基于TS流的音视频监测报警系统原理

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【摘要】 随着数字化广播电视技术的发展，卫星数字电视技术日益普及，因此播出质量至关重要，对于大量的数字电视信号的播出质量的自我监测或统一的有效监管，必须引入自动监测技术。本文介绍了当前一种基于ts流的音视频监测报警系统的原理，包括广播电视中对音视频监测的报警判断和一种基于MMX技术的图像内容检测快速算法。

【关键词】数字电视音视频监测 监测报警系统 MMX技术

一. 前言

随着广播电视技术的发展，卫星数字电视日益普及，节目数量日益增长，目前国内卫星电视节目已将近270路，在快速、准确、及时、高效的监测方针下，必须使用成熟、完善的自动监测技术。目前监测台的卫星接收天线接收到卫星信号后输出射频信号到卫星接收机，卫星接收机对射频信号进行解调输出ASI形式的TS流，TS流中包含多路复用的TS流或单路TS清流，该TS流的采集可以直接用ASI采集卡采集，也可以输出到解复用设备解成TS清流后组播输出[1]。目前在监测台内使用的是第二种方法。音视频监测报警系统就是针对解复用组播输出的TS清流进行解码、分析、判断和报警。

二. 音视频监测原理分析

如图1所示，音视频监测报警主机接收监测前端通过IP网络发送的TS流数据，根据音视频的PID信息进行解调，分别对音视频内容进行解码的同时，完成内容层的故障监测，音视频信息的展示，同时还进行实时转码存储的功能。

1. 音频报警

报警系统通过分析TS流中的PID信息捕获音频码流，对音频码流进行解码就可以得到原始采样的音频数据。音频数据按不同声道依次排列。

静音：按声道取出的音频数据就是该声道的音量值，如果音量值一直保持在我们预先设定的阈值以下并持续一个设定的时间段，那么该时间段的音频就处于静音状态。

因为可以对不同声道进行取值，所以静音报警可以针对每个声道进行单独报警。目前，卫星信号中传输的音频数据往往是用同一个PID传输两路音频信号，左声道可能是电视伴音，右声道可能是一路广播节目。对于这种情况，由于监测对象的不同就要区分不同声道进行报警。

2. 视频报警

报警系统接收到的视频数据经解码后，得到的是一帧帧YUV格式的图像，其中Y是图像中像素点的亮度信号，UV是像素点的色差信号。将每帧图像需要判断的范围（除去各种叠加图像的干扰）分成若干个大小相同的子区域，取每个区域的亮度值Y的总合建成一个m*n的亮度矩阵，通过对亮度矩阵的分析来判断以下报警：

黑场：亮度矩阵的所有亮度值均小于一个设定的阈值，并持续一个设定的时间段，则该时间段图像为黑场。

静帧：如果本帧的亮度矩阵与缓存的前一帧的亮度矩阵相似（每个对应位置的亮度值都基本相同），那么这两帧图像相似。如果一个时间频段内的视频信号所有连续的两帧图像均相似，那么该时间段内图像静帧。

无数据：在一定时间内，无视频信号输入，那么将判断无数据。同时会输出标准黑场图像。

由于叠加的内容（包括台标、时钟等）会影响亮度矩阵的特征，因此判断区域须除去有叠加内容的区域才能保证系统做出正确的判断。

除无数据外，视频报警的判断均只针对图形的亮度值，而忽略色差信息。图像变化时亮度值的变化更为敏感，如果对UV分量也进行判断，数据存储量大，且运算量大，而效果提高却不明显。

当收到一帧视频数据后，首先进行黑场判断，再进行静帧判断。如果长时间收不到数据则认为是无数据。音频数据则要进行静音的判断。其判断流程入图2所示。

三. 监测系统中使用的报警组合

当音频信号出现静音或者视频信号出现静帧或黑场等异常情况时，系统会自动判断并计时，当异常信号持续一定时长（预先设定的阈值），系统产生报警并发送到控制台让值班人员进行处理。当信号恢复正常后，停止报警并通知控制台报警结束。

监测系统在报警的时候，分以下几种情况：

只有音频静音而同时刻没有视频报警时产生报警，如：无伴音。

视频信号异常，同时对音频信号进行测量产生组合的报警，如：黑场无伴音、黑场有伴音、静帧无伴音、静帧有伴音。

异常信号结束后系统向控制台发送报警结束：如无伴音结束、黑场无伴音结束、黑场有伴音结束、静帧无伴音结束、静帧有伴音结束。同一时刻只有一种报警存在，例如，如果先报的是静帧无伴音，如果静帧结束但无伴音仍然存在，系统将先报静帧无伴音结束，然后接着报无伴音开始，直到有伴音后再报无伴音结束。

在实际应用中，很多正常节目会出现长时间静帧或无声情况（如财经类节目就经常会出现长时间静止解说画面）。为了避免经常性误报警，此类节目的报警阈值可以适当的加大，如果普通节目的静帧阈值设的是10秒，此类节目的阈值可以设为20秒。系统为每个节目的不同报警（静音、黑场、静帧）都可以设定阈值，用户可以调节阈值以达到减少误报警的几率。

四. 基于MMX的快速图像监测算法

MMX技术[2]是Intel公司为增强处理器的多媒体功能和通信能力而提出的一项新技术。它的重要特点是单指令多数据，即在一个指令周期内可以对多个数据进行并行处理。这种平行操作，使得性能得到大幅提高。

由于MMX的运算指令必须在数据配对整齐的时候才能使用，所以使用MMX指令要比普通的汇编指令多余许多分组配对的指令，如果运算不是特别的整齐的话，就要浪费大量的时间在数据的配对上，所以说MMX指令也不是万能的，也有其很大的缺陷。同时MMX指令在处理16位数据的时候才能发挥最大的作用，处理8位数据要有一点技巧。

对于连续存储一帧图像的YUV数据，每个像素的灰度或色差数据均为8位整形数据，处理器可在一个频率周期内，同时执行16个8位整形数据的乘法、加法、减法、数据加载数据回存等计算，明显的提高运算速度。据研究表明，可以提高40%至50%的效率。

通过采用基于MMX的图像监测算法，能够满足实时监测的需求，降低图像监测的CPU占用，提高效率。

五. 总结

基于TS流的音视频监测报警系统，通过对TS流进行分析，提取出音视频码流并解码。根据经验制定监测策略，采用先进、快速算法进行音视频数据监测，形成监测结果，帮助值班员自动、实时反映出异态等情况，并可对历史监测结果进行查询和回看。该监测机制不仅适用于监测成数字广播电视的质量实时监测，同样使用于上行地球站对于接收到的卫星广播电视节目进行自台监测。B&P

参考文档：

[1] 总局数字有线电视前端监测系统 王庆伟 国家广播电影电视总局节目传输中心 数字电视 2010年第12期 总第252期

[2] MMX 技术在视频编码的实时软件实现中的应用 石 峻，余松煜 上海交通大学图像通信与信息处理研究所 多媒体世界 1999年第10期