使用IxLoad進行高清視頻質量測試

【摘要】介紹了IXIA IxLoad進行高清視頻質量測試的原理、影響視頻質量的各種因素、有感知的視頻質量評價指標，對無參考型有感知的評價算法VQmon/HD得到的MOS指標，總結了IxLoad所支持的特性。
1 引言
視頻傳送與承載網絡最關心的問題就是得到有效的視頻質量評價指標并通過這些指標直觀地反應出網絡或者設備的視頻傳送承載能力。當前最為普遍的方法是采用MOS_V對總的圖像質量進行評價。但是，具體每項評價指標由于被測試的網絡或者設備類型的不同又存在一定的差別。視頻源的質量和類型、編碼方式甚至視頻質量評價方法的不同都會對視頻MOS值存在影響。本文主要介紹IxLoad最新采用的VQmon/HD視頻質量測試技術以及評價方法。
2 高清視頻質量評定算法VQmon/HD介紹
IXIA推薦采用無參考型感知的（No-Reference Perceptual）視頻質量評價辦法評估視頻的QoE指標。這種方法不但評價視頻質量非常準確，能夠保證性能，而且還可以進行真實網絡的視頻質量壓力測試并可以實時查看運行狀態。有感知的視頻分析是指接收側在多層面上分析媒體流，通過評價算法，提供媒體流的主觀質量分析。
2.1 VQmon/HD視頻質量組成
IxLoad采用VQmon/HD視頻質量評定算法進行視頻流實時測試，支持的視頻編碼算法包括移動圖像，MPEG-1，MPEG-2，H.261，H.263/263+，H.264，MPEG-4和VC-1。高保真語音編碼方式包括MPEG-1 Layer 1，2和3，MPEG-2高級語音編碼（Advanced Audio Coding，AAC)），AC-3，MPEG-4 AAC，低時延AAC和高效AAC等。這些視頻流可以是VOD應用或者基于組播的IPTV應用，IxLoad可以仿真真實的STB緩存空間以準確模擬各種環境，同時對所有用戶的視頻流進行視頻質量評定。圖1是VQmon/HD視頻質量分析算法的組成部分以及相應功能的描述解釋。在圖1中，播放緩存仿真部分主要用于檢測丟包、重復和錯序報文并計算抖動指標得到PPDV(RFC3550)和MAPDV(ITU-T G.1020)值，評估前向錯誤糾正（Forward Error Correction，FEC）的效率。如果采用R-UDP協議，還可以得到重傳數據包的比例以及對帶寬的影響。內容分析部分可以檢測視頻的場景變化，能夠識別內容的異常情況，包括無內容、噪音、圖像停滯并產生告警信息。
IxLoad可以識別GoP結構中的I，B，P幀并測量丟包率和每種幀的丟失分布情況。對于非加密的視頻流，可以對圖像頭信息進行解碼得到每個幀信息、GoP大小和幀速率等信息；對于加密數據流，采用啟發式的算法檢測幀邊界以確定幀的長度信息。
2.2 影響視頻質量的因素
IP網絡中影響視頻質量的因素主要包括3部分，即IP網絡損傷、編碼與解碼所造成的視頻質量下降以及有感知的質量評定過程中的主觀因素。
視頻對網絡損傷特別敏感，網絡損傷主要包括丟包，網絡延時和抖動等。丟包對視頻的質量影響最大，丟包會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）的運動補償減少即時冗余，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編碼會產生3種類型的幀：I（Intra-coded）幀，P（Predictive）幀和B（Bi-directional）幀，這些幀通常會跨越在多個IP包里，典型的丟包率會帶來6倍甚至更高的媒體幀丟失率。圖2是通過試驗得到的MPEG丟包率和媒體幀丟失率的對比關系。

對于I，B，P幀，視頻流的運動向量由每個Block和編碼決定，I幀的錯誤可以導致整個視頻片斷或者一段視頻幀不可用。一個I幀或者P幀的丟失可以導致后續所有幀都不可用，直到收到下一個I幀。這就導致了該時間段內視頻質量的下降、圖像停滯或者黑屏等。圖3是I，B，P幀編碼錯誤對后續幀的影響情況示意。在H.264編碼標準中，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不同速率的視頻流進行切換，使用H.264編碼時，IxLoad可以得到交換I幀和交換P幀的統計信息。

需要明確的是，丟包對不同編碼類型的影響也是不同的，圖4是幾種常見編碼類型的PSNR和丟包率之間的關系示意。PSNR是客觀的視頻質量評定參數，通過最大視頻信號的功率和影響視頻信號的破壞噪音之間的比率所得。一般認為PSNR低于20dB被認為視頻不可觀看，此時MPEG視頻的丟包率低于1%。

碼流速率的不同也會造成視頻質量的差異，典型的MPEG-2視頻流，標準分辨率為720×486，GoP順序為I-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B，根據相應的計算公式，可以得到PSNR和碼流速率之間的關系，圖5示出了MPEG-2在30fbps速率下與PSNR的對應關系。

不同類型的編碼類型有壓縮效率，從經驗上來看，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有更好的視頻質量。
觀看視頻者主觀因素的感覺也會影響到有感知的視頻質量打分，這主要取決于所觀看視頻受影響部分的內容以及嚴重程度，并且也和人的主觀感覺有關。比如同樣程度的視頻損傷對于簡單的風景來說，觀看者可能不太在意，但是對于連續運動的圖像，可能就會更加影響主觀的視頻質量評定。
2.3 視頻質量評定算法
ITU-T P.800定義了1~5的分值用以判斷應用在網絡上的傳輸質量，表1是MOS值的定義以及各種語音編碼方式對應的最大理論MOS值。
表1 MOS值的定義以及各種語音編碼方式對應的最大理論MOS值

視頻編碼方式沒有上述限定，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量、降低傳輸碼流速率的同時會改變。用MOS值評定視頻質量的方法也要根據視頻評價和編碼技術的不同而做相應的調整。
VQmon/HD算法提供了多種評定指標和結果參數，詳細說明不同參數統計的含義及其應用場合。其提供了相對MOS_V和絕對MOS_V分數，平均分數是從視頻流開始計算的所有數據包，時間間隔分數可以對指定時間段內的視頻流進行評定。相對MOS_V是一個估計的有感知的計算方法，考慮編碼類型、量化等級、GoP結構中IP包的損傷（比如丟包）、視頻內容以及丟包補償方法的效率等。相對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MOS_V值同樣也是一個估計的有感知的計算方法，除了考慮相對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造成MOS_V不同。比如在無損傷的情況下，高清視頻質量要好于標清，1080p要好于1080i或720p，64fps視頻流要好于30fps。IxLoad采用的VQmon/HD絕對MOS_V打分方法將這些因素都考慮在內，提供準確的視頻質量評價方法。而相對MOS_V提供了指定格式視頻流與標準計算值的差異。表2列出了480i SD，720p HD以及1080p HD流的相對和絕對MOS_V數值。從表中可以看到，絕對MOS_V的值一般要低于相對MOS_V值，這是因為絕對MOS_V分值考慮到了分辨率、幀速率和掃描辦法等因素。因為視頻流的顯示圖像大小沒有考慮計算在內，所以幾種視頻流的相對MOS_V值是相同的。

2.4 IxLoad視頻質量評價特性
IxLoad可以對所有視頻流進行性能評價，提供診斷層面的信息以判斷影響視頻質量的原因。表3列出了IxLoad當前版本所提供的主要統計信息。

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個文件，碼流速率從2~12Mbit/s（見表4）。目前，業界也沒有標準的視頻質量測試方法，只有在一定的條件下說明MOS_AV的分值4.0比3.8具有更好的視頻質量才有意義，才能反映出被測設備或者網絡對視頻質量的影響。IXIA建議在可控環境下（比如IXIA端口的自環測試）先進行基準測試，得到可參考的MOS_V值，然后連接IXIA端口到被測設備或網絡上進行性能測試，將測試所得到的結果和基準測試進行比較。

根據上述測試方法，在自環測試的環境中采用IxLoad提供的樣本文件。對于IPTV組播測試，得到的相關MOS值參見表5。VOD單播測試得到的相關MOS值參見表6。具體測試的設置步驟在IxLoad里面提供有相應的例子，或者聯絡IXIA工程師獲得相應的技術支持。

IxLoad視頻質量評價的主要特性包括：
（1）采用逐幀分析模式準確評價視頻、語音和多媒體業務的MOS值，可以實時得到平均和抽樣時間段內的MOS值。平均MOS_V值從視頻開始播放/用戶加入組播組中到結束/用戶離開計算出來的。抽樣時間內的MOS_V值取決于抽樣間隔，該值反應的是在抽樣間隔內的視頻質量，也就是“當前的”視頻質量分數，與之前的視頻質量無關。
（2）支持RTP，MPEG-TS，MPEG-2，MPEG-4和H.264等多種編碼方式。
（3）采用數據包頭信息模式實時分析擾亂的以及加密的媒體流質量。
（4）自動檢測圖片組（Group of Pictures，GoP）結構、速率和幀信息。
（5）全面的數據幀層面分析，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價方式，并可以對視頻場景進行分析以得到視頻內容的種類和特性。

3 結束語
IxLoad配合業界最高性能的Acceleron系列硬件模塊，可以在產生線速10G視頻IPTV的流量，還可以實現超高性能的數據、語音業務測試。關于Acceleron模塊的介紹，可參考《電信網技術》第6期的IXIA專欄文章。