基于一致性比对的智能监测切换系统设计与应用

2023-12-29彭育新

中国传媒科技 2023年12期

彭育新

（广州市广播电视台，广东广州 510310）

导语

科技是根，创新是魂，安全播出重于泰山。随着科技的迅速发展和智能化技术的广泛应用，电视频道播出系统需要不断进行创新和升级，在这个过程中，智能化技术的引入已成为必然趋势。

广州市广播电视台作为改革开放前沿的中心城市台，为推进超高清电视产业发展，提高作为广州市主流媒体的公信力和影响力，提升广州的国际传播力，已于2020 年完成全国第一个城市4K 超高清频道广州广播电视台南国都市频道的建设工作，同时在播的高清频道共5 套，分别为广州综合频道、广州新闻频道、广州影视频道、广州法治频道和广州竞赛频道。

在电视频道播出系统的设计和运行中，安全播出是重中之重，其重要性高于一切，安全是第一目标和第一原则，作为广电核心系统之一的电视频道播出系统，首要追求就是系统的安全、稳定、可靠。[1]

1.设计背景和思路

1.1 设计背景

长期以来电视频道播出系统一直使用多画面分割器来进行信号监控报警，然而由于设备和业务之间的相互独立，导致误报率较高，也无法精细化地对各种视音频信号故障进行识别和判断，成为阻碍安全播出保障的主要难题。[2]广州市广播电视台南国都市4K 超高清频道与5 套高清频道为全天24 小时不间断播出，值班人员监看操作任务重，现有的频道播出系统信号节点多，超高清转播车信号、演播室信号、卫星信号、微波信号等外来通道信号较多，原有基于多画面分割器的大屏监测系统也不够完善，当播出系统出现异常情况时，人工应急处置时间过长，不符合国家广播电视总局安全播出事件事故管理实施细则的应急响应时间要求。

如何防止安全播出事件事故的发生，智能监测切换系统的建设就变得极为重要且紧迫。随着广电技术不断创新发展，技术不断迭代更新，播出系统自动化、智能化程度也不断提高。[3]为确保电视节目的安全播出，必须与时俱进，引入基于一致性比对技术的智能监测切换系统，将播出系统的信号采集监测、一致性比对分析、智能应急切换等多种功能集于一体，提升电视频道播出系统的故障应急处置能力，满足应急自动化、应急智能化的要求。[4]

1.2 系统现况

广州市广播电视台电视频道播出系统原有的应急方式如图1 所示，以高清频道为例，主切换台播出信号、备切换台播出信号、垫片信号通过分配器分别送到3选1 切换器，值班人员发现播出系统出现异常情况时，可通过3 选1 控制面板对信号进行人工应急切换。

图1 播出系统原有应急切换方式示意图

在播出系统的应急操作中，值班人员的故障判断能力和快速反应能力是至关重要的，但这种依赖人工的方式不利于播出系统出现故障时，恰当的应急规范操作和快速准确处理。[5]值班人员人工应急处理的速度快慢取决于发现故障时间、应急切换时间和处理故障的时间，还取决于值班人员对系统的熟练程度和注意力集中程度等。

1.3 设计思路

基于原有播出系统的应急切换方式的不足和欠缺，为了进一步保障电视频道播出系统的运行安全，有效排除播出系统的安全隐患，加大技术防控手段，设计基于一致性比对技术的智能监测切换系统，通过智能监测比对，实现以自动应急切换优先+人工辅助的方式，为安全播出提供有力保障。智能监测切换系统的设计思路是结合视频检测和音频检测，对每路信号进行异常状态检测，随后将视频和音频信号进行分组比较。通过这种方式，系统可以进行异态检测和比对结果分析，并进行逻辑判断。根据预设的处理方式，系统可以自动报警并控制末级N 选1 切换开关进行信号切换。[6]

系统具备高效分析播出链路各节点信号的能力，并且利用先进的图像智能比对技术，对视音频信号进行采样，同时逐帧进行对比，一旦发现不一致的情况即可提供报警提示。通过逻辑判断，系统能够发现可能存在的问题并触发报警，改变了在传统应急方式中，依赖值班人员的快速判断和反应来进行应急处理的模式。[7]从而实现应急切换速度的提升，以符合国家广播电视总局对安全播出事件事故管理实施细则的应急响应时间要求。

智能监测切换系统必须具备精确实时、高效能、稳定可靠和易于维护的特性，其主要设计要求包括以下几个方面。

稳定性：系统符合广电安全播出标准，能够满足7 天24 小时不间断稳定运行的要求。

准确性：基于视音频内容比对和异态监测的强大可靠性，确保高精度的报警功能，同时播出自动应急切换控制应做到准确无误。

高效性：在故障比对判断过程中，效率应达到帧级别，以确保快速准确地识别故障。同时，应急切换动作可在5 秒内完成，以确保系统的及时响应和稳定性。

1.4 一致性比对原理

一致性比对以及视音频信号内容特征值提取的新技术引入，打破了传统播出系统中的监测报警手段，提高了安全播出应急响应的效率。[8]一致性比对技术已被广泛应用于播出系统中执行报警功能，在故障出现时，系统可使用自动或手动等多种应急方式，对电视频道播出安全发挥着至关重要的作用。[9]

1.4.1 视频比对工作原理

视频比对包含四个主要步骤：视频解码、提取视频特征、比对视频特征以及输出比对结果。在这四个步骤中，最为关键的是提取特征和比对特征这两个步骤。

视频比对根据比对精度不同，分为全局比对和精细比对两种方式。全局比对是对画面全部区域，提取特征值进行比对。精细化比对是将画面分割为中央、左上、左下、右上、右下共五个区域，分别提取五个区域的特征值进行比对，提高了比对的精度。

提取视频特征主要是提取YUV 数据经DCT 变化后的频域PHASH 特征，以及时域的平均灰度特征。时域的灰度特征用于预处理，初步过滤画面亮度较暗或者亮度过亮，画面细节较少，频域特征区分度不大的情况。在画面细节丰富时，采用频域特征进行比对。

比对视频特征主要是比对一组两个节目的特征序列是否一致。在提取得到一定数量的特征序列后，首先要判断两个序列是否同步，得到两段视频的偏移值。主要是通过计算不同偏移值时的特征距离，选取特征距离最小值，这个最小特征距离值小于门限时，认为最小特征距离对应的偏移是最小偏移。找到最小偏移，认为两个序列是同步的，即认为两个节目是一致的。后续的图像序列，也计算在最小偏移时的特征距离，特征距离小于门限，认为两个节目一致。当出现两个节目画面不一致时，特征距离会超过门限值，累计达到时间门限时，会输出视频不一致的报警信息。

视频比对的应用场景主要分为两种模式：全局比对和精细化比对。精细化比对模式默认启用，同时兼容全局比对模式。根据实际场景需求，可以选择适合的比对模式。

全局比对适用于对多级信号分发站点之间以及转码器前后进行比对，这种对比方法能验证播出效果与转播的一致性，检测出由转码器故障、未完整转播以及内容错误等引起的黑场、静帧等差异变化。

1.4.2 音频比对工作原理

音频比对包含四个主要步骤，和视频比对类似。包括音频解码、提取音频特征、比对音频特征、输出比对结果。

提取音频特征主要是提取分帧后，单帧音频的频域声纹特征和时域电平特征。时域电平特征主要用于预处理，初步过滤音量较低，频域能量较少的情况。在音量较高，频域能量较高时，采用频域声纹特征进行比对。

在提取到一定数量的单帧音频特征后，先判断两个序列是否同步，算法类似视频找同步的算法。找到同步后，对后续的音频序列，先计算两个节目的3 秒音频序列的序列特征，再计算序列特征距离，如果序列特征距离小于门限，认为两个节目音频一致。

当两个节目出现音频不一致的情况时，3 秒音频的序列特征距离会超过门限值，累计达到时间门限时，会输出音频不一致的报警信息。

2.系统架构设计

智能监测切换系统的建设包括4K 超高清频道和高清频道全链路监测系统与智能切换系统，对播出系统全链路进行监测，对各个频道通道上的4 个节点信号进行智能比对，当发现播出信号异常，智能切换系统迅速发出指令，控制主备4 选1 开关（4K 超高清频道）、主备3 选1 开关（高清频道）进行应急切换，以达到国家广播电视总局安全播出事件事故管理实施细则的应急响应时间要求。

智能监测切换系统由播出系统全链路监测和播出主备输出通道智能切换两大功能组成。

2.1 播出系统全链路监测功能（4K 超高清频道）

播出系统全链路监测功能（4K 超高清频道）如图2 所示，对4K 超高清频道的主视频服务器信号、备视频服务器信号、二备视频服务器信号、垫片信号、播出频道切换台信号、总输出主信号、总输出备信号、主光发输入端信号，备光发输入端信号、主光收接收端信号和备光收接收端信号等节点进行监测。

融合发展在未来几年都将是互联网期刊领域的发展方向，通过研发新型设备及搭建新型网络平台，整个业务链条都将充分享受到互联网的便利，各参与方所受的时间空间限制将不断缩小。

图2 4K 超高清频道采样点示意图

2.2 播出系统全链路监测功能（高清频道）

播出系统全链路监测功能（高清频道）如图3所示，对每个高清频道的主视频服务器信号、备视频服务器信号、二备视频服务器信号、垫片信号、播出频道主切换台信号、播出频道备切换台信号、总输出主信号、总输出备信号、主光发输入端信号，备光发输入端信号、主光收接收端信号和备光收接收端信号等节点进行监测。

图3 高清频道采样点示意图

2.3 播出系统全链路监测功能（CCTV1 频道）

播出系统全链路监测功能（CCTV1 频道）如图4 所示，还需对不同路由的CCTV1 ASI 信号（CCTV1 SDH 主路信号、CCTV1 SDH 备路信号、CCTV1 二备信号、CCTV1 其他路由信号）和AVS+解码器后的SDI 信号（CCTV1 SDH 主路信号、CCTV1 SDH 备路信号、CCTV1 二备信号）进行监测。

图4 CCTV1 信源监测采样点示意图

2.4 播出主备输出通道智能切换功能

智能全链路比对切换功能（4K 超高清频道）如图5 所示，通过对播出频道通道上的4 个节点信号，分别为：A1 主视频服务器信号、A2 备视频服务器信号、B1 总输出主信号、B2 总输出备信号，进行两两比对智能监测，当系统检测到播出信号异常，发出指令控制主4 选1 开关和备4 选1 开关进行自动应急切换。

图5 全链路比对切换示意图（4K 超高清频道）

智能全链路比对切换功能（高清频道）如图6 所示，通过对播出频道通道上的4 个节点信号，分别为：A1 主视频服务器信号、A2 备视频服务器信号、B1 总输出主信号、B2 总输出备信号，进行两两比对智能监测，当系统检测到播出信号异常，发出指令控制主3选1 开关和备3 选1 开关进行自动应急切换。

图6 全链路比对切换示意图（高清频道）

4K 超高清频道采样点：监测采样点11 个，一致性比对采样点4 个。

高清频道采样点：监测采样点12 个，一致性比对采样点4 个。

一致性比对采样点：A1、A2、B1、B2，两两比对，每个频道的一致性比对任务为4 个。

3.系统功能实现

智能监测切换系统的组成包括：安全运维监控平台、一致性比对系统、智能决策系统以及智能控制面板，各个系统的平台可以通过客户端访问，自动切换控制逻辑结构如图7 所示。

图7 自动切换控制逻辑结构图

智能监测切换系统通过安全运维监控平台统一管理下发一致性比对系统的监测门限，当信号发生故障时，一致性比对系统向智能决策系统推送信号比对不一致的告警信号，如视音频比对故障、黑场、静帧、彩条等，智能决策系统收到比对上报的告警信息，向智能控制面板发送指令，完成自动切换。

3.1 信号采集监测模块

信号采集监测模块负责完成对播出系统各节点进行信号采集，包括主视频服务器信号、备视频服务器信号、二备视频服务器信号、垫片信号、播出频道主切换台信号、播出频道备切换台信号、总输出主信号、总输出备信号、主光发输入端信号，备光发输入端信号、主光收接收端信号和备光收接收端信号等，并对输入信号视音频质量进行实时分析，对各种异态状况进行实时量化分析，通过对多画面显示监测报警系统设置，支持对图像划分区域进行监测分析，以避开台标、字幕、走马等画面部位，实现对信号异常情况的准确判断。采集监测可将信号转换成IP 流，并在终端进行信号监看监听。

信号采集监测模块支持基带信号实时监测，支持检测各种类型的视音频信号故障，各个故障报警阈值可调，具备报警分析功能。信号全兼容，支持嵌入音频。

3.2 一致性比对模块

一致性比对模块负责对播出频道主备链路不同节点的视音频信号进行一致性比对，采用一致性检测比对算法，一致性检测比对判断性能达到帧级别，支持视频比对异常和音频比对异常两个核心功能。

信号检测比对子系统支持多路信号间的延时、差异比对，支持差异化报警，对同类报警提供多种阈值设定，支持多种维度的报警差异化，以适配不同应用场景。根据视音频一致性比对结果进行信号异常判断，当节点信号出现不一致时，系统通过逻辑分析判断信号的异态类型及原因，自动触发控制切换设备，准确切换至正常链路信号，并通过语音、光闪烁、蜂鸣、画面等不同报警形式，对值班人员进行提示，同时也可手动接管该过程，进行人工应急处理。

在信号检测比对子系统故障情况时，系统不影响切换面板和切换设备的正常工作。提供信号检测和比对分析日志的记录，提供记录的查询、保存和导出功能。支持通过灵活直观的界面设置配置信息、查询报警信息。

3.3 智能应急切换模块

智能应急切换是指通过异态检测，对信号一致性比对以及监测节点之间的关系进行综合分析，当发现故障时发出指令控制4 选1 开关或者3 选1 开关进行应急切换。根据信号分析检测和一致性比对分析结果而触发的自动应急切换，支持用户自定义切换逻辑，切换精度可达到帧级别。

智能应急切换模块通过对播出链路前后节点A1-B1、A2-B2、A1-A2、B1-B2（如图5、图6 所示）进行逻辑比对分析，发现故障进行应急切换。二备视频服务器信号、垫片信号不参与比对，只进行异态监测，确保在应急需要时切换使用，保障播出信号正常。

智能应急切换模块支持针对不同故障类型，提供不同的切换触发条件。支持直接自动切换模块，也支持智能引导场景下的手动切换模式。支持两种模式的一键切换，支持配置信号的切换优先级，自动切换根据优先级，进行信号路由选择。

智能应急切换面板具备实体按键，支持自动和手动切换方式，具备面板锁定功能，支持主备3 路或以上的信号切换。按键采用可编程方式，通过颜色和闪烁等形式反映信号状态。当启动手动切换方式时，系统不可进行自动切换，只进行报警提示。切换开关面板拥有最高控制权限，当智能应急系统出现故障时，仍可通过面板完成应急操作，以确保安全播出。

3.4 信号收录模块

信号收录模块对播出链路中各节点进行信号的实时转码收录，收录的信号可以通过统一智能监管平台进行监测管理，实现对节目信号的收录监测集中管理。具备告警录像触发功能，告警触发录像故障前后至少10 秒钟的录像画面，提供便捷的查询与下载功能。可对指定节目进行转码录像，录像格式可选择，支持自定义录像码率。收录画面支持叠加故障告警、时间、节目名等信息。

信号收录模块实现对播出链路重要节点信号的监录，符合各节点常态收录时间一个月以上、异态收录时间一年以上的监播要求。