IP 自动播出系统的信号监看和检测

2014-08-27 08:11:23
综述

晶彩IP 流媒体显示和检测系统是为大规模集中信号监看而设计、生产的,主要应用于TS over IP 播出系统监看,同时也可适用于其他以IP 形式传 输的监控系统等。经过多年的开发完善,该产品已趋成熟,运行稳定可靠,成为安全播出的重要保障。在播出系统中,画面显示是最直观、最常用的监 测手段,加强多画面显示系统的功能、提高检测精度对系统建设和日常维护工作具有重要意义。新版的晶彩多画面显示和检测系统在码流检测和显示方 面做了大量改进,通过更多的测试角度,更精准地显示系统的实际运行状态。

多画面的基本功能

晶彩IP 流媒体显示和检测系统可对MPEG-2、H.264 编码的IP 流信号进行高密度实时显示。在显示监看的同时可对所有节目进行画面质量分析、 判断,对故障画面信号进行故障收录触发,亦可通过多种手段将报警信息及时、有效的传达给值班员、运维人员与管理者,提高对故障处理的响应速度、 保障新媒体节目播出的安全。

该产品基本功能包括:

1. 支持MPEG-2、H.264 编码方式的IP 流监看,同时对H.264 编码,10 路高清或者40 路标清实时显示监看与画面质量分析判断;

2. 支持组播和单播方式的IP 流;

3. 灵活的图形化界面设计功能;

4. 远程集中管理,单台服务器最多可同时对255 个显示端实现远程管理;

5. 提供及时、全面的质量报告;

6. 支持语音提示、远程消息传递、短信等多种方式的报警信息传递手段;

7. 完善的日志记录与查询系统,为事后统计分析工作提供原始依据。

近年来,随着TS over IP 技术发展和应用,基于该技术实现了一批播控系统,在实际应用中,我们发现原有多画面产品不能完美地适应新需求,在一些方面需要特别优化。

多画面在应用中存在的不足

传统多画面产品应用在TS over IP 系统,存在两大类问题:第一,视音频数据的实时性和完整性要求。在IP 网络上传输视音频数据使用UDP 或基于 UDP 的RTP, 这些协议不属于可靠的传输。依赖网络的运行状态,数据传输存在不同程度的延时或丢包,这些错误可能导致下游设备出现马赛克、画面 抖动、黑场等现象。目前不同设备对这类错误没有统一的处理方式,多数情况下采用替代数据或重复画面方式屏蔽这类错误,我们认为播出系统作为系 统的信源,需要保证信息的完整准确,而不是忽略这些问题,多画面不能只停留在显示信号有无的层面,需要反映出网络系统健康程度。第二,系统统 一时钟问题。IP 网络区别于传统SDI 传输,是有延时的网络,且延时不确定。基于IP 网络的特点,很多设备在其内部建有缓存,以减少网络抖动,这样 的做法进一步增加时间不确定性。由此可见,在IP 网络上建立一个同步到统一时基上的系统是一件困难的事情。除了上述两点,还有一类常见的问题 是:码流自身存在错误。这类问题发生的原因很多,如:节目拼接、设备重新编码造成的码流错误等等。由此分析可知,传统的多画面隐藏了部分缺陷, 不能准确反映出码流情况,甚至播出系统质量下降后没有任何提示。

改进的功能

针对以上问题,新版晶彩IP 流媒体显示和检测系统做了三点改进:

1. 码流稳定性监测

码流频繁波动,可能造成解码端设备缓冲区的上溢和下溢,播放时出现马赛克、静帧等现象。除了编码端造成的码率不稳定以外,网络造成的不稳 定是重要因素,不同于ASI 系统,IP 流系统多路信号共用物理链路,带宽共享,码率可能存在很大的波动,尤其是网络上有大量文件迁移的时候,码率 可能出现不稳定。监看码流,如果出现不稳定,可以预警,如果进一步恶化,可能出现画面不正常。在图1 中,黄色曲线是码率曲线,纵轴为1 秒内数 据流量。

同时监测视频连续计数,从丢包的情况判断网络是否稳定。如图,红柱表示视频连续计数错误数。

2. 码流信号检测

在检测码流方面,DVB 系统测量标准之一,TR101 290 为我们提供了重要处理依据,其中定义三个优先级,可以检验TS 流是否符合MPEG-2 和 DVB 标准。第一等级是可正确解码所必须的参数;第二等级是达到同步后可连续工作必须的参数和需要周期检测的参数;第三等级是依赖于应用的参数。

分析TR101 290 标准可知,该检测模型从高向低逐级分析码流,检测过程规范合理,这样做利于查找问题的原因,该模型适合对码流数据上监测, 实际上也在码流分析仪上广泛采用。

多画面属于监看设备,从总体上显示码流情况,重点在于发现画面能否解码,是否有跳帧等现象。新版晶彩IP 流多画面采用判断视频PTS 是否连续 的方法判断是否断流或者缺帧。从PES 长度判断解码帧是否完整,是否可解码。因为判断视频PTS 是更低层的码流判断,所以一般是TR101 290 第一优 先级无错误时才可以判断,即只要能提取到PTS,视频包上基本没有一类错误。这种简化的判断方法,可以直观看到码流是否正常可解码,而不是阅读大量的检测参数。

3. 更精准显示时间控制

画面的延时,主要由两方面原因造成:第一,网络传输造成,数据抖动造成数据不能准时到达解码器;第二,在多画面内部,当解码通道过多时, 解码、显示线程数量众多,存在互相干扰,CPU 不能及时切换线程,导致在预计时间到达时没有可显示的画面,更严重的情况,这种延时会累积,延时 逐渐加长,最后采用跳帧的方式加快显示。这种情况在单机显示20 路以上画面时尤为明显。

帧精确控制在比较不同画面的时间差、判断设备造成时间偏移量和设备是否存在问题等方面都有重要的意义。晶彩IP 流多画面新架构如图2,增加 网络接收TS 数据缓存区,以接收到可解码帧后开始计时,指定时间后开始推向解码流程;在显示之前增加解码数据缓冲区,平缓因多路竞争造成的延 时,该缓冲区的另一个作用是用缺省图像替换无法解码的帧,使多画面只显示可解码帧,提示不可解码帧,真实表现码流情况,取代大多数解码器所采 用的用已显示帧代替不可解码帧的做法。

改进后的播放引擎能够准确控制延时量,实测40 路3.5Mbps 标清素材,系统在总计0.7 秒的延时后,可以排除码流抖动和多路竞争等影响,画面 流畅,图像能够以40ms 间隔准时显示输出。

总结

随着电视台内部设备向IP 化过渡,完全IP 化的播出系统正在逐步完善,晶彩IP 流多画面也跟随技术趋势,针对TS overIP 播出系统的需求,在码流 稳定性监测、码流完整性监测做了一些改进,增加专有的码流分析,更多地揭示后台码流的情况,显示时间控制准确性大幅提升,使IP 流多画面更接近 SDI 设备的性能,这些改进增加了多画面在IP 流自动播出系统中的实际价值。

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