4K/UHD交付關鍵技術研究

【摘要】4K/UHD超高畫質收視體驗源自視音頻及其傳輸交付流程各環節的質量嚴控。本文以質量監測視角，從文件質控、轉碼監測及RF/IP/OTT傳輸三方面，闡述4K/UHD從內容生產直至收視體驗完整交付流程各環節關鍵技術。

【關鍵詞】文件質控 高效視頻編碼（HEVC） RF IP OTT/ABR

一.引言

4K/UHD技術與藝術的完美融合，技術彰顯藝術，其超高畫質是超高像素數（UH D）、高動態范圍（HDR）、寬色域（WCG）、高幀頻（HFR）四大技術的鼎力呈現。超高畫質收視體驗使4K視音頻及其傳輸交付流程各環節質量嚴控成為至關重要。本文將以質量監測視角，從文件質控、轉碼監測及RF/IP/OTT傳輸三方面，闡述4K/UHD從內容生產直至收視體驗完整交付流程各環節關鍵技術。

二.文件質控

4K從內容提供方到播出收視（RF、VOD、OTT）的交付流程為：內容提供方經生產（錄像、錄音）和后期制作（編輯、混聲及色彩校正）生成IMF（交付母版文件）并交付業務提供方，業務提供方將IMF文件轉碼生成適應廣播RF、VOD、OTT（ABR/HTTP）不同業務平臺的文件，播出收視。IMF及各類業務平臺標準如表1所示。

從4K內容創建至收視各環節質控[1]如圖1所示，涉及內容攝取階段元數據質量查驗、后期制作階段人工質控查驗、轉碼階段感知視頻質量（PVQ）及偽影去除、分發階段ABR打包及編碼器邊界點（EBP）查驗、部署階段收視體驗（QoE）。媒體播放則用于所有階段人機交互質控。

基于文件的視音頻質量自動化控制（下文簡稱“文件質控”）可以很好地衡量4K交付各環節大量文件及格式問題，尤其是自適應碼流視音頻問題；以高于正常回放速度解碼查驗視頻每幀，諸多非可視錯誤，例如，元數據錯誤，極易檢出。文件質控客觀降低了人工質控的主觀性。因此，文件質控成為4K優質收視體驗的關鍵。

1.文件格式

4K交付常用格式文件結構IMF[2]如圖2所示，提供極高質量視頻（編碼常用格式為JPEG2000）、一個或更多音頻及輔助數據。I M F由MXF（素材交換格式）和XML構成，MXF封裝視頻、音頻、字幕及元數據，XML包括CPL（合成播放列表）、OPL（輸出配置列表）、Asset Map（資產圖譜）及Packing List（包裝列表）。OPL與CPL關聯使用，可生成從MPEG-2 1080i到HEVC 4K寬泛的輸出格式文件。一個數據包可以有多個CPL，分別指向不同的語言和字幕，OPL包含不同文件格式轉碼信息。既可多個OPL關聯一個CPL，也可一個OPL關聯多個CPL。OPL可將一個文件轉換輸出為不同格式文件（如：英文版配音、字幕動畫片，同時輸出avi和mp4兩種格式文件），CPL可將多個文件轉換輸出為同一文件格式（如：同一動畫片的英文、中文及德文版的配音、字幕文件，均輸出為avi格式文件）。

2.文件質控

（1）基礎質控

優質高效視頻壓縮編碼HEVC（ITU-T H.265）是確保4K業務質量（QoS）和收視體驗（QoE）的根本。質控重點在于編碼格式（語法/語義）及其對標準的遵循（編碼內容正確與否），包括內容（傳輸流、MXF文件、視頻、音頻、文字說明/字幕等）及傳輸（RF和IP）兩個層面。語法/語義質控確保正常播放，視音頻質控確保收視體驗。質控難點在于視音頻編碼的非法參數（如，HEVC超范圍運動矢量）。人工質控無法深入編碼內部查驗語法和參數正確與否，文件質控[1]可監測和回放IMF文件及其附加封裝，監測和播放CPL，實時或快速解碼包括JPEG2000、DPX、HEVC、DNxHR及H.264/AVC/AVCI/ XAVC在內的4K編碼，可以24幀/秒的速度實現JPEG 2000文件監測。文件質控主要涵蓋容器級傳輸系統、視頻、音頻內容監測，詳述如下。

編碼語法/語義在數字層面上監測[3]視音頻是否按標準正確無誤編碼，以確保正常播放。HEVC解碼器收到未知命令，發出語法錯誤。高級解碼器可智能屏蔽、隱藏或最小化誤碼所致問題，普通解碼器簡單處理為解碼惡化或失敗、甚或解碼崩潰。為避免此類問題，在交付終端用戶前，應查驗語法/語義錯誤，確保正常播放。圖3所示為語法錯誤對畫質的影響。圖 3-A為I幀無誤碼視頻，圖3-B可見在I幀中插入4個bit誤碼對畫質的嚴重影響，片中每個誤碼產生的級聯效應直至結束。對于壓縮視頻而言，這種影響極為且愈發糟糕。因I或錨幀是B和P幀的參考，奇數查找塊、宏塊和片段將被編碼運動矢量移動直至下一I幀到來。該問題持續時間取決于畫面組（GOP）長度，一般為500ms左右。圖3-C可見另外15幀之后圖像仍有可視偽影。由此可見，語法錯誤給收視體驗帶來極大負面影響。

編碼參數監測[3]視音頻碼率、GOP結構、視頻色域、色彩位深、幀分辨率、幀頻、寬高比及量化電平正確與否。圖4所示視頻解碼錯誤在于塊內DCT索引越界。除文件質控外，4K媒體播放器可基于與HEVC兼容的高級編解碼功能播放高分辨率文件、處理更復雜封裝、實時回放IMF CPL，實現幀準級人工質控，在CPL間精準查驗誤碼幀，直觀快速確定質量問題。

基帶參數和質量等級監測信號電平的模擬參數、亮度、色度、色域黑幀的質量等級、視頻質量（塊效應）、凍結幀、場序、信箱/郵箱模式、光敏性癲癇癥、音頻丟失、靜音、默音、測試音、限幅、播放時間、多軌音頻、音頻響度及峰值電平等指標。

附屬數據監測隱藏字幕、圖文電視、DVB字幕及時間碼正確與否。

（2） UHD和HDR

UHD和HDR技術的出現拓展了現存生態系統的維度。除上述基礎監測外，還需要UHD和HDR監測。UHD監測涉及兩方面：其一、對原生4K和由其他格式，如35mm影片、4K影院版本或1080p HD轉換的UHD監測。不同內容，對其UHD要求不同；不同業務層次，對UHD要求亦不同。轉換的4K需要評估其轉換有效性，如升頻、掃頻、膠片顆粒過濾、偽影去除及色彩再分級等。因轉換和原生UHD要求不同，故UHD監測閾值設置亦不同，前者相對低些。其二、基于碼率監測UHD。HEVC 4K UHD碼率[4]通常為25Mb/s，編碼配置為Main-10bit像素精度/1024級采樣深度、Main 12-12bit像素精度/2048級采樣深度、4：2：0、4：2：2、4：4：4色度采樣。可據所用碼率監測UHD正確與否，碼率監測閾值可據HEVC編碼配置設定。

HDR打破20多年前制定的標準動態范圍規范（SDR、REC709），其給監測增加的復雜度，遠超4K分辨率優勢。HDR實現方法很多，共同點是均支持以較暗構圖元素的較深層次黑色及最亮白色和色彩元素的更高亮度實現更寬色域和更高動態范圍。頗具競爭力的兩大HDR標準[5]是PQ（感知量化）和HLG（混合對數伽瑪），對比動態范圍是2048：1甚或更高，色域變化范圍從757萬到69億色彩。PQ比較適于互聯網（電腦、手機）收視，HLG比較適于電視直播且應用最為廣泛。HDR采用10或12bit編碼[5]，后者需要監測兩個載荷，REC709基線圖像駐留非HDR收視集合，及REC2020顯示系統所需擴展部分。因此，不同實現方法的HDR，監測方法各不相同，HDR大大增加了其監測復雜度。

（3）文件錯誤類型

最簡單錯誤類型與文件屬性有關，例如，格式和元數據值。容器類型可接受或幀率正確為合格。文件錯誤大致分為六種，多數可視可聞，詳述如下。

即刻確定型 例如，視音頻編解碼及其配置文件和等級。若視音頻編碼采用H.264高配@等級4.1，而接收文件解碼與編碼格式不同，認定文件不合格。

解碼檢測型 元數據值只能解碼檢測。編碼錯誤在完整解碼時可檢測。容器的結構性（語法/語義）錯誤導致無法正常播放，盡管解碼器試圖隱藏錯誤，但仍致可視可聞缺陷。正確編碼（無語法/語義錯誤）同樣可致圖像劣化，例如，碼率過低可致壓縮產物—宏塊（邊緣）和量化產物（條帶效應）。

基帶錯誤型 可通過解碼所有幀及對圖像和音頻應用特定算法檢測。丟失物為實心黑幀和低電平音頻數據（或為零，或低于靜音門限）。過載視頻（色域誤差）或響度誤差可快速解碼像素和音頻數據檢測。

完全主觀型 畫面可見壓縮偽影數量完全是主觀見解。

監測型 基于監測實現檢測。例如，廣告片播放時長需計量幀數，播出問題需驗證文件解碼是否與元數據編碼一致。例如，實際幀率為23.976 fps，而元數據幀率為29.97 fps，導致播出問題。

攝入錯誤型 例如：VTR污染磁頭所致磁帶播放錯誤可以特征模式檢測。

二.轉碼監測

2.1 HEVC編碼

JPEG2000或其他MPEG編碼正確轉碼為HEVC對于確保QoE至關重要。HEVC編碼器結構如5圖所示，HEVC承襲H.264編碼技術，包含幀內和幀間預測、變換、量化、熵編碼等模塊。為提升壓縮率，將這些模塊整合為編碼CU、預測PU及變換TU三個單元。HEVC編碼效率是H.264的兩倍，節省帶寬的關鍵是塊再定義。圖6詳解了H.264宏塊與H.265編碼樹形單元和編碼單元的不同。H.264以宏塊為編碼單位，宏塊固定為16×16像素；HEVC以CU為編碼單位，最小實現8×8、最大實現64×64像素編碼；H.264和HEVC幀內預測模式為8和33種；HEVC比H.264擁有更佳矢量預測算法和運動補償。HEVC大幅提升壓縮比，基于相同視頻質量，相比H.264，僅需一半帶寬，視頻容量減少約39～74%，信噪比更佳。

HEVC編碼等級及特性如表2所示，從等級6.2（4K 3840×2160/300 Hz）直至1（128×96/15 Hz），每個等級均定義了最大碼率和最大亮度采樣。HEVC定義了寬泛的視頻格式，如表3所示，從每個像素的量化比特數（例如：Main8、10或12bit量化）到色度采樣格式（4：2：0到4：4：4）。Yes

2. 轉碼監測

確保高質量QoS和QoE貫穿整個系統，需要全程監測視音頻及其轉碼輸出，涵蓋物理、傳輸直至視音頻內容層的所有層次對標準的遵循。

（1） QoS監測MPEG/IP傳輸健康狀況，最重要的傳輸流監測標準ETSI TR 101 290優先級1、2和3提供綜合 QoS監測。優先級1：監測項目極其重要，涉及同步錯誤/丟失、表或數據包丟失監測。優先級2：解調失敗、PCR/DTS/PTS定時失敗。優先級3：電子節目指南、緩存失敗。此外，還需監測PCR間隔及準確度。

（2） QoE監測畫質、而非劣化原因，直接關乎收視體驗。深入觀察每個視音頻的每個傳輸流順序、GOP、畫面、片段、宏塊及塊層，查驗編碼器錯誤。實時監測編碼和轉碼區塊（CU）基礎碼流輸出，包括語法/語義所致視音頻問題。圖7所示為IP傳輸4K HEVC碼流QoE監測。

QoE直接關注視音頻質量，例如，宏塊、視頻瞬時中斷、凍結視頻及音頻丟失等，其最常見的錯誤、成因及解決方法詳述如下。

（1）局部塊狀結構如圖8-A所示，呈現于部分畫面或偶發。幀靜止或慢速運動時正常，快速或場景變化時，出現很多塊狀結構。低分辨率時，8×8像素塊連續出現在若干幀中。該問題是GOP過長、或帶寬過低、或未使用預濾波所致。解決方法是將GOP改為動態、增加帶寬、使用預濾波。

全局塊狀結構如圖8-B所示，呈現于全屏或連續出現。所有幀均出現塊狀結構。該問題是帶寬過低所致。解決方法是增加帶寬。

（2）網絡傳輸數據丟失如圖8-C所示，一個或更多高為16像素的行移動至左側。該問題是IP或RF數據丟失、緩存溢出、語法錯誤所致。解決方法是降低交換機或路由器容量，增強信噪比。

（3）網絡傳輸誤碼如圖8-D所示，偶發8×8或16×16像素塊在奇數色彩（通常為綠色）出現，時而伴有附加色彩問題。該問題是傳輸引入誤碼所致。解決方法是增強信噪比。

（4）網絡傳輸誤碼影響若干幀如圖8-E所示，單一幀中一個或若干bit（該例是4bit）誤碼，因運動矢量調整導致畫面誤碼移動，將隨新GOP（到來間隔為500ms）到來消失。該問題是傳輸引入誤碼所致。解決方法是增強信噪比。

（5）凍結視頻如圖8-F所示，相同幀重復出現數秒或分鐘。黑色視頻如圖5-H所示，相同黑色幀重復出現數秒或分鐘。兩個問題均由編碼器/復用器/再復用器視頻輸入丟失或接收機/解碼器鏈路丟失所致，前者還可由緩存下溢所致。解決方法是良好維護編碼器/復用器/再復用器視頻輸入連接至接收機/解碼器的RF/IP鏈路。

（6）單色視頻偶發如圖8-G所示，偶發色彩消失，在單色和彩色間切換。該問題是極度超范圍PCR導致復合色彩爆破所致。解決方法是復位編碼器或再復用器以保持PCR于正常范圍。

（7）聲音過高或靜音如圖8-I所示，平均音頻電平僅為幾個dB。節目和廣告間音頻切換電平偶有明顯變化。本例中，平均音頻電平約為-25 LKFS（上半場），其后約為2 dB以上，再后為均值以下。該問題是音頻編碼/復用未調整至參考值所致。解決方法是傳輸前，調整音頻電平至參考值附近。

3. 感知視頻質量（PVQ）[6]實時監測分級畫面質量，查驗視頻壓縮缺陷，例如，塊視頻，直接影響收視體驗，這些問題極難監測。隨著視頻內容增長，帶寬更緊張，PVQ監測愈加重要。PVQ可準確監測視頻缺陷并予以eMOS評分并分級視頻質量。eMOS用于傳輸流無“技術性”錯誤情形下，監測壓縮域視頻質量。PVQ對影響色度的過壓縮缺陷尤為敏感，故PVQ是監測HEVC過度壓縮損傷導致圖像褪色的最好方法。

4.OTT/ ABR轉碼監測，該業務涉及大量轉碼，需要一條視音頻轉換為多條輸出，因每條視音頻配置碼率、格式不同，故所需帶寬亦不同。不同配置視音頻播出要求遠程無縫切換碼率，這就要求瞬時解碼器刷新（IDR）和EBP提供幀準級時間校準。故該業務需實時監測HEVC編碼超定義范圍問題。

三. RF/ IP/OTT傳輸監測

1. RF傳輸

RF傳輸交付4K，實時監測RF信號，確保RF調制、上變頻、合波器、放大器按標準規范（如電平、格式等）運行至關重要。主要監測[3]RF功率電平、信噪比（MER）、傳輸流對ETSI EN TR 101 290標準的遵循，若所有RF信道均失敗，問題來自功放或同軸電纜；若單一RF信道失敗，問題來自調制器/上變頻器；若傳輸碼流失敗，問題來自復用器或調制器的再復用器。

RF傳輸交付方式為地面、有線及衛星。最重要的是高信噪比，信號電平較低或劣化，噪聲為主，劣化達到一定程度，接近數字懸崖。數字懸崖意味著FEC內置冗余或RS碼無法保護壓縮信號，解碼出現隨機值，出現圖像錯位、片段錯誤、靜幀、甚或節目完全丟失等問題。RF傳輸信噪比監測方法之一是誤差矢量幅度（EVM），“為零”意味著接收符號落在目標位置中心，“非零”意味著極為糟糕的接收符號落在目標范圍之外。EVM值越低，信號質量越好，越高意味著越需要依靠FEC糾錯。

圖9-A可見EVM和MER呈反向關系，噪聲增長和信號質量下降導致信號接近“數字懸崖”。圖9-B為DVB-S2 8PSK星座、MER為16dB，顯著噪聲導致該值并不高。圖中顯見某些樣值并未落在既定目標位置（符號錯誤）。該項內置FEC BER為2.35E-3，即每1000個bit有2個bit誤碼，故需要RS FEC糾正誤碼TS包。BER保持在5E-3以下，即為無誤碼；長時間誤碼將劣化信號質量。FEC BER劣化或TR 101 290監測報告存在傳輸誤碼，即存在RF傳輸或接收問題，可能是雨衰、多徑、地面干擾（TI）、或其他RF損傷所致。首先檢查功率，其次確保電纜完整性。TI需要實時頻譜確定準確位置。

2. IP傳輸

基于IP/UDP傳輸碼流幾乎完全取代之前所有傳輸方式。IP傳輸交付4K，實時監測[3]到達時間間隔、延遲因子、IP傳輸流連續計數和QoE等IP碼流傳輸指標及編碼對標準的遵循，存在問題，可能來自本地IP切換或路由器失敗（如，緩存溢出）；不存在問題，則IP碼流無誤碼交付。監測重點關注UDP數據包間過長或過短的間隙時間（例如，抖動）。間隙時間過長，則因丟包或切換延遲所致。基于TCP/IP傳輸IP碼流，因所有數據包均監測，如傳輸錯誤，可重傳。基于UDP傳輸，“傳過則忘”，數據包損壞或丟失，無副本重傳。故UDP數據流正確無誤傳輸至關重要。監測本地或遠程UDP會話，可精準定位IP誤碼引入所在。UDP數據包丟失后果取決于大量參數。如編碼、帶寬、丟失數據包是否為I幀的一部分等等。

圖10-A所示圖像無誤碼，所有UDP和TS數據包均完整。圖10-B圖像無誤碼，但中間丟失了一個UDP數據包，該數據包可譯碼為7個TS數據包。因丟失發生在I幀，視頻解碼嚴重損傷，某些解碼器中斷壞幀的下半部，某些則生成大量怪異的錯位塊，還有的則是靜止視頻直至新I幀到來。圖10-C和10-D與圖10-A和10-B雷同，圖10-C無誤碼，所有UDP和TS數據包均完整；圖10-D誤碼隨機出現在I、B、P幀中，故畫面較圖10-B有所不同。

3. OTT/ABR傳輸

OT T/ABR采用全新方法交付4K，最大優勢在于動態視頻碼率，避免節目中間顯示緩存信息。ABR基于完全不同于UDP的TCP承載視音頻，具備丟失或劣化IP數據包重傳機制。ABR承載多種視頻碼率和格式（例如4K、HD等等），用戶終端總是維持最高碼率，故既無需考慮碼率，亦無需停下來緩存數據，即可提供高質量收視體驗。

ABR實時監測提供寬泛的TCP/IP QoS監測[7]，如IP片段凈空高度、加載時間、延遲、大小及碼率。長時間段內ABR監測可助益于OTT/ABR網絡優化、提升收視體驗，圖11所示為1小時內ABR片段監測，片段加載時間超過播放時間，不能及時交付所有片段播出，可能因服務器過載或重定向至遠程服務器過長延遲所致；來自URL、H5TTP或解析告警，可能因打包器所致，需要分析XML文件以確定問題。加載時間、延遲、帶寬不匹配，需要分析源服務器配置確定定時問題；不存在問題， IP碼流無誤碼交付收視。自適應碼流技術比較如表4所示。

四. 結語

4K/UHD超高畫質收視體驗源自視音頻及其交付流程各環節質量嚴控。基于文件質量、視音頻質量及碼流實時監測控制其對標準的遵循是避免劣質收視（黑場、靜幀、剪切錯誤、靜音等），確保其優秀業務質量和出眾收視體驗的關鍵所在。唯此，方可完美呈現4K/ UHD的藝術魅力。BP

參考文獻：

[1] Aurora-Automated-File-based-Quality-Control-System-Datasheet-2NW6005410 [EB/OL]. Telestream. 05 JUL 2018. https：//www.telestream.net/pdfs/datasheets/Aurora-Automated-File-based-Quality-Control-SystemDatasheet-2NW6005410.pdf

[2] Quality-Control-for-File-Based-Video-Workflows[EB/OL]. Tektronix. 10/2016. http：//www.telestream.net/pdfs/general/Quality-Control-for-File-Based-Video-Workflows-25W608940.pdf

[3] A Guide to ensuring quality and compliance of your video and audio - Four Key Challenges of Delivering 4K/ UHD[EB/OL]. Tektronix. 02/2016. https：//www.telestream.net/pdfs/technical/Ensuring-Quality-and-Compliance-When-Delivering-in-4K-UHD.pdf

[4]中央廣播電視總臺4K 超高清電視節目制播技術規范（暫行）[S]. 中央廣播電視總臺. 發布日期：2018年7月.

[5]網絡視聽節目視頻格式命名及參數規范[S]. 中華人民共和國廣播電視和網絡視聽行業標準GY/T 353-2021. 國家廣播電視總局. 2021年8月19日發布

[6]Delivering Digital Video Services： Ensuring Quality and Compliance[EB/OL]. Tektronix. 07/2014. https：//www.telestream.net/pdfs/technical/Delivering-Digital-Video-Services-Ensuring-Quality-andCompliance-25W306720.pdf

[7]Maintaining High Quality of Experience in an Adaptive Bitrate System[EB/OL]. Tektronix. 08/2016. https：//www.telestream.net/pdfs/whitepapers/Maintaining-High-Quality-of-Experience-in-an-Adaptive-BitrateSystem-2CW608710.pdf