引言
根據 《廣電總局關于進一步促進和規范高清電視發展的通知》（2010-9-2），從2010年9月28日起，同播的高清頻道高清節目同播率和高清播出率必須高于70%，同播的高清頻道黃金時段（18:30-23:00）所有節目，包括影視劇、氣象和廣告等，必須全高清播出。力爭2011年9月28日達到全高清播出的目標。
黑龍江省高清頻道安全播出監管系統對黑龍江電視臺播出的高、標清同播頻道進行監測、監管，監測統計其高、標清同播率，高清率及黃金時段（18:30到23:00）高清率；監測統計高、標清節目變換不規范，非高清節目標注“高清”等違規情況。
圖1 標清上變換方法示意圖
一．設計思路
由于高清節目制作成本很高，部分電視臺為了滿足高清播出的需要，使用了上變換高清的制作技術，即將標清格式直接變換為高清格式，有以下三種模式，如圖1所示：
第一種方式通過圖像拉伸算法，將4:3的標清圖像，按照比例拉伸為16:9的高清圖像，保留了全部畫面內容，但是畫面產生了變形。
第二種方式在畫面的左右兩側加黑邊，達到整體畫面符合寬高比16:9，原畫面比例正常。
第三種方式將畫面同比例放大之后，進行縱向剪切，保持畫面比例正常，但損失了一部分畫面內容。
分辨率不正確、由標清節目上變換成高清節目引起的黑邊和拉伸都是判別節目是高清或者標清的重要依據。
二．設計原理
1.分辨率算法
在接收節目碼流的同時，在解析完PES包后中的ES流中得到圖像序列頭中有關分辨率的字段，如果此時分辨率不是1920*1080，即可斷定此節目為非高清。
2.黑邊算法
上變換后有兩種鑲邊模式：鑲黑邊模式和14:9鑲邊模式。
圖2 鑲黑邊和16:9鑲邊上變換模式
在鑲黑邊過程中由標清到高清，兩邊需要填充240個像素點的黑邊，而14:9鑲邊模式兩邊需要填充120個像素點的黑邊，而且有些節目兩邊會出現字幕，綜合以上情況，所選取距離最左邊40個像素的一塊60×600的區域計算。
（1）差值算法
劃分小區域，將每個區域中相鄰四個或者八個（考慮時間因素暫時四個）像素點的Y值進行差值計算，求出之間灰度最大差值（求出相鄰像素的梯度，拉大高清和偽高清的差異），從而得出每個小塊的Y值差值的累積和，將每個小塊的差值累加放入到列表中，求出整個所選區域的差值平均值,這個值小于一個很小的數值（分塊的個數），可判斷為黑邊，偽高清。
（2）平均值算法
將所選區域的像素點Y值累加起來，除以所選區域的像素點個數得到像素點的平均Y值，這個值如果小于一個給定的數值（10）即可判斷為黑邊，偽高清。
3.拉伸判別算法
上變換還有一種常見的就是將標清拉伸成高清圖像。
圖3 拉伸上變換模式
（1）單節目指標系數
在高標清同播的基礎上建立的判別算法，從圖像自身的參數著手，包括圖像的亮度和對比度，一般情況下標準的高清節目這兩個系數會大于標準標清節目的系數，而拉伸的節目則會和標清節目系數相近，從此方面考慮，可以判斷當前節目是否為高清。
亮度
利用公式-1，得出每個節目圖像所選區域的平均亮度，可得出高標清節目的亮度對比圖
（公式-1）
圖4 真正高清和標清節目亮度比對圖
圖5 拉伸高清和標清節目亮度比對圖
由圖像可知，高清的亮度大于標清的亮度，而拉伸高清則和標清基本吻合，但是同時也看出高標清區分沒有明顯的判斷界限。
對比度
利用公式-2，可得出每個節目所選區域的對比度，結果如下：
（公式-2）
圖6 標準高清和標清節目對比度比對圖
圖7 拉伸高清和標清節目亮度比對圖
由圖像可知，高清的對比度大于標清的對比度，而拉伸高清則和標清基本吻合，但是同時也看出高標清區分沒有明顯的判斷界限。[page]
（2）雙節目比較系數
峰值信噪比(PSNR)
峰值信噪比在工程上一般運用在處理前后的圖像質量好壞程度的值，是一種評價圖像的客觀標準，處理前后的圖像取對應點通過PSNR計算，可得出PSNR值，值越高說明圖像相似度越大，反之相似度越小。對于求Y值的PSNR公式（公式-3）：
（公式-3）
其中MSE =為兩圖像對應點的方差。
圖8標準高清節目和標清節目PSNR值比對結果
圖9拉伸高清節目和標清節目PSNR值比對結果
由上述曲線可知，標準高清和標清的PSNR值在[6,16]之間浮動，而拉伸高清和標清的PSNR值在[20,35]之間浮動，可以看出，拉伸高清和標準高清在與標清節目做PSNR值計算時出現明顯的界限。可作為高標清識別的參考依據。
結構相似度（SSIM）
結構相似度是關于圖像的亮度、對比度和圖像結構的有機整合，通過兩幅圖像計算得出的SSIM值會在[-1,1]范圍波動，其中越接近1表示兩幅圖像越相似，反之則不相似。
（公式-4）
其中為圖像的平均亮度，為圖像的對比度，為兩幅圖像相互對比度，為6.5025，為58.5225，通過計算可得到節目相應兩幅圖像的結構相似度，結果如左：
圖10 標準高清節目和標清節目SSIM值比對結果 (將SSIM值*100)
圖11 拉伸高清節目和標清節目SSIM值比對結果 (將SSIM值*100)
由上述曲線可知，標準高清和標清的SSIM值在[-20,80]之間浮動，而拉伸高清和標清的SSIM值大多在[80,100]之間浮動，可以看出，拉伸高清和標準高清在與標清節目做SSIM值計算時出現明顯的界限。可作為高標清識別的參考依據。
4.同播率監測原理
高標清節目的同播率的監測通過對一路標清和一路高清節目信號進行圖像比對來實現。由于兩套標高清節目的制作是分離的，從而導致了兩套標高清節目的播出不同步。我們做圖像比對之前，必須先對兩路節目進行時間同步，這樣才能確保圖像比對的準確性。
首先我們選取一個時間節點，同時解碼抽取高清信號的幀a和標清信號的幀b，幀a分別與標清信號接下來的各幀進行比對，幀b分別與高清信號接下來的各幀進行比對，選取相似度最高的兩幀作為基準幀，這樣可以鎖定高標清信號的時延，完成兩套標高清節目的同步。之后我們運用圖像比對技術，每隔一段時間對標高清節目的兩幀進行匹配，以此來確定高標清信號是否處于同播狀態。通過24小時內的連續采樣，可以得到高標清同播的時間，計算出同播率。
三．系統實現
根據我方提出的需求，博匯公司推出了高清播出分析系統HDMark，依據以上設計思路與算法，成功實現了對高清節目播出率及高標清節目同播率的監測。
系統主要界面如圖12、13：
圖12高清率及同播率監測報警界面
圖13節目錄像查看與審核界面
四．系統特點
本系統是響應廣電總局提出的關于高清節目播出率和同播率的要求，開展的一個自動化監測項目。系統建設完成后，實現了黑龍江高清與黑龍江衛視之間的實時比對分析，能夠有效報告黑龍江高清頻道的高清節目播出率和該頻道的高標清同播率。
·系統采用優秀的圖像識別算法，算法運行效率高、識別率準確。
·實時圖像顯示，以圖形化方式展示比對結果，顯示直觀，方便用戶實時定位問題。
·可自動識別不同信號間的傳輸延遲和數據抖動，支持最大在30秒內自動動態查找信號同步點，自適應能力強，報警準確度高。
·可根據比對的視頻信號質量不同，選擇不同信號匹配度，以提高或降低報警門限，大大提高報警的精度。
·支持與中心監管平臺對接，可進行遠程監測比對，支持監測數據查看、分析、輸出報表。
·系統采用TS over IP的全網絡架構，數據傳輸更加可靠、穩定。更改比對信號時，不需要調整設備線路，通過軟件設置即可調整。
·系統結構靈活，擴展方便，配合博匯科技各型號嵌入式監測處理前端可擴展支持各種類型視頻信號對比監測，如QAM、QPSK、CVBS信號等。
五．結束語
廣播電視監測工作是衡量廣播電視事業發展水平的一個重要標志，擔負著為廣播電視節目播出安全提供重要的保障工作，隨著高清節目數量日益增多，建立完善的高清節目播出率及高標清節目同播率監測系統具有深遠的意義。我們要緊跟廣播電視發展趨勢，為高清電視的順利推廣保駕護航。B&P