有線網(wǎng)絡(luò)公司靜幀監(jiān)測算法優(yōu)化實踐

周清

（江西廣播電視網(wǎng)絡(luò)傳輸有限公司，江西 南昌 330000）

有線網(wǎng)絡(luò)公司靜幀監(jiān)測算法優(yōu)化實踐

周清

（江西廣播電視網(wǎng)絡(luò)傳輸有限公司，江西 南昌 330000）

圖像靜幀故障的及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和快速處理，是有線網(wǎng)絡(luò)公司日常運(yùn)維的一項重要工作。傳輸節(jié)目的多樣性導(dǎo)致了靜幀監(jiān)測算法的復(fù)雜性，結(jié)合機(jī)房運(yùn)維的實際情況，提出了以靈敏度和靜幀抑制策略為核心，輔以靜幀運(yùn)行圖的一整套靜幀監(jiān)測優(yōu)化算法，取得了很好的效果，極大地提升了靜幀報警的有效性，減輕了機(jī)房值班人員的工作強(qiáng)度。

有線網(wǎng)絡(luò)公司；靜幀監(jiān)測；靈敏度；靜幀抑制

隨著廣播電視技術(shù)的不斷發(fā)展，各地有線網(wǎng)絡(luò)公司傳輸?shù)臄?shù)字電視節(jié)目數(shù)量不斷增加，在豐富了人民群眾精神生活的同時，安全播出的工作也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。圖像靜幀是各級廣電單位機(jī)房日常值班維護(hù)中需要重點關(guān)注的一種故障現(xiàn)象，對于各地有線網(wǎng)絡(luò)公司而言，其傳輸?shù)臄?shù)字電視節(jié)目眾多，來源和節(jié)目播出特征也多種多樣，情況相比電視臺等單位更為復(fù)雜。一般來說，網(wǎng)絡(luò)公司機(jī)房運(yùn)維值班對于靜幀監(jiān)測的基本訴求如下：

1）對于播出、傳輸設(shè)備故障引起的圖像靜止，能快速準(zhǔn)確報出，為及時處置提供依據(jù)；

2）對于講座類容易出現(xiàn)圖像不動的頻道，能盡量減少甚至規(guī)避節(jié)目正常播出時可能存在的靜幀報警；

3）對于夜間停播的頻道，報警狀態(tài)能夠穩(wěn)定持續(xù)，避免出現(xiàn)報警在發(fā)生和恢復(fù)之間來回變化的情況，干擾對重點播出頻道的安全監(jiān)控；

4）出現(xiàn)靜幀故障時，值班人員需要有途徑能進(jìn)行快速的處理和甄別，以便不影響其他頻道的監(jiān)視。

主流的數(shù)字電視監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)都提供了對圖像靜幀的監(jiān)測報警功能，但因為缺乏對網(wǎng)絡(luò)公司機(jī)房傳輸節(jié)目靜幀特性、機(jī)房值班實際情況的了解，常規(guī)的靜幀報警功能不能很好地解決上述問題。為此，本文提出了一種以靈敏度和靜幀抑制策略為核心，輔以靜幀運(yùn)行圖的一整套靜幀監(jiān)測優(yōu)化算法，取得了良好的效果。

1 優(yōu)化算法

1.1 基本原理

對于數(shù)字電視的靜幀監(jiān)測，基本流程如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)接收IP化的TS碼流，分別進(jìn)行解復(fù)用、視頻解碼之后，得到圖像的YUV數(shù)據(jù)，再對YUV數(shù)據(jù)的亮度信息（Y分量）進(jìn)行對比分析，判斷圖像是否發(fā)生了靜幀故障。

圖1 數(shù)字電視靜幀監(jiān)測流程

在提取到原始YUV圖像之后，通過以下幾個步驟可以實現(xiàn)靜幀故障的監(jiān)測：

1）圖像歸一化及干擾區(qū)域裁剪

數(shù)字電視有高標(biāo)清多種分辨率和色彩格式，對于靜幀監(jiān)測故障而言，352×288分辨率的灰度圖像就足夠了，對待分析圖像進(jìn)行歸一化有兩個好處：一是可以顯著減少靜幀算法處理的數(shù)據(jù)量，提高監(jiān)測效率；二是歸一化后的圖像可以方便地應(yīng)用統(tǒng)一的處理算法，避免不同格式的圖像對算法產(chǎn)生不必要的復(fù)雜度。

此外，某些電視節(jié)目在制作的過程中，圖像邊緣會存在一些抖動、條紋等干擾信息，這些干擾信息在做監(jiān)測時需要進(jìn)行排除，避免影響算法的準(zhǔn)確性，通常是去除圖像四周各5%的區(qū)域。

2）圖像相似度計算

靜幀監(jiān)測的實質(zhì)是比較兩幅圖像是否一致，也就是相似程度的衡量。為提高效率，步驟1）中處理后的灰度圖像，可以按照8×8像素的大小進(jìn)行網(wǎng)格化區(qū)分，計算每個網(wǎng)格的圖像灰度值的總和，作為該網(wǎng)格的特征值，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格化特征提取

對相鄰兩幅圖像對應(yīng)網(wǎng)格之間的特征值求差，并將差值累計，計算相似度S為

式中：K，L分別表示當(dāng)前采樣和上一次采樣時，網(wǎng)格化區(qū)域的特征值；P為參考常量。相似度大于設(shè)定的門限則認(rèn)為圖像靜止，否則認(rèn)為圖像不靜止。

3）報警生成與恢復(fù)

將相鄰兩幅圖像中相似度計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，一段時間內(nèi)圖像相似的次數(shù)大于一定比例，則認(rèn)為該視頻靜幀，否則認(rèn)為靜幀恢復(fù)。如果將一系列待處理的圖像相似度比對結(jié)果記為一系列的0或1序列，1代表圖像相似，0代表圖像不相似，那么可以在每個判斷點對序列求和，取值大于設(shè)定序列長度的90%，則認(rèn)為是靜幀，否則認(rèn)為靜幀恢復(fù)，即報警產(chǎn)生的邏輯可表示為

1.2 靈敏度

按照1.1節(jié)中所論述的靜幀監(jiān)測算法，可以對真正嚴(yán)格的圖像靜幀故障進(jìn)行準(zhǔn)確的識別，但實際運(yùn)維中的情況卻要復(fù)雜得多，不少節(jié)目表面上看起來靜止，并且從值班的角度也期望報靜幀，監(jiān)測系統(tǒng)的報警狀態(tài)卻經(jīng)常不穩(wěn)定，在靜幀故障和靜幀恢復(fù)之間來回切換，有的甚至則報不出靜幀來。經(jīng)過分析確定，是圖像的某些細(xì)微變化導(dǎo)致了靜幀報警狀態(tài)的不穩(wěn)定，為了解決這個問題，需要引入靈敏度的概念。

1）空間靈敏度

一種典型需要處理的問題是某些頻道夜間停播時在畫面上顯示的時鐘，雖然時鐘在走動，但對于實際值班人員來說，這種情況最好能統(tǒng)一當(dāng)作靜幀來處理，主要有兩方面的原因：一是不同頻道的停播畫面各不相同，有的有時鐘、有的無時鐘，統(tǒng)一報警的話有助于值班人員的統(tǒng)一判斷；二是同一個頻道，測試圖本身也不甚穩(wěn)定，有時會有時鐘有時沒有時鐘，無法進(jìn)行統(tǒng)一對待。

如果只是簡單地調(diào)節(jié)式（1）中的判斷門限，可以將圖3所示情況統(tǒng)一為靜幀故障，但這樣勢必引入大量的誤報，其根源是沒有考慮到圖像變化區(qū)域的空間特性。在通過式（1）計算得到的相似度都比較高的情況下，圖3上顯示的變化區(qū)域相對比較集中，因此可以認(rèn)為是靜幀；但如果圖像變化區(qū)域比較大，例如講座類節(jié)目鼠標(biāo)移動的動作，就不應(yīng)該認(rèn)為是靜幀，這就是所謂的空間靈敏度。

圖3 靜幀的空間靈敏度

2）時間靈敏度

有的節(jié)目夜間停播時，會出現(xiàn)一些短時的圖像劇烈異常，如圖4所示。相鄰的兩幅圖像明顯存在重大的差異，相似度極低，但因為這些異常圖像出現(xiàn)的頻率非常低，可以通過時間靈敏度來加以規(guī)避。

圖4 靜幀的時間靈敏度

時間靈敏度的處理采用了類似于游程的概念，在根據(jù)式（2）判斷視頻是否處于靜幀時，不僅判斷其累加的和，還要判斷圖像連續(xù)不相似的最大次數(shù)（游程），只有兩個條件都滿足時才認(rèn)為是靜幀，此辦法可以有效地規(guī)避短時的圖像抖動導(dǎo)致的靜幀恢復(fù)，游程判斷表示為

1.3 抑制策略

在加入了靈敏度的策略之后，靜幀報警的實用性大大提升，但還是有一個現(xiàn)實的問題，即時間判斷門限的問題?？紤]到安全播出的重要性，對于真正的靜幀故障，需要在盡可能短的時間內(nèi)報告出來，以便進(jìn)行妥善處置，而這勢必需要一個較短的時間門限；但如果將這個較短的時間門限應(yīng)用到所有的場合，誤報情況將會非常多，比較典型的是攝影、棋牌、講座、政策文件宣講的場景，非常容易報靜幀，必須要有相應(yīng)的靜幀抑制手段。

由于單純的圖像識別已經(jīng)無法區(qū)分真正的靜幀故障和正常播出中的靜止畫面，因此必須結(jié)合電視節(jié)目的其他方面特征來進(jìn)行判斷，一種最直觀有效的辦法就是以電視伴音作為輔助判斷。

節(jié)目制作、傳輸過程中的故障導(dǎo)致的靜幀，往往是因為接線不牢、設(shè)備死機(jī)、網(wǎng)絡(luò)中斷等引起，出現(xiàn)故障時經(jīng)常是視頻和音頻同時出現(xiàn)異常，即圖像靜幀的同時，音量值也非常低，對于人耳來說就是靜音。而正常播放節(jié)目中的圖像靜止，往往都是伴隨音頻講解播放的。利用這一特點，可形成一個視音頻相結(jié)合的靜幀抑制策略：對于每個要監(jiān)測的節(jié)目，可以定義不同的靜幀抑制參數(shù)K，當(dāng)通過式（3）檢測出圖像靜止時，并不立即進(jìn)行靜幀報警，而是判斷這段時間內(nèi)的音頻報警是否正常。如果在靜幀判斷的正常時間門限T內(nèi)，音頻播放正常，則圖像需要連續(xù)靜止K×T的時間才進(jìn)行報警；如果在靜幀判斷的正常時間門限T內(nèi)，音頻已經(jīng)不正常，則靜止時間達(dá)到T時馬上進(jìn)行靜幀報警。

舉例來說，靜幀的時間門限典型的可以設(shè)置為10 s，靜幀抑制參數(shù)可取值30。在這種配置情況下，真正的靜幀故障10 s就能識別出，而對于那些音頻正常的情況下，需要300 s才會進(jìn)行靜幀報警，這樣就可以避免絕大多數(shù)的靜幀誤報。特別地，如果將靜幀參數(shù)設(shè)置為0，可以認(rèn)為只要音頻播放正常，就不進(jìn)行靜幀報警，這對某些節(jié)目的監(jiān)測也有現(xiàn)實意義。

1.4 靜幀運(yùn)行圖

通過上述改進(jìn)措施，靜幀監(jiān)測算法已經(jīng)比較完善，但仍有一些特殊情況，如圖5所示，有的頻道在夜間停播時播放的測試圖會出現(xiàn)周期性的移動，按照正常的邏輯，這種情況會周期性地出現(xiàn)靜幀報警、靜幀恢復(fù)的情況，給夜間值班人員造成極大的困擾。

圖5 周期性變化的測試圖

考慮到此類節(jié)目的播出特性，為了在保證安全播出的同時降低值班人員的強(qiáng)度，需要引入靜幀運(yùn)行圖的概念，即靜幀故障只在設(shè)定的時間段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測，在此時間段外只監(jiān)測視音頻丟失、黑場等嚴(yán)重的故障。相比較而言，一般的監(jiān)測系統(tǒng)只考慮了節(jié)目的運(yùn)行圖，在運(yùn)行圖內(nèi)就對所有的故障類型監(jiān)測，在運(yùn)行圖外則什么故障也不監(jiān)測，靜幀運(yùn)行圖的設(shè)計和使用可以較好地在安全播出防范和值班強(qiáng)度之間做出一個好的平衡。

2 測試結(jié)果

使用監(jiān)測系統(tǒng)默認(rèn)的監(jiān)測功能，對網(wǎng)絡(luò)公司傳輸?shù)?00余套節(jié)目進(jìn)行監(jiān)測，對一天的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果如圖6所示，可以看出，棋牌類、學(xué)習(xí)培訓(xùn)類節(jié)目產(chǎn)生的靜幀報警數(shù)目占據(jù)了絕大多數(shù)。

使用第1部分論述的算法，從靈敏度、抑制策略兩個方面對靜幀算法進(jìn)行優(yōu)化，并對不同類型的節(jié)目設(shè)置合適的監(jiān)測門限之后，靜幀報警數(shù)量有了明顯的變化，如表1所示。

圖6 靜幀故障分布

表1 優(yōu)化結(jié)果對比

3 輔助手段

除了上述從算法邏輯上做的改進(jìn)之外，還有一些從日常值班的角度考慮需要進(jìn)行完善的輔助手段，這些手段的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升有線網(wǎng)絡(luò)公司機(jī)房值班運(yùn)維的水平。

3.1 循環(huán)語音提示

語音報警是各類監(jiān)測管理系統(tǒng)必備的提示方式，對于視音頻監(jiān)測來說亦是如此，來源于不同監(jiān)測設(shè)備、不同節(jié)目的不同告警信息匯聚到語音報警設(shè)備，通過TTS（Text To Speech）技術(shù)進(jìn)行集中的語音報警。通常情況下，語音提示只在報警發(fā)生和恢復(fù)的時候進(jìn)行提示。實際值班過程中，為了防止值班人員因為各種情況漏聽到語音報警，進(jìn)而可能存在對異?，F(xiàn)象的漏處理，系統(tǒng)設(shè)計了循環(huán)語音提示的功能：在報警恢復(fù)前，語音提示按照預(yù)先設(shè)置好的次數(shù)和頻率進(jìn)行周期性的播報。

3.2 故障確認(rèn)

和循環(huán)語音提示相關(guān)聯(lián)的，需要引入故障確認(rèn)機(jī)制。當(dāng)值班人員已經(jīng)注意到故障，需要有手段進(jìn)行確認(rèn)，一旦對故障進(jìn)行了確認(rèn)，相關(guān)的語音報警就應(yīng)該暫停。通過表1可以看出，由于有線網(wǎng)絡(luò)公司監(jiān)測的頻道眾多，即便應(yīng)用了靜幀優(yōu)化算法，每天仍有一定數(shù)量的靜幀報警會產(chǎn)生，對于這類情況，就需要應(yīng)用到故障確認(rèn)機(jī)制，避免這些報警影響日常的值班工作。

4 結(jié)束語

安全播出是廣播電視永恒的主題，靜幀故障的發(fā)現(xiàn)和處理是廣電網(wǎng)絡(luò)公司日常運(yùn)維工作的一個重要內(nèi)容。廣播電視技術(shù)是應(yīng)用型的技術(shù)，本文給出的辦法也是工程化的解決辦法，通過實踐證明能有效提高靜幀報警的有效性，從根源上杜絕漏報，最大限度避免誤報，有效地提高了運(yùn)維水平。

[1] ISO/IEC 13818-1，Generic coding ofmoving pictures and associat?ed audio,Part1:System[S].1994.

[2] 李廣東，高新波，趙力.一種基于靜幀特征分析的視頻檢索方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2011（5）：334-338.

[3] 劉漢武.基于IP的嵌入式廣播電視信號監(jiān)測設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)[J].廣播電視與技術(shù)，2011，38（9）：124-127.

TCL集團(tuán)：擬建單獨(dú)公司推智能家居

11月12日，TCL公司公告稱，公司擬與控股子公司TCL多媒體、TCL通訊共同投資9 000萬元在香港成立合資公司。通過該公司，TCL將在中國境內(nèi)投資成立一家外商獨(dú)資企業(yè)，作為智能家庭項目的運(yùn)營實體。TCL集團(tuán)、TCL多媒體、TCL通訊將分別持有該合資公司30%、30%、40%的股權(quán)。該項目擬通過整合新興物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)業(yè)務(wù)，通過APP完成對整個家庭的狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程遙控和智能服務(wù)，打造全流程的智能家庭服務(wù)體驗。

Optim ization Practice of Freeze Detection A lgorithm in Cable TV

ZHOU Qing
（Jiangxi Radio&TV Network Corporation,Nanchang 330000,China）

The accurate detection and fast handling of video freeze fault is an important routine to cable TV operators. The variety of TV programs leads to the complexity of freeze detection algorithm.Based on the practice of cable TV monitoring system,an optimization algorithm to freeze detection is given,which uses sensitivity check and freeze control as main principle,freeze monitoring period as a supplement.The optimization algorithm is proved to be effective in spot test, thus the work intensity of staff on duty is obviously reduced.

cable TV;freeze detection;sensitivity;freeze control

TN94

B

?? 京

2014-10-21

【本文獻(xiàn)信息】周清.有線網(wǎng)絡(luò)公司靜幀監(jiān)測算法優(yōu)化實踐[J].電視技術(shù)，2014，38（24）.

周 清（1972—），碩士，從事有線數(shù)字電視信號傳輸及安全播出工作。