使用IxLoad進(jìn)行高清視頻質(zhì)量測(cè)試

【摘要】介紹了IXIA IxLoad進(jìn)行高清視頻質(zhì)量測(cè)試的原理、影響視頻質(zhì)量的各種因素、有感知的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)無(wú)參考型有感知的評(píng)價(jià)算法VQmon/HD得到的MOS指標(biāo)，總結(jié)了IxLoad所支持的特性。
1 引言
視頻傳送與承載網(wǎng)絡(luò)最關(guān)心的問(wèn)題就是得到有效的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)并通過(guò)這些指標(biāo)直觀地反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)或者設(shè)備的視頻傳送承載能力。當(dāng)前最為普遍的方法是采用MOS_V對(duì)總的圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是，具體每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)由于被測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)或者設(shè)備類型的不同又存在一定的差別。視頻源的質(zhì)量和類型、編碼方式甚至視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的不同都會(huì)對(duì)視頻MOS值存在影響。本文主要介紹IxLoad最新采用的VQmon/HD視頻質(zhì)量測(cè)試技術(shù)以及評(píng)價(jià)方法。
2 高清視頻質(zhì)量評(píng)定算法VQmon/HD介紹
IXIA推薦采用無(wú)參考型感知的（No-Reference Perceptual）視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法評(píng)估視頻的QoE指標(biāo)。這種方法不但評(píng)價(jià)視頻質(zhì)量非常準(zhǔn)確，能夠保證性能，而且還可以進(jìn)行真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的視頻質(zhì)量壓力測(cè)試并可以實(shí)時(shí)查看運(yùn)行狀態(tài)。有感知的視頻分析是指接收側(cè)在多層面上分析媒體流，通過(guò)評(píng)價(jià)算法，提供媒體流的主觀質(zhì)量分析。
2.1 VQmon/HD視頻質(zhì)量組成
IxLoad采用VQmon/HD視頻質(zhì)量評(píng)定算法進(jìn)行視頻流實(shí)時(shí)測(cè)試，支持的視頻編碼算法包括移動(dòng)圖像，MPEG-1，MPEG-2，H.261，H.263/263+，H.264，MPEG-4和VC-1。高保真語(yǔ)音編碼方式包括MPEG-1 Layer 1，2和3，MPEG-2高級(jí)語(yǔ)音編碼（Advanced Audio Coding，AAC)），AC-3，MPEG-4 AAC，低時(shí)延AAC和高效AAC等。這些視頻流可以是VOD應(yīng)用或者基于組播的IPTV應(yīng)用，IxLoad可以仿真真實(shí)的STB緩存空間以準(zhǔn)確模擬各種環(huán)境，同時(shí)對(duì)所有用戶的視頻流進(jìn)行視頻質(zhì)量評(píng)定。圖1是VQmon/HD視頻質(zhì)量分析算法的組成部分以及相應(yīng)功能的描述解釋。在圖1中，播放緩存仿真部分主要用于檢測(cè)丟包、重復(fù)和錯(cuò)序報(bào)文并計(jì)算抖動(dòng)指標(biāo)得到PPDV(RFC3550)和MAPDV(ITU-T G.1020)值，評(píng)估前向錯(cuò)誤糾正（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）的效率。如果采用R-UDP協(xié)議，還可以得到重傳數(shù)據(jù)包的比例以及對(duì)帶寬的影響。內(nèi)容分析部分可以檢測(cè)視頻的場(chǎng)景變化，能夠識(shí)別內(nèi)容的異常情況，包括無(wú)內(nèi)容、噪音、圖像停滯并產(chǎn)生告警信息。
IxLoad可以識(shí)別GoP結(jié)構(gòu)中的I，B，P幀并測(cè)量丟包率和每種幀的丟失分布情況。對(duì)于非加密的視頻流，可以對(duì)圖像頭信息進(jìn)行解碼得到每個(gè)幀信息、GoP大小和幀速率等信息；對(duì)于加密數(shù)據(jù)流，采用啟發(fā)式的算法檢測(cè)幀邊界以確定幀的長(zhǎng)度信息。
2.2 影響視頻質(zhì)量的因素
IP網(wǎng)絡(luò)中影響視頻質(zhì)量的因素主要包括3部分，即IP網(wǎng)絡(luò)損傷、編碼與解碼所造成的視頻質(zhì)量下降以及有感知的質(zhì)量評(píng)定過(guò)程中的主觀因素。
視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)損傷特別敏感，網(wǎng)絡(luò)損傷主要包括丟包，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng)等。丟包對(duì)視頻的質(zhì)量影響最大，丟包會(huì)引起一段或者全部視頻幀被破壞或者丟失，比如MPEG壓縮算法采用基于塊（Block）的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償減少即時(shí)冗余，而基于離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）的壓縮算法減少空間冗余。MPEG編碼會(huì)產(chǎn)生3種類型的幀：I（Intra-coded）幀，P（Predictive）幀和B（Bi-directional）幀，這些幀通常會(huì)跨越在多個(gè)IP包里，典型的丟包率會(huì)帶來(lái)6倍甚至更高的媒體幀丟失率。圖2是通過(guò)試驗(yàn)得到的MPEG丟包率和媒體幀丟失率的對(duì)比關(guān)系。

對(duì)于I，B，P幀，視頻流的運(yùn)動(dòng)向量由每個(gè)Block和編碼決定，I幀的錯(cuò)誤可以導(dǎo)致整個(gè)視頻片斷或者一段視頻幀不可用。一個(gè)I幀或者P幀的丟失可以導(dǎo)致后續(xù)所有幀都不可用，直到收到下一個(gè)I幀。這就導(dǎo)致了該時(shí)間段內(nèi)視頻質(zhì)量的下降、圖像停滯或者黑屏等。圖3是I，B，P幀編碼錯(cuò)誤對(duì)后續(xù)幀的影響情況示意。在H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)中，引入了兩種新的幀類型：交換I幀（Switching I）和交換P幀（Switching P），可以使解碼器更容易對(duì)不同速率的視頻流進(jìn)行切換，使用H.264編碼時(shí)，IxLoad可以得到交換I幀和交換P幀的統(tǒng)計(jì)信息。

需要明確的是，丟包對(duì)不同編碼類型的影響也是不同的，圖4是幾種常見(jiàn)編碼類型的PSNR和丟包率之間的關(guān)系示意。PSNR是客觀的視頻質(zhì)量評(píng)定參數(shù)，通過(guò)最大視頻信號(hào)的功率和影響視頻信號(hào)的破壞噪音之間的比率所得。一般認(rèn)為PSNR低于20dB被認(rèn)為視頻不可觀看，此時(shí)MPEG視頻的丟包率低于1%。

碼流速率的不同也會(huì)造成視頻質(zhì)量的差異，典型的MPEG-2視頻流，標(biāo)準(zhǔn)分辨率為720×486，GoP順序?yàn)镮-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式，可以得到PSNR和碼流速率之間的關(guān)系，圖5示出了MPEG-2在30fbps速率下與PSNR的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

不同類型的編碼類型有壓縮效率，從經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，ITU-T H.263比H.261有高一倍的壓縮效率，H.264比MPEG-2有超過(guò)60%的效率提高。所以在相同的碼流速率情況下，H.264要比MPEG-2有更好的視頻質(zhì)量。
觀看視頻者主觀因素的感覺(jué)也會(huì)影響到有感知的視頻質(zhì)量打分，這主要取決于所觀看視頻受影響部分的內(nèi)容以及嚴(yán)重程度，并且也和人的主觀感覺(jué)有關(guān)。比如同樣程度的視頻損傷對(duì)于簡(jiǎn)單的風(fēng)景來(lái)說(shuō)，觀看者可能不太在意，但是對(duì)于連續(xù)運(yùn)動(dòng)的圖像，可能就會(huì)更加影響主觀的視頻質(zhì)量評(píng)定。
2.3 視頻質(zhì)量評(píng)定算法
ITU-T P.800定義了1~5的分值用以判斷應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸質(zhì)量，表1是MOS值的定義以及各種語(yǔ)音編碼方式對(duì)應(yīng)的最大理論MOS值。
表1 MOS值的定義以及各種語(yǔ)音編碼方式對(duì)應(yīng)的最大理論MOS值

視頻編碼方式?jīng)]有上述限定，視頻流的編碼方式僅做參考，并且隨著新的編碼方式提供的視頻質(zhì)量、降低傳輸碼流速率的同時(shí)會(huì)改變。用MOS值評(píng)定視頻質(zhì)量的方法也要根據(jù)視頻評(píng)價(jià)和編碼技術(shù)的不同而做相應(yīng)的調(diào)整。
VQmon/HD算法提供了多種評(píng)定指標(biāo)和結(jié)果參數(shù)，詳細(xì)說(shuō)明不同參數(shù)統(tǒng)計(jì)的含義及其應(yīng)用場(chǎng)合。其提供了相對(duì)MOS_V和絕對(duì)MOS_V分?jǐn)?shù)，平均分?jǐn)?shù)是從視頻流開(kāi)始計(jì)算的所有數(shù)據(jù)包，時(shí)間間隔分?jǐn)?shù)可以對(duì)指定時(shí)間段內(nèi)的視頻流進(jìn)行評(píng)定。相對(duì)MOS_V是一個(gè)估計(jì)的有感知的計(jì)算方法，考慮編碼類型、量化等級(jí)、GoP結(jié)構(gòu)中IP包的損傷（比如丟包）、視頻內(nèi)容以及丟包補(bǔ)償方法的效率等。相對(duì)MOS_V值不考慮圖像的大小、分辨率、幀速率和掃描方法（交叉掃描和逐行掃描）。絕對(duì)MOS_V值同樣也是一個(gè)估計(jì)的有感知的計(jì)算方法，除了考慮相對(duì)MOS_V的因素外，還考慮了圖像的大小、分辨率、幀速率和掃描方法（交叉掃描和逐行掃描）。
由于視頻流碼流類型以及格式的差異也會(huì)造成MOS_V不同。比如在無(wú)損傷的情況下，高清視頻質(zhì)量要好于標(biāo)清，1080p要好于1080i或720p，64fps視頻流要好于30fps。IxLoad采用的VQmon/HD絕對(duì)MOS_V打分方法將這些因素都考慮在內(nèi)，提供準(zhǔn)確的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。而相對(duì)MOS_V提供了指定格式視頻流與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值的差異。表2列出了480i SD，720p HD以及1080p HD流的相對(duì)和絕對(duì)MOS_V數(shù)值。從表中可以看到，絕對(duì)MOS_V的值一般要低于相對(duì)MOS_V值，這是因?yàn)榻^對(duì)MOS_V分值考慮到了分辨率、幀速率和掃描辦法等因素。因?yàn)橐曨l流的顯示圖像大小沒(méi)有考慮計(jì)算在內(nèi)，所以幾種視頻流的相對(duì)MOS_V值是相同的。

2.4 IxLoad視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)特性
IxLoad可以對(duì)所有視頻流進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，提供診斷層面的信息以判斷影響視頻質(zhì)量的原因。表3列出了IxLoad當(dāng)前版本所提供的主要統(tǒng)計(jì)信息。

IXIA的軟件中包括了一些參考樣本視頻文件，這些文件存放在c：\program files\ixia\ixload\\client目錄下面，里面有4個(gè)文件，碼流速率從2~12Mbit/s（見(jiàn)表4）。目前，業(yè)界也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的視頻質(zhì)量測(cè)試方法，只有在一定的條件下說(shuō)明MOS_AV的分值4.0比3.8具有更好的視頻質(zhì)量才有意義，才能反映出被測(cè)設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)對(duì)視頻質(zhì)量的影響。IXIA建議在可控環(huán)境下（比如IXIA端口的自環(huán)測(cè)試）先進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，得到可參考的MOS_V值，然后連接IXIA端口到被測(cè)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行性能測(cè)試，將測(cè)試所得到的結(jié)果和基準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)行比較。

根據(jù)上述測(cè)試方法，在自環(huán)測(cè)試的環(huán)境中采用IxLoad提供的樣本文件。對(duì)于IPTV組播測(cè)試，得到的相關(guān)MOS值參見(jiàn)表5。VOD單播測(cè)試得到的相關(guān)MOS值參見(jiàn)表6。具體測(cè)試的設(shè)置步驟在IxLoad里面提供有相應(yīng)的例子，或者聯(lián)絡(luò)IXIA工程師獲得相應(yīng)的技術(shù)支持。

IxLoad視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要特性包括：
（1）采用逐幀分析模式準(zhǔn)確評(píng)價(jià)視頻、語(yǔ)音和多媒體業(yè)務(wù)的MOS值，可以實(shí)時(shí)得到平均和抽樣時(shí)間段內(nèi)的MOS值。平均MOS_V值從視頻開(kāi)始播放/用戶加入組播組中到結(jié)束/用戶離開(kāi)計(jì)算出來(lái)的。抽樣時(shí)間內(nèi)的MOS_V值取決于抽樣間隔，該值反應(yīng)的是在抽樣間隔內(nèi)的視頻質(zhì)量，也就是“當(dāng)前的”視頻質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與之前的視頻質(zhì)量無(wú)關(guān)。
（2）支持RTP，MPEG-TS，MPEG-2，MPEG-4和H.264等多種編碼方式。
（3）采用數(shù)據(jù)包頭信息模式實(shí)時(shí)分析擾亂的以及加密的媒體流質(zhì)量。
（4）自動(dòng)檢測(cè)圖片組（Group of Pictures，GoP）結(jié)構(gòu)、速率和幀信息。
（5）全面的數(shù)據(jù)幀層面分析，包括I，P，B幀，I幀間隔等，采用基于媒體幀丟失分析模式的評(píng)價(jià)方式，并可以對(duì)視頻場(chǎng)景進(jìn)行分析以得到視頻內(nèi)容的種類和特性。

3 結(jié)束語(yǔ)
IxLoad配合業(yè)界最高性能的Acceleron系列硬件模塊，可以在產(chǎn)生線速10G視頻IPTV的流量，還可以實(shí)現(xiàn)超高性能的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音業(yè)務(wù)測(cè)試。關(guān)于Acceleron模塊的介紹，可參考《電信網(wǎng)技術(shù)》第6期的IXIA專欄文章。