引言
根据 《广电总局关于进一步促进和规范高清电视发展的通知》（2010-9-2），从2010年9月28日起，同播的高清频道高清节目同播率和高清播出率必须高于70%，同播的高清频道黄金时段（18:30-23:00）所有节目，包括影视剧、气象和广告等，必须全高清播出。力争2011年9月28日达到全高清播出的目标。
黑龙江省高清频道安全播出监管系统对黑龙江电视台播出的高、标清同播频道进行监测、监管，监测统计其高、标清同播率，高清率及黄金时段（18:30到23:00）高清率；监测统计高、标清节目变换不规范，非高清节目标注“高清”等违规情况。
图1 标清上变换方法示意图
一．设计思路
由于高清节目制作成本很高，部分电视台为了满足高清播出的需要，使用了上变换高清的制作技术，即将标清格式直接变换为高清格式，有以下三种模式，如图1所示：
第一种方式通过图像拉伸算法，将4:3的标清图像，按照比例拉伸为16:9的高清图像，保留了全部画面内容，但是画面产生了变形。
第二种方式在画面的左右两侧加黑边，达到整体画面符合宽高比16:9，原画面比例正常。
第三种方式将画面同比例放大之后，进行纵向剪切，保持画面比例正常，但损失了一部分画面内容。
分辨率不正确、由标清节目上变换成高清节目引起的黑边和拉伸都是判别节目是高清或者标清的重要依据。
二．设计原理
1.分辨率算法
在接收节目码流的同时，在解析完PES包后中的ES流中得到图像序列头中有关分辨率的字段，如果此时分辨率不是1920*1080，即可断定此节目为非高清。
2.黑边算法
上变换后有两种镶边模式：镶黑边模式和14:9镶边模式。
图2 镶黑边和16:9镶边上变换模式
在镶黑边过程中由标清到高清，两边需要填充240个像素点的黑边，而14:9镶边模式两边需要填充120个像素点的黑边，而且有些节目两边会出现字幕，综合以上情况，所选取距离最左边40个像素的一块60×600的区域计算。
（1）差值算法
划分小区域，将每个区域中相邻四个或者八个（考虑时间因素暂时四个）像素点的Y值进行差值计算，求出之间灰度最大差值（求出相邻像素的梯度，拉大高清和伪高清的差异），从而得出每个小块的Y值差值的累积和，将每个小块的差值累加放入到列表中，求出整个所选区域的差值平均值,这个值小于一个很小的数值（分块的个数），可判断为黑边，伪高清。
（2）平均值算法
将所选区域的像素点Y值累加起来，除以所选区域的像素点个数得到像素点的平均Y值，这个值如果小于一个给定的数值（10）即可判断为黑边，伪高清。
3.拉伸判别算法
上变换还有一种常见的就是将标清拉伸成高清图像。
图3 拉伸上变换模式
（1）单节目指标系数
在高标清同播的基础上建立的判别算法，从图像自身的参数着手，包括图像的亮度和对比度，一般情况下标准的高清节目这两个系数会大于标准标清节目的系数，而拉伸的节目则会和标清节目系数相近，从此方面考虑，可以判断当前节目是否为高清。
亮度
利用公式-1，得出每个节目图像所选区域的平均亮度，可得出高标清节目的亮度对比图
（公式-1）
图4 真正高清和标清节目亮度比对图
图5 拉伸高清和标清节目亮度比对图
由图像可知，高清的亮度大于标清的亮度，而拉伸高清则和标清基本吻合，但是同时也看出高标清区分没有明显的判断界限。
对比度
利用公式-2，可得出每个节目所选区域的对比度，结果如下：
（公式-2）
图6 标准高清和标清节目对比度比对图
图7 拉伸高清和标清节目亮度比对图
由图像可知，高清的对比度大于标清的对比度，而拉伸高清则和标清基本吻合，但是同时也看出高标清区分没有明显的判断界限。[page]
（2）双节目比较系数
峰值信噪比(PSNR)
峰值信噪比在工程上一般运用在处理前后的图像质量好坏程度的值，是一种评价图像的客观标准，处理前后的图像取对应点通过PSNR计算，可得出PSNR值，值越高说明图像相似度越大，反之相似度越小。对于求Y值的PSNR公式（公式-3）：
（公式-3）
其中MSE =为两图像对应点的方差。
图8标准高清节目和标清节目PSNR值比对结果
图9拉伸高清节目和标清节目PSNR值比对结果
由上述曲线可知，标准高清和标清的PSNR值在[6,16]之间浮动，而拉伸高清和标清的PSNR值在[20,35]之间浮动，可以看出，拉伸高清和标准高清在与标清节目做PSNR值计算时出现明显的界限。可作为高标清识别的参考依据。
结构相似度（SSIM）
结构相似度是关于图像的亮度、对比度和图像结构的有机整合，通过两幅图像计算得出的SSIM值会在[-1,1]范围波动，其中越接近1表示两幅图像越相似，反之则不相似。
（公式-4）
其中为图像的平均亮度，为图像的对比度，为两幅图像相互对比度，为6.5025，为58.5225，通过计算可得到节目相应两幅图像的结构相似度，结果如左：
图10 标准高清节目和标清节目SSIM值比对结果 (将SSIM值*100)
图11 拉伸高清节目和标清节目SSIM值比对结果 (将SSIM值*100)
由上述曲线可知，标准高清和标清的SSIM值在[-20,80]之间浮动，而拉伸高清和标清的SSIM值大多在[80,100]之间浮动，可以看出，拉伸高清和标准高清在与标清节目做SSIM值计算时出现明显的界限。可作为高标清识别的参考依据。
4.同播率监测原理
高标清节目的同播率的监测通过对一路标清和一路高清节目信号进行图像比对来实现。由于两套标高清节目的制作是分离的，从而导致了两套标高清节目的播出不同步。我们做图像比对之前，必须先对两路节目进行时间同步，这样才能确保图像比对的准确性。
首先我们选取一个时间节点，同时解码抽取高清信号的帧a和标清信号的帧b，帧a分别与标清信号接下来的各帧进行比对，帧b分别与高清信号接下来的各帧进行比对，选取相似度最高的两帧作为基准帧，这样可以锁定高标清信号的时延，完成两套标高清节目的同步。之后我们运用图像比对技术，每隔一段时间对标高清节目的两帧进行匹配，以此来确定高标清信号是否处于同播状态。通过24小时内的连续采样，可以得到高标清同播的时间，计算出同播率。
三．系统实现
根据我方提出的需求，博汇公司推出了高清播出分析系统HDMark，依据以上设计思路与算法，成功实现了对高清节目播出率及高标清节目同播率的监测。
系统主要界面如图12、13：
图12高清率及同播率监测报警界面
图13节目录像查看与审核界面
四．系统特点
本系统是响应广电总局提出的关于高清节目播出率和同播率的要求，开展的一个自动化监测项目。系统建设完成后，实现了黑龙江高清与黑龙江卫视之间的实时比对分析，能够有效报告黑龙江高清频道的高清节目播出率和该频道的高标清同播率。
·系统采用优秀的图像识别算法，算法运行效率高、识别率准确。
·实时图像显示，以图形化方式展示比对结果，显示直观，方便用户实时定位问题。
·可自动识别不同信号间的传输延迟和数据抖动，支持最大在30秒内自动动态查找信号同步点，自适应能力强，报警准确度高。
·可根据比对的视频信号质量不同，选择不同信号匹配度，以提高或降低报警门限，大大提高报警的精度。
·支持与中心监管平台对接，可进行远程监测比对，支持监测数据查看、分析、输出报表。
·系统采用TS over IP的全网络架构，数据传输更加可靠、稳定。更改比对信号时，不需要调整设备线路，通过软件设置即可调整。
·系统结构灵活，扩展方便，配合博汇科技各型号嵌入式监测处理前端可扩展支持各种类型视频信号对比监测，如QAM、QPSK、CVBS信号等。
五．结束语
广播电视监测工作是衡量广播电视事业发展水平的一个重要标志，担负着为广播电视节目播出安全提供重要的保障工作，随着高清节目数量日益增多，建立完善的高清节目播出率及高标清节目同播率监测系统具有深远的意义。我们要紧跟广播电视发展趋势，为高清电视的顺利推广保驾护航。B&P