MPEG2-TS VBR碼流質量監測技術

薛沛林，梁潔，吳雪波

（1. 中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2. 上海德科仕通信有限公司，上海 200190）

MPEG2-TS VBR碼流質量監測技術

薛沛林1，梁潔1，吳雪波2

（1. 中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2. 上海德科仕通信有限公司，上海 200190）

MPEG2-TS VBR編碼技術日益廣泛使用，但傳統的基于MDI-DF的算法不太適合檢測VBR碼流的傳輸質量問題。提出了MPEG2-TS VBR碼流質量評估算法，通過監測MPEG2-TS碼流的PCR字段，計算在單位時間內接收到的VBR視頻流的可播放時長與單位時間的絕對偏差量，根據絕對偏差量評價VBR視頻流傳輸質量。實驗結果證明該算法具有可行性和時效性。

視頻碼流；MPEG2-TS；VBR；質量監測；內容推送

1 引言

傳統的數字電視業務（如DVB、IPTV）一般采用恒定比特率（constant bit rate，CBR）編碼技術來壓縮和傳輸視頻流。CBR編碼的優點是比較容易實現可靠的視頻服務質量保障，對視頻服務器的性能管理、電視終端的緩沖區管理以及IP承載網的流控管理的實現復雜度相對較低。但是，CBR編碼的主要缺點是視頻壓縮效率較低，尤其是對超高清等新業務，CBR編碼浪費了大量的帶寬資源。

隨著人們對觀看高清視頻節目的需求越來越大，新的視頻編碼技術和標準（如H.264、H.265）也不斷涌現，這些新技術更多地采用了可變比特率（variable bit rate，VBR）編碼技術來提高視頻的壓縮和傳輸效率。但VBR視頻流的碼率變化幅度較大，這對視頻服務器、IP承載網、電視終端的功能和性能都提出了更高的要求，尤其是對VBR視頻流的質量監控，技術難度更大。

VBR編碼的視頻流傳輸帶寬往往存在很大波動，因此繼續沿用MDI:DF標準來評價VBR視頻的碼流質量顯然是不合適的，這樣會產生大量的MDI:DF值超標引起的誤告警。本文介紹一種新的VBR視頻流質量測試方法，可對VBR視頻質量問題進行更準確的告警，并提出一種改進的MDI:DF算法（以下簡稱MDI:DF_V）來評價VBR視頻碼流質量。

2 MDI標準

對于傳統的IPTV所采用的MPEG2-TS CBR碼流的視頻質量監控，IETF（Internet Engineering Task Force）標準化組織已發布了 RFC4445 MDI規范。在MDI標準中主要定義了兩個參數，即媒體丟失率（media loss rate，MLR）和時延系數（delay factor，DF）。

MDI:MLR可以簡單定義為每秒丟失的媒體數據分組的數量。當 MLR非零時，意味著MPEG2-TS碼流中的部分音視頻內容丟失或受損，會導致畫面失真（如馬賽克、花屏）現象。根據其評估算法，MLR指標對于CBR和VBR碼流是同樣適用的。

MDI:DF是一個時間值，可以理解為機頂盒的緩沖區必須容納多少毫秒的數據才能消除媒體流抖動。該參數實際反映了視頻流碼率的波動情況，傳輸碼流越恒定，則MDI:DF值越小；反之則越大。如果MDI:DF值過大，超過了機頂盒緩沖區的容忍限度，就會導致緩沖區上溢或下溢。緩沖區上溢會導致媒體數據分組的丟失，造成畫面失真；緩沖區下溢會導致無視頻流數據可供解碼，造成畫面卡頓。

RFC4445 MDI 規范中定義了 MDI:DF值的計算方法：在采樣周期中，先計算每個視頻封裝分組到達時間的變化，然后與預期的視頻流速度對比得出DF值。采樣周期默認為 1 s，DF值在每次采樣周期完成后更新。假設在測量點有虛擬緩存大小為 X，具體DF的計算式如下：

其中，接收到的字節數為實際測量得到；解碼所需的字節數通過對媒體流解碼分析得到。

則：

媒體流碼率單位是byte/s。Xmax和Xmin是在采樣周期內所得數值。

根據式（2）可知，該指標的設計原理是以媒體流碼率為恒定數值為基礎的。但VBR編碼特性決定了其碼流比特率本身就存在很大波動，因此繼續沿用MDI:DF標準來評價VBR視頻的碼流質量會產生大量的MDI:DF值超標引起的誤告警。

用 VBR 碼流來傳輸IP視頻節目時，由于機頂盒緩沖區大小有限，如果視頻服務器的碼流輸出時序存在問題或IP網絡時延抖動過大，仍然會導致機頂盒緩沖區上溢或下溢的問題，造成畫面馬賽克或卡頓現象，因此業界迫切需要一種新的測試方法來評價 VBR 視頻流的質量，并對其視頻質量問題進行告警。

3 MPEG2-TS VBR碼流質量評估算法

3.1 節目參考時鐘

在MPEG2-TS 碼流的編碼過程中，編碼器中有一個頻率為27 MHz的系統時鐘（system time clock，STC）， 此時鐘用來產生指示音視頻的正確顯示和解碼的時間戳。MPEG2-TS 碼流包含了一個被稱為節目參考時鐘（program clock reference，PCR）的字段，該字段用來指示系統時鐘本身的瞬時值，它被放在 TS分組頭的自適應區中，被定期（每隔 40 ms）傳送。通過PCR值不但可以獲得正確的解碼時間，還可以用來計算TS速率等與時間有關的信息。由于PCR字段是在編碼器生成 TS 碼流時，隨著音視頻內容被實時同步插入，它基本反映了音視頻內容的時序關系，因此可以計算一段TS碼流的起始 PCR。

3.2 VBR碼流評估算法

檢測基于可變比特率編碼的 MPEG2-TS 碼流的質量問題，可通過監測 MPEG2-TS碼流的PCR字段來計算在單位時間內接收到的 VBR視頻流的可播放時長與單位時間的絕對偏差量，并根據該絕對偏差量數值來評價 VBR視頻流質量的方法。

下面是具體的算法描述。

步驟1 開始采樣，并設置采集周期（缺省為1 s）。

步驟2 通過采集設備在視頻服務器出口、網絡中間點或視頻終端對基于可變比特率編碼的MPEG2-TS碼流進行數據分組捕獲。

步驟3 對MPEG2-TS碼流進行協議解析，檢測出包含節目參考時鐘的MPEG2-TS數據分組（以下簡稱 PCR TS分組），并記錄采樣周期內：第一個PCR TS分組的數據分組捕獲時間標簽T(1)和該PCR值PCR(1)；最后一個PCR TS分組的數據分組捕獲時間標簽T(n)和該PCR值PCR(n)。T(1)、T(n)、PCR(1)、PCR(n)均以μs為單位。

步驟4 計算VBR碼流的時延系數值：DF_V = | (PCR(n) - PCR(1)) - (T(n) - T(1)) |。

MDI:DF_V 算法流程如圖1所示。

圖1 MDI:DF_V 算法流程

4 算法軟件實現及驗證

4.1 算法軟件實現

根據上述的評估算法，可開發相應的軟件實現。軟件實現方法可以多樣性，開發關鍵點是確保對VBR視頻流的PCR采樣和本地時鐘采樣的正確性，然后設置相應的流程進行比較。具體到實際開發，可參考圖2提供的軟件開發流程。

詳細的軟件實現步驟描述如下。

步驟1 通過采集設備在視頻服務器出口、網絡中間點或視頻終端對基于可變比特率編碼的MPEG2-TS碼流進行數據分組捕獲；將視頻終端緩沖器中的可播放時長（buffer time，BT）初始化，BT = 0；將首次緩沖標記（Flag）設置為1。

步驟2 對MPEG2-TS碼流進行協議解析，檢測出包含節目參考時鐘的 MPEG2-TS數據分組，計算兩個相鄰PCR TS分組的時間差Ta，并計算這兩個相鄰PCR值的時間差Tb。假設第n個TS 分組的數據分組捕獲時間標簽為Timestamp(n)，其 PCR值為 PCR(n)，則 Ta= Timestamp(n+1) - Timestamp(n)，Tb= PCR(n+1) -PCR(n)，Ta和Tb均以ms為單位。

步驟3 若首次緩沖標記Flag＝1，則計算終端緩沖區中的可播放視頻時長：BT = BT + Tb。

步驟4 檢查BT是否達到終端的首次緩沖時長B1，若BT

步驟 5 若首次緩沖標記 Flag＝0，計算終端緩沖區中的可播放視頻時長：BT＝BT＋Tb– Ta。

步驟6 若BT < 0，則系統提示“視頻可能出現卡頓”，視頻卡頓時長（flag time，FT）＝FT +|BT|，并將BT重置為0，然后跳轉到步驟8。

圖2 MDI:DF_V軟件開發實現流程

步驟 7 B2為終端緩沖區可容納的最大可播放視頻時長，若BT > B2，則系統提示“緩沖區上溢告警，可能出現畫面失真”，BT＝B2。

步驟8 檢查視頻流是否結束，若未結束，則跳轉到步驟2；否則結束算法。

4.2 實驗驗證測試

基于以上的 VBR碼流質量評估的定義和算法，可應用到視頻質量探測設備產品中。目前市場常見的產品可分為獨立硬件模式和嵌入軟件模式兩種。獨立硬件產品主要有視頻流質量分析儀表、視頻流質量探針等，而軟件形式出現的主要是機頂盒嵌入監測探針模塊、視頻服務器嵌入質量監測模塊等。下面將介紹本算法在4K智能機頂盒軟探針產品的實現應用情況。

4K業務質量監測探針通過Android智能機頂盒網口抓取分組，并對4K視頻流進行DPI（deep packet inspect，深度分組解析），實現對4K視頻的QoS（quality of service，服務質量）指標統計，并提供接口將指標上傳給 IPTV SQM（service quality management，服務質量管理）業務質量監測系統。IPTV SQM作為運維解決方案的監控下發、結果展示呈現中心，提供了豐富的人機交互界面，負責下發監控任務到各級節點探針，收集匯總各級探針上報的視頻質量監控數據，提供監控數據展示、故障定界、歷史記錄查詢和統計分析等功能。

為了驗證本文算法的可行性，測試VBR業務對IP網絡傳輸指標變化之后，VBR碼流評估是否正確可靠，搭建了4K視頻質量測試實驗環境（如圖3所示），驗證4K視頻監測探針測試指標的準確性，為IPTV SQM系統指標告警門限的設定提供參考依據。

圖3 在4K軟探針實現VBR碼流質量算法評估

其中網絡損傷模擬儀器可以模擬各種網絡情況（如分組丟失、時延、抖動、帶寬限速等），從而檢驗 4K終端設備在不同網絡狀況下的視頻質量情況，進一步得出高質量4K視頻播放對IP承載網QoS指標的要求。4K機頂盒內嵌QoS軟探針，對不同網絡損傷場景下的4K視頻業務質量參數和用戶體驗質量（quality of experience，QoE）參數進行測量，并與4K電視的實際觀看效果進行對比，從而驗證4K機頂盒QoS軟探針的測試指標準確性。

4.2.1 新舊算法的評估對比

首先，在輕載網絡下播放一段質量良好的MPEG2-TS VBR碼流，屏幕播放體驗良好，沒有任何播放故障。然后，同時使用傳統的 MDI:DF算法和本文介紹的MDI:DF_V算法進行評估。

從實驗結果來看，傳統的 RFC4445 MDI:DF算法得出該碼流的DF峰值在300～400 ms波動，按照慣用標準，這是一個質量不穩定的碼流，很容易觸碰告警閾值，引發錯誤報警。顯而易見，這并不是 VBR碼流質量的客觀反映。因此試驗證明，傳統的MDI:DF算法不適合評估VBR碼流質量。傳統RFC4445 MDI:DF評估VBR碼流如圖4所示。

與此同時，程序啟用本文介紹的 MDI:DF_V算法，對同一碼流質量進行評價。通過采樣運算，得出該碼流的DF峰值在10 ms處波動。當時的承載網絡是吉比特以太網網絡，而且只傳輸本試驗的碼流，傳輸路徑屬于極度輕載狀態，MDI:DF應該是一個非常理想的狀態。因此，對比以上2種算法，本文算法的結果更加符合該碼流的真實質量情況。改進算法 MDI:DF_V評估VBR碼流如圖5所示。

4.2.2 評估算法準確性驗證

為進一步驗證本文提出算法的準確性，采用網絡損傷儀表對被測的VBR碼流定量損傷，比較改進算法的評估結果與損傷情況是否吻合。本次測試保證承載網絡處于輕載狀態，然后在視頻流必經的網絡路徑串接思博倫的Attero損傷儀表，對視頻流進行定量時延損傷。然后啟動視頻質量探針，監測VBR碼流的質量情況，計算MDI:DF_V算法是否正確，是否與損傷儀表的設定一致。圖6是損傷儀的損傷設定界面。

圖4 傳統RFC4445 MDI:DF評估VBR碼流

圖5 改進算法 MDI:DF_v評估VBR碼流

圖6 損傷儀的損傷設定界面

機頂盒里的視頻質量探針監測到視頻碼流的狀態，使用本算法運算，然后通過平臺接口上報IPTV SQM系統平臺顯示。系統平臺能實時監控視頻流的質量變化情況，對應本次實驗，重點監控其MDI:DF_V值是否跟損傷儀表設定一致。圖7是本文算法算出的MDI:DF_V值，為2 964.36 ms，跟損傷條件基本一致，再次證明該算法的可行性和實效性。

圖7 本文算法得出的MDI:DF_V值

5 算法應用建議

以上是本文介紹的一種新的 VBR視頻流質量測試方法，它是一種改進的MDI:DF算法，更加適用于評價VBR視頻碼流質量，可對VBR視頻質量問題進行更準確的告警。

這種算法可應用于IPTV質量評估產品開發，比如IPTV質量分析儀表、機頂盒終端嵌入式監測探針等。目前基于機頂盒軟件探針式的評估已被廣泛應用，監測探針可對VBR視頻碼借鑒這種改進的MDI:DF算法，開發VBR碼流監測模塊，制定VBR碼流的新型質量指標定義。

VBR碼流監測模塊通過分析MPEG2-TS碼流的PCR字段來計算接收到的VBR視頻流的可播放時長，并模擬終端視頻緩沖區增長和消耗過程，然后根據緩沖區上溢或下溢事件來檢測視頻出現畫面失真或卡頓等質量問題。與此同時，該模塊還可通過跟蹤MPEG2-TS碼流的PCR字段計算在單位時間內接收到的 VBR視頻流的可播放時長與單位時間的絕對偏差量，并根據該絕對偏差量數值來計算出MDI:DF_V指標。

6 結束語

市場需求決定技術更新，VBR碼流質量評估算法需要更加切合碼流特性。隨著4K等新業務的不斷普及和推廣，IPTV機頂盒處理VBR碼流的緩沖器容量有限，合理地評估VBR的傳輸質量，可以有效反饋IPTV承載網絡的健康程度，及時調整碼流的發送或者切換低通率碼流，保證用戶的觀看體驗。本文介紹的算法已經在中國電信股份有限公司的一些機頂盒探針產品上得以推廣應用，在此希望得到更多的完善和推廣，為VBR碼流評估提供一種可選的有效方法。

毫無疑問，VBR碼流日益廣泛使用，無論是點播業務還是直播業務，其傳輸效率彰顯技術優勢，碼流傳輸質量的優劣評估將是嶄新而迫切的研究課題。本文提出的評估方法并不一定局限在機頂盒探針，也可應用于各類視頻質量分析儀表或者其他軟件模塊中。本文的算法也不是唯一的評估手段，相信在不久的將來，隨著業務需求和市場需求的驅動，更多高效的評估算法將不斷涌現、百花齊放。

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Quality monitoring technology of MPEG2-TS VBR video stream

XUE Peilin1, LIANG Jie1, WU Xuebo2
1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China 2. Dekscom Communication Co., Ltd., Shanghai 200190, China

MPEG2-TS VBR coding technology is widely used, but the traditional MDI-DF-based algorithm is not suitable for detecting the transmission quality of VBR stream. The MPEG2-TS VBR stream quality evaluation algorithm was proposed. By monitoring the PCR field of MPEG2-TS stream, the absolute amount of playback time and unit time of VBR video stream

in unit time was calculated. VBR video streaming quality was evaluated according to the absolute deviation. Experimental results show that the proposed algorithm is feasible and effective.

video stream, MPEG2-TS, variable bit rate, quality monitoring, content delivery

The National High Technology Research and Develoment Program of China (863 Program) (No.2015AA015803)

TN919

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017227

薛沛林（1970?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP多媒體網絡傳輸、IPTV內容分發網絡。

梁潔（1974?），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP多媒體網絡傳輸、IPTV內容分發網絡。

吳雪波（1974?），男，上海德科仕通信有限公司技術總監，主要研究方向為IP多媒體網絡傳、視頻圖像質量分析。

2017?05?16；

2017?07?16

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA015803）