体资源的处理速度，提高广播电视服务的管理和运营效率。智慧广电背景下的融媒体播视系统是广播电视服务的重要发展方向，本文提出的系统设计方案为该方向的研究和实践提供了一定的参考和借鉴，但在实际应用中还需要进一步研究和探索。■