IP網(wǎng)絡(luò)傳輸下的4K超高清視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析

余方玲

（安徽廣播電視臺(tái)播控中心，安徽 合肥 230071）

0 引 言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播電視逐步進(jìn)入4K超高清時(shí)代。4K視頻節(jié)目既要保證內(nèi)容豐富多元，也要保證視頻質(zhì)量，為觀眾帶來(lái)零卡頓、零馬賽克的超高清極致視覺(jué)享受。4K超高清視頻質(zhì)量對(duì)傳輸?shù)膸挻笮　⒋a率和動(dòng)態(tài)范圍都有較高的特殊要求，這也對(duì)視頻服務(wù)器和IP承載網(wǎng)的性能等提出了更高要求。為保障視頻質(zhì)量，還需要加強(qiáng)對(duì)業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和維護(hù)[1]。對(duì)此，筆者結(jié)合自身知識(shí)對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。

1 基于IP網(wǎng)絡(luò)的4K超高清視頻系統(tǒng)的搭建和配置

1.1 系統(tǒng)搭建

本系統(tǒng)基于某超高清視頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行搭建，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 4K超高清視頻的IP傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中，首先利用HEVC編碼器對(duì)4K源視頻進(jìn)行編碼壓縮處理，將其整合為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）數(shù)據(jù)流便于網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信號(hào)傳輸過(guò)程存在一定損失且不能通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)控制處理，因此本文采用加損的方式，利用網(wǎng)絡(luò)損傷軟件設(shè)置抖動(dòng)、丟包、延時(shí)等多種服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）參數(shù)，模擬各種網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境[2]。然后利用視頻分析軟件來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4K傳輸信號(hào)的丟包率、PCR抖動(dòng)和平均意見值（Mean Opinion Score，MOS）等狀態(tài)信息。最后將源視頻和受損視頻都通過(guò)VLC播放器進(jìn)行播放和對(duì)比分析。

1.2 參數(shù)配置

本節(jié)主要介紹超高清視頻編碼器的配置和IP網(wǎng)絡(luò)仿真配置。編碼器配置方面，多種類型的4K超高清源視頻通過(guò)HEVC視頻編碼算法被壓縮為不同碼率的TS流。HEVC編碼器按表1參數(shù)進(jìn)行配置。

表1 HEVC編碼器的參數(shù)配置表

IP網(wǎng)絡(luò)仿真配置方面，由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)傳輸中視頻數(shù)據(jù)可能受丟包、延遲和抖動(dòng)等影響，其中丟包對(duì)信號(hào)質(zhì)量的危害最大，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和控制。本文使用網(wǎng)絡(luò)損傷模擬軟件，創(chuàng)設(shè)丟包環(huán)境并研究其對(duì)4K視頻質(zhì)量的影響[3]。本次研究的丟包率設(shè)定在0.01%～1%。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，丟包數(shù)量只要超過(guò)1%，4K視頻畫面就會(huì)出現(xiàn)模糊不清、視頻卡頓、聲音與畫面脫節(jié)等質(zhì)量問(wèn)題。

1.3 參數(shù)監(jiān)測(cè)

本文利用視頻分析工具EyeNet對(duì)多種QoS數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下。

（1）丟包數(shù)和丟包率。丟包率=TS丟包數(shù)/總傳輸?shù)腡S包數(shù)目。只需要監(jiān)測(cè)丟包數(shù)，根據(jù)公式就可以計(jì)算求得丟包率。

（2）PCR抖動(dòng)?；趥鬏斨械亩〞r(shí)損傷考慮，以某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的外部基準(zhǔn)為參照，通過(guò)測(cè)量PCR內(nèi)27 MHz時(shí)鐘的高頻變化，反映傳輸定時(shí)變化。

（3）MDI-DF。根據(jù)IETF RFC4445標(biāo)準(zhǔn)，MDI即媒體傳輸指標(biāo)。MDI-DF值反映的是被測(cè)試視頻流的抖動(dòng)和延遲情況，二者之間正相關(guān)。

（4）MDI-LR，反映的是被監(jiān)測(cè)視頻流媒體數(shù)據(jù)包的每秒丟失數(shù)量。

（5）視頻MOS，指的是監(jiān)測(cè)視頻流質(zhì)量的MOS分值。視頻MOS值是衡量視頻質(zhì)量的宏觀指標(biāo)，其影響因素一般包括網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)、抖動(dòng)頻率及視頻編碼質(zhì)量等。

（6）I幀和P幀丟失數(shù)目。分別指的是在I幀和P幀上發(fā)生的丟包情況，會(huì)導(dǎo)致各幀內(nèi)容的部分或全部丟失，由此影響視頻質(zhì)量。

2 IP傳輸網(wǎng)絡(luò)下的4K視頻質(zhì)量監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析

2.1 IP網(wǎng)絡(luò)中的視頻圖像質(zhì)量問(wèn)題

丟包現(xiàn)象是網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境下的普遍現(xiàn)象，可導(dǎo)致視頻部分變形、畫面馬賽克、靜幀、卡頓等問(wèn)題。IP網(wǎng)絡(luò)傳輸中，超高清視頻常見的質(zhì)量問(wèn)題主要有視頻局部變形或馬賽克等問(wèn)題。圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別顯示了超高清視頻（碼率100 Mb·s-1）在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的損傷情況[4]。

圖2 超高清視頻在傳輸中的損傷情況

2.2 IP傳輸網(wǎng)絡(luò)下的4K視頻圖像質(zhì)量測(cè)試

本研究通過(guò)使用丟包加損的方法來(lái)模擬不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)置了多個(gè)加損參數(shù)，同時(shí)對(duì)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如下。

2.2.1 相同視頻不同碼率的丟包數(shù)據(jù)

以丟包率0.1%、MOS值2.5分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如果碼率相同則丟包率越高M(jìn)OS值就越低；如果丟包率不變，則碼率的增長(zhǎng)變化與MOS值呈反比[5]。除此之外，影響視頻MOS值的還包括I幀和P幀丟失數(shù)量、MDI-DF延時(shí)、PCR抖動(dòng)等諸多因素。比如，1 Mb·s-1和100 Mb·s-1碼率時(shí)丟包率都是0.01%，但1 Mb·s-1時(shí)MOS值 為3.44，MDI-DF為316.27 ms，I幀丟失比為0.34%，P幀丟失比為1.37%，PCR抖動(dòng)為6.49 ms。而100 Mb·s-1時(shí)，MOS值變?yōu)?.75，MDI-DF增加為460.05 ms，I幀丟失比降為0.27%，P幀丟失比變?yōu)?.40%，PCR抖動(dòng)增加到15.92 ms。

2.2.2 不同視頻同碼率的丟包數(shù)據(jù)

為探究不同視頻序列受網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懬闆r，本次研究選用3個(gè)4K超高清視頻序列，按100 Mb·s-1碼率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3個(gè)4K視頻序列進(jìn)行壓縮處理，IP網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率設(shè)定為0.01%和0.05%。圖3顯示的是0.01%和0.05%兩種丟包率下視頻A的MDI-LR值、MOS值及I幀和P幀丟失數(shù)的QoS參數(shù)情況。

由圖3可知，當(dāng)丟包率為0.01%，I幀的丟失變化直接影響到視頻MOS值的變化；但I(xiàn)幀無(wú)丟失時(shí)，視頻MOS值只受P幀的丟失數(shù)影響。丟包率為0.05%時(shí)，I幀丟失數(shù)帶來(lái)的視頻MOS值變化更顯著[6]。

圖3 不同丟包率下視頻A的QoS參數(shù)情況

圖4和圖5顯示的是視頻B和視頻C在不同丟包率下相關(guān)參數(shù)的變化情況。

圖4 不同丟包率下視頻B的QoS參數(shù)情況

圖5 不同丟包率下視頻C的QoS參數(shù)情況

圖4和圖5中，各視頻的MOS值也主要由I幀丟失數(shù)目所決定。在I幀丟失數(shù)一致時(shí)，P幀丟失數(shù)越多，視頻MOS值越差。丟包率在0.05%時(shí)，I幀丟失數(shù)對(duì)于視頻MOS值的影響更明顯。但是，相同丟包率和視頻碼率下，不同視頻序列的MOS值變化不大。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)4K超高清視頻質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，丟包對(duì)不同碼率、不同視頻的影響幾乎相同，而碼率因素較少影響視頻丟包情況。