IPTV視頻傳輸質(zhì)量集中監(jiān)測系統(tǒng)的研究

當前，IPTV是倍受關注的熱點技術，國內(nèi)外建設了大量IPTV的試驗網(wǎng)、商業(yè)試運營網(wǎng),各地擁有很多的用戶，可以說IPTV技術發(fā)展如火如荼。IPTV提供的各種業(yè)務豐富多彩，尤其是視頻業(yè)務滿足了人們的各種應用，也將成為運營商的收入增長點。

目前在國內(nèi)IPTV的技術標準尚未確定，各廠家的產(chǎn)品還缺少各方面的嚴格測試及大范圍的應用。支持IPTV業(yè)務開展的網(wǎng)絡以IPv4為主，接入手段以ADSL、以太網(wǎng)、CableModem等方式為主。各研究機構及各運營商實驗網(wǎng)的測試表明，隨著IPTV用戶數(shù)量的增加，IPv4網(wǎng)絡尤其是在接入層面對服務質(zhì)量(QoS)的支持及用戶對業(yè)務質(zhì)量要求的矛盾日漸突出。這些矛盾直接表現(xiàn)由于網(wǎng)絡性能的原因造成圖像質(zhì)量下降，所以在IP環(huán)境下視頻流的傳輸質(zhì)量成為影響IPTV業(yè)務開展的關鍵問題。

對于IPTV的運營商來講，在用戶對視頻質(zhì)量產(chǎn)生置疑時，如何快捷查找故障點，排除故障，進而構建一個可方便IPTV業(yè)務管理的監(jiān)測系統(tǒng)成為未來IPTV大規(guī)模運營的關鍵技術問題。

視頻圖像質(zhì)量的測試

對于視頻通信系統(tǒng)的視頻質(zhì)量測試，一直是人們研究的難點。對于數(shù)字視頻編解碼器的視頻質(zhì)量測試，通常通過PSNR值來進行衡量，常用于靜態(tài)圖像質(zhì)量的分析。然而人的視覺系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)，人的主觀對視頻質(zhì)量的感覺不能僅用PSNR來表達，因為觀察者在觀察視頻圖像時還會被其他因素影響，如環(huán)境、立場、場景及好惡等，同時這些因素又很難精確測量和量化。

ITU-RBT.500-11制定了測試視頻質(zhì)量的方法，即DSCQS(Double Stimulus Continuous Quality Scale)的方法，如圖1所示。

DSCQS測試示意圖

DSCQS的方法是將原始圖像及被測圖像交替顯示，讓足夠多的觀察者觀察對比，對被測圖像打分，然后計算平均值，這是主觀的測試方法。它雖然可以準確反映圖像質(zhì)量，但是具體實現(xiàn)時卻有很大困難。

ITU-T又頒布了對于視頻質(zhì)量測試的J.144建議，在建議中推薦了以下幾種參考模型。

1.BT full-referencemodel(British Telecommunications

2.CPqD-IESalgorithm(TelecommunicationsResearchand Development Center)

3.Edge PSNR

(Yonsei University/SK Telecom/Radio Research Laboratory)

J.144還給出這幾種模型和DSCQS測試方法、PSNR的相近程度，并指出具體的測試方法，如圖2所示。

J.144建議視頻質(zhì)量測試方法

圖2中，將未經(jīng)視頻壓縮的源視頻流(做為參考視頻源)及經(jīng)過編碼解碼的視頻流(被測視頻流)輸入到測試設備中，在測試設備中對它們進行比較，并給出視頻質(zhì)量的參考值，以此定量評估視頻系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。需要說明的是此種測試方法與被測視頻流采用何種編碼方式無關。

VQEG(VideoQualityExpertGroup)是專門對視頻質(zhì)量技術進行探討的組織。針對DSCQS及ITU-T J.144建議，VQEG推薦目前有專用的測試設備，如Tektronix的PQA300視頻質(zhì)量測試儀，它是用自己發(fā)送的測試序列作為測試源，發(fā)送給被測編碼設備，然后將經(jīng)過解碼的視頻輸入到測試設備儀中，通過計算對比得到視頻流質(zhì)量的結(jié)果。這種測試方法一方面需要專用的測試序列，另一方面它的測試需要做大量計算，實時性差。另外VQEG推薦另一個視頻質(zhì)量測試設備K-will公司的視頻質(zhì)量測試儀，可以將未經(jīng)編碼的原始視頻(不需專用視頻序列)及經(jīng)過處理的視頻做為被測視頻輸入到該設備，通過實時計算得到視頻質(zhì)量的參考值，該值用百分比來表示。百分比值越低代表被測視頻和原始越接近。該設備可實時地得到測量結(jié)果。

這種測試方法需要將兩路用于比較的視頻都輸入到測試儀中，通常稱為雙端測試。在IPTV的測試應用中，由于視頻源是已經(jīng)封裝好的IP數(shù)據(jù)流，無法輸入到前面介紹的專用測試設備中。并且由于支持J.144的測試設備價格昂貴，不可能大量應用于實際運營維護中。

經(jīng)過大量實驗表明，影響IPTV系統(tǒng)視頻質(zhì)量的因素一方面還在于編解碼器自身的性能及對視頻流傳輸質(zhì)量的適應能力，另一方面IP網(wǎng)的傳輸問題，即IP網(wǎng)性能對視頻流傳輸有著重要的影響,IP網(wǎng)的性能參數(shù)Latency、Jitter、PacketLoss是影響視頻傳輸的重要參數(shù)。ITU-TG.1050建議針對IP網(wǎng)的性能做了分類，即WellManaged IP Network、Managed IP Network、Unmanaged IP Network，并對這三類網(wǎng)絡做了詳細的定義，定量給出了其所定義的三類網(wǎng)絡的性能參數(shù)。G.1050同時給出了在不同IP網(wǎng)絡性能參數(shù)情況下，語音業(yè)務的質(zhì)量參數(shù)(用PESQ、MOS等評定)，即語音質(zhì)量和IP網(wǎng)性能參數(shù)之間的關系。但是對于視頻流和IP網(wǎng)絡性能參數(shù)之間的關系，G.1050并未給出。在這種情況下，對于如何建立可運營可管理的IPTV系統(tǒng)成為IPTV發(fā)展的重要問題。

MDI(Media Delivery Index)

視頻流傳輸性能指標MDI(MediaDeliveryIndex)由Cisco及IneoQuestTechnologies公司提出并被IETF采納，標準號為RFC4445。MDI的提出為IPTV系統(tǒng)中視頻流的傳輸性能提供了有效的辦法。MDI定義了兩個視頻流傳輸?shù)男阅苤笜?DF(Delay Factor)和MLR(Media Loss Rate),并根據(jù)DF及MLR對視頻流傳輸性能進行評測。DF值表達的是每個數(shù)據(jù)包在測試點被顯示或者記錄到達時間的間隔值。MLR給出了在選定的時間間隔內(nèi)數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)量或失序數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

通過計算DF值及MLR值可以得到在一定視頻流速率下，需要視頻緩沖區(qū)的大小，用于平滑由于網(wǎng)絡性能變差造成解碼器輸出視頻圖像質(zhì)量的下降。所以MDI參數(shù)是目前在IP網(wǎng)絡環(huán)境下和視頻圖像傳輸質(zhì)量密切相關的參數(shù)。

在實際應用中，MDI參數(shù)可以較為方便地測量計算獲得。RCF4445中詳細介紹了MDI參數(shù)的計算方法。這使得對于在IPTV系統(tǒng)中視頻流的傳輸質(zhì)量測試變得方便可行。將對視頻圖像的測試轉(zhuǎn)化為對視頻流傳輸質(zhì)量的測試，并且將復雜雙端測試(如DSCQS方法)變?yōu)閱味说臏y試，具有很強的實用性。MDI和DSCQS測試一樣，與被測視頻流的編碼標準無關。