王 勇

（河南省驻马店广播电视台，河南 驻马店 463000）

2019年以后，“5G+电视现场直播”在广播电视传播中得到初步的应用，并成为广播电视传播技术融合与创新的新方向之一。从“5G+电视现场直播”的具体实践来看，其不仅促进了现场直播带宽的拓展，提升了现场直播的清晰度、流畅度和灵活性，同时也与“讲好中国故事”的传播理念相符合，最大化地发挥出传播技术优化对广电媒体传播创新的作用[1]。本研究以广播电视新闻节目现场直播为例，结合传统现场直播系统存在的音视频不同步、图像像素缺失等问题，结合5G技术，对电视新闻节目现场直播的传输路径和传输方法进行系统的优化。本研究使用的优化方案，综合采用了卡帧自适应技术、H.264压缩技术等，并结合电视新闻现场直播系统的相关原理，搭建了5G+电视现场直播的整体优化设计体系，结合具体实践，对测试结果进行 展示。

1.1 总体设计架构

本研究提出的系统框架，主要结合广播电视新闻节目现场直播的具体流程需求，设计新闻现场数据收集（采集与发送端）、服务器以及接收端，详细如图1所示。

图1 系统框架

新闻现场数据收集主要是对收集的新闻信息源进行压缩与传送，采用的技术主要包括H.264和ACC压缩技术，将信息源进行编码并传送到服务器中。本研究提出的系统的服务器，主要针对的问题是现场直播系统中因用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）传输中网络拥堵导致信息难以及时、有效的传送到直播端的问题，并结合RTCP技术，设计了解决传送过程中网络拥堵的方案。方案的核心在于接收端口在接收到经由实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）数据包整合的数据以后，对相关数据进行重新组合，并将其传送到缓冲区，对相关数据进行再次解码、传送和响应直播区间的播放[2]。设计方案中的服务器处理逻辑如图2所示，服务器对传输问题的优化主要是基于启动、解决、具体事件处理以及反应与记录的逻辑思路。

图2 服务器处理逻辑

1.2 音频和视频处理过程

电视新闻现场直播系统的核心工作是对直播内容的音频和视频数据进行处理，这直接影响到播出内容的流畅性和受众观看体验。在传统的现场直播中，直播数据与信息经由传输通道传送至播出端，中间未经过数据的处理和整合，容易出现音视频帧数据丢失、像素缺失的问题，影响到整体的播出效果[3]。本研究在总体架构设计下，通过编码转换等方式，在传输过程中对音频和视频数据内容进行有效性验证，确保传输音视频内容的完整性。

视频和音频帧处理最重要的部分是视频帧的数据接收。在接收网络传输模块的视频数据时，首先对数据进行解析，验证数据的有效性，然后对视频帧的属性参数进行识别，等待下一步处理。利用前一步接收到的数据，根据设定的视频帧参数对视频数据进行解析，将视频帧推送到需要使用该帧的模块，包括视频编码模块、视频文件记录模块、SDI输出模块等，并对视频帧验证的使用时间进行记录。验证完成以后，采用RTP技术对数据进行整合，传送到服务器终端和播出端。这样不仅能够最大程度地确保音视频数据信息的完整性，同时也能提高帧验证的频率，并通过RTP技术的转码，减少对系统资源的占用情况，提升传输过程的流畅性[4]。

1.3 数据存储设计

5G电视新闻现场直播服务器处理的数据包括视频和音频文件、录音/广播服务器的配置文件、电视节目列表、相应多通道媒体服务器的信息表和SDI输出注册表。

5G电视新闻现场直播服务器中最重要的数据是音频和视频文件。但是，由于音频和视频文件传输过程中会占用磁盘空间，并随着传输信息的迭代形成磁盘碎片，这便会导致视频和音频数据在高比特率视频传输过程中阻塞，影响用户观看体验[5]。

对此，将视频和音频文件按照电视台的节目名称搭建数据库类目。各个类目中，按照文件夹中的日期进行分类。为了方便用户查找和下载文件，在相应的视频和音频文件所在的文件夹中设计了一个名称相同的后缀索引文件。当用户下载当前视频和音频文件时，通过读取索引文件，可以获得用户的目标时间文件在主文件中的位置，并可以直接开始读取。这样能够减少用户在操作过程中的等待时间，提高了用户体验[6]。

2.1 卡片框架自适应与信道传输

采用卡片框架自适应策略的主要目的是缩短帧数据缓冲的周期，从而提升视频的流畅度，为受众提供一个流畅的视觉效果[7]。卡片框架自适应策略的实施主要是以渐进回传帧为主要方式，降低音频和视频数据在传输过程中的重复率，提高数据帧之间的断点距离，确保帧数据重复与循环的频率能够形成平滑推进的趋势。

在卡片框架自适应策略实施的基础上，以动态比特率的方式对音视频的帧数据进行传输，形成数据传输通道。其中，实时流传输协议（Real Time Streaming Protocol，RTSP）在传输通道中发挥着关键性的作用，主要对传输的过程进行远程控制和分析，确保信息传输的连续性以及发送端和接收端的时间同步性。在音视频数据信息传输的过程中，通过RTSP协议的数据整合与优化，申请电视新闻直播端口的服务器响应，并结合直播端口输出的参数，对传输中的比特率进行设置。同时，在数据传输过程中，也结合电视新闻直播的需求，生成RTCP（传输控制协议）标准，对传输链路中的速率进行自适应，形成信息传输的标准和数据结构。RTCP传输控制工作过程如图3所示。

图3 RTCP传输控制过程

2.2 提高直播影像质量

电视新闻直播过程中的影像质量包括画面质量、音响质量，最常出现的问题是声画不同步，这会影响直播的效果[8]。因此，为了提高电视新闻直播影像质量，本研究采用RedbridgeII板卡对影像信息进行解码，最大程度地降低播放的延迟可能性。RedbridgeII采用SDI视频10位，AES/EBU音频24位的国家标准，确保直播影像能够实现高清晰度的效果。

首先，结合SDI接口特性，对传输过程抖动性的问题进行处理。一般而言，直播画面在信息传输通道中如果出现抖动的问题，便会导致影像在接收完成以后的质量相对下降。结合我国广电行业设定的标准，通常抖动容限不能超过0.2 UI，本研究将其作为参考值，将抖动容限范围设定为0.18 UI。

其次，结合SDI信道传输的特性，对传输过程中的非线性失真情况和振幅频率进行控制。这两个指标主要衡量传输过程中的信号衰减情况，因此指标越小，传输性能越高，代表的传输信息保真度也越强。结合当前我国广电实践的具体情况，本研究将信道失真度设定值域为（0，0.1%），最大程度地降低信道传输过程中抖动图像导致的退化和非线性失真问题，非线性失真在传播过程中的一般表现如图4所示。

图4 非线性失真一般表现图

2.3 直播视频压缩

结合广电行业的实践来看，视频压缩主要采用H.264编码技术。该种技术相对于MPGE4、H.263等编码技术而言，编码效果更好，并且压缩视频的质量也更高。因此，本研究在直播视频压缩技术上采用H.264编码方法，该方法的具体运行如图5所示。

图5 H.264编码系统运行框图

2.4 RTCP反馈拥塞控制

在电视新闻直播过程中，拥塞情况的发生会直接影响传输的性能和直播传输的质量。该种情况经常发生，主要是由于信号传输出现并发或者发包数量过多的问题。结合本研究采用的数据传输方式，以及在日常广电直播实践中遇到的问题，采用基于RTCP反馈的拥塞控制机制，借助TCP友好速率控制算法（TCP-Friendly Rate Control，TFRC），对服务器中传输反馈的数据包进行接收，并计算适应传输的速率，与现有传输速率进行对比，对当前传输速率进行调整。

3.1 CPU占用率测试

5G+电视现场直播系统中，CPU位于系统的服务器内，影响服务器信息传输的运行，反映系统在事件处理过程中的顺畅度和拥堵情况，具体表现形式为CPU的占用率。本研究中，测试时间以 5 min为段点，分别为5 min内单个用户数量和5 min内20个用户（集合用户）。结合测试结果来看，当单个用户达到20个时，CPU占用率为1.5%左右，18个集合用户（360个用户）时，CPU占用率为8%，而1个集合用户（20个）时，CPU占用率为6.5%。因此，CPU占用率和用户数量没有明显的比例关系。也因此，本研究提出的方案，能够实现多个用户同时在线需求，同时，CPU占用率能够得到有效分配。

3.2 基于RTCP反馈的拥塞控制效果测试

网络拥塞控制主要体现在视频延时和图像质量上。结合CPU占用率测试情况，采用20个用户同时使用时的传输拥塞情况进行测试，将发送数据包记录系统时间记为T1，并将其放入数据包的传输中；
在接收端接收数据包，提取时间戳，将再次得到当前系统的时间记为T2，得到准确的延迟（T2-T1）。表1总结了基于RTCP反馈拥塞控制的有效性测试的结果。结合具体测试情况，当不采用本文提出的拥塞控制方案时，延迟时间为2 s左右，会出现跳帧和拼接现象。采用拥塞控制方案后的延迟时间约为100 ms，图像相对清晰平滑，基本没有帧丢失和模糊现象。在UDP方式下，本文提出了基于RTCP的反馈拥塞控制机制，以达到预期的效果。实时流媒体直播较好地延迟了并发处理，图像质量相对清晰平滑，减少了网络拥塞控制，降低了分组丢失，能够满足音视频广播对实时性和图像质量的要求。

表1 基于RTCP反馈拥塞控制的有效性测试结果

3.3 图像处理测试

图像处理测试主要评价图像传输过程中的像素缺陷情况、光响应情况以及信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）情况。图像传感器缺陷像素的测试中，将测试的环境控制在24 ℃，测试时间为20 ms，最终得出该环境下，像素的缺陷为18 362，像素缺陷总数占据0.41%，这也就导致了在亮度较低的环境下，部分像素存在过度亮的反应。

图6 系统服务器CPU情况

本研究采用标准根均方平均数偏差法检验光响应不均匀性（Photo Response Non-Uniformity，PRNU）。根据公式：

式中：V0为数据的平均输出信号，n是光源表面像素的数量，V0i是像素的信号输出情况。在对有源像素的传感器光响应进行测试中，主要考察其非均衡性。在对其进行测试的过程中，测试温度仍旧控制为24 ℃，将传感器的状态设置为半饱和状态，最终得出非均衡性的结果为1.89%。

对于信噪比的测试情况，主要是采用不同情景，分别采用非均匀校正、缺陷像素替换以及“非均匀校正+缺陷像素替换”的方法，对图像传感器的曝光情况进行调整，检验输出信号（Vsat）平均值为10%～90%状况下的信噪比。

结合测试研究，采用非均匀校正+缺陷像素替换的方法，能够达到信噪比最优化的效果。该方法对成像图像进行处理，处理前后的成像效果比较如图7所示。从图7可以看出，通过采用“非均匀校正+缺陷像素替换”方法处理的图像，在整体信噪比方面更加平缓，随着信号平均值的变化，信噪比分布也在2～2.5 dB之间集中，而采用其他方式进行处理的图像，随着信号平均值的加大，其信噪比变化也不断加大，这也进一步证明了本研究中使用方法的有效性。

图7 处理前后图像信噪比情况

5G技术的发展为电视新闻传播工作的创新提供了有效的支持，并改变了电视新闻传播的整体环境。从“聚焦”到个性化定制，受众对电视新闻的要求有了新的变化，要求电视新闻传播能够突出传播的“在场性”，确保直播音视频的质量。“5G+电视现场直播”作为提升电视新闻传播时效性和传播质量的有效方法，在当前的广播电视发展中得到了有效的应用。5G等新技术强化了电视新闻现场直播的互动性。本研究引用了H.264压缩、RTCP反馈拥塞等技术，并结合5G技术，提升了现场直播的清晰性和传播稳定性，能够提升电视新闻现场直播实施的灵活性和抗干扰性，具有参考和借鉴价值。

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