4K超高清轮播系统的测试与实现

高蓉蓉

(江苏省广电有线信息网络股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210001)

4K超高清轮播系统的测试与实现

高蓉蓉

(江苏省广电有线信息网络股份有限公司南京分公司，江苏 南京 210001)

针对“三网融合”新形势下广电运营商后高清时代视频业务开展所面临的瓶颈问题，介绍了4K轮播系统的设计及其测试方案。分别从平台的总体架构、系统测试环境、4K播放能力、终端码流稳定性及等多个角度进行阐述，可为各地广电运营商相关业务平台的设计和建设提供一定的参考。

4K；超高清；轮播平台；系统测试；系统实现

1 江苏有线4K轮播系统的架构及实现

江苏有线于2015年2月正式开展4K超高清轮播节目在江苏省网播出，前期对于4K超高清节目制作、播出及终端呈现进行了大量的技术论证。

江苏有线4K超高清轮播系统架构如图1所示。

图1 江苏有线4K超高清轮播系统架构

在技术实现方面：

1)头端4K超高清制作上[1-3]，江苏有线播控中心对高码率H.264信源(码率一般能达到100～120 Mbit/s)离线转码变换为35 Mbit/s码率的H.265码流进行播出。对比互联网OTT的4K视频，江苏有线4K超高清节目不仅在编码格式上以H.265-HEVC输出，且码率高，图像稳定。经泰克PQA测试，图像质量好，转码损伤较小。

2)4K转码帧率问题上[4-5]，由于目前超高清4K片源存在着23.976 f/s(帧/秒)，25 f/s和29.98 f/s三种帧率，头端4K制作流程过程中，不能强制转化为25 f/s输出，避免了转码带来的卡顿。而互联网大多数4K制作过程都强制25 f/s输出，给用户带来视觉反感。

3)4K超高清节目的传输环节上，江苏有线采用一个频点广播式下发35 Mbit/s的H.265-HEVC-4K超高清节目，而互联网OTT中的H.264-4K超高清节目受到网络组播、网络推流能力及带宽等的限制，播出会有卡顿、缓冲等现象，用户体验较差。

4)4K超高清终端呈现上，江苏有线选取的4K超高清终端采用海思3796C100智能型芯片，全面支持H.265-HEVC格式，而目前大多数OTT终端所谓的“4K”仅支持H.264低码率的4K分辨率节目，在4K定义的角度上“概念”炒作居多。

5)4K超高清电视机的呈现上，江苏有线播控中心第一批机顶盒可以选择25 f/s固定帧率输出和帧率自适应模式，兼容了不同帧率片源切换带来的黑场问题和不同帧率片源统一25 f/s输出的转帧卡顿问题。在统一25 f/s固定帧率输出模式上，终端解码芯片经过2次优化已有大幅改善，体验度大幅提高。

江苏有线对4K超高清节目严格要求，满足视频编解码专家的要求，保证江苏有线4K超高清节目的体验度、用户的接纳程度。

2 江苏有线4K轮播系统的测试

2.1 测试环境

为了验证江苏有线4K轮播系统的工作性能，进行了大量测试，包含转码器的性能及功能测试，机顶盒解码能力测试，4K码流网络适应性测试等。测试中采用表1中的码流作为信源，包含了23.976 f/s的电影，PAL-25 f/s的电视，NTSC-29.98 f/s的电视。

表1 4K超高清测试片源送入转码器进行转码

编码参数EBU-80Mbit/s-4K测试序列JS001城市测试序列JS003草原星空测试序列Nanjing2014南京风光测试序列文件格式MPEG-TSMEPG-4MPEG-4QuickTime文件大小/Gbyte1 432 041 6819 60长度2minn30s2min20s1min55s3min26s混合码率模式CBRCBRCBRVBR平均混合码率/(Mbit·s-1)81 8125125816视频PID101(0x65)1(0x1)1(0x1)1(0x1)视频文件格式AVCAVCAVCAppleProRes编码格式AdvancedVideoCodecAdvancedVideoCodecAdvancedVideoCodecAhighCodecApchVersion0编码层次High@L5 1High@L5 1High@L5 1HighCodecCABAC是是是否参考帧数4帧4帧3帧—视频码率/(Mbit·s-1)77 7125125815视频画面宽度/像素3840384038403840视频画面高度/像素2160216021602160视频画面比例16 916 916 916 9帧率/(f·s-1)25 00023 97629 97025 000色彩空间YUVYUVYUVYUV色彩抽样4 2 04 2 04 2 04 2 0位深度8位8位8位8位扫描方式逐行扫描逐行扫描逐行扫描逐行扫描数据密度/(bit·(pixel×f)-1)0 3750 6290 5033 930序列内容 细节丰富的画面和高饱和度的彩色运动物体。测试转码器对细节和运动估值和补偿能力 静态背景下局部细节的运动 镜头运动及整体画面的运动，运动背景下对静止精细细节内容的还原，检验运动固执和运动补偿 亮度和色彩细节丰富，有快速运动细节

2.2 大网播放4K超高清HEVC码流能力测试

为了测试播放4K超高清码流在终端的适应能力，按图1所示的大网传输结构，将测试片源转码成HEVC格式，视频码率为35 Mbit/s，均采用TS封装，CBR模式，GOP长度设置为N=50，M=3，在终端做观察评价，测试结果如表2所示。

表2 转码主观测试结果

测试序列转码器编码层次GOP分辨率帧率/(f·s-1)转码倍速观看效果JS003草原星空测试序列，HEVC编码，35Mbit/s视频码率，TS封装，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×216029 9700 10基本流畅，场景切换及听头摇动时画面抖动Bmain@L5 0N=50，M=33840×216029 9700 20基本流畅，3处星空场景抖动Cmain@L5 2N=50，M=33840×216029 9700 15基本流畅，有1处卡顿Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×216029 9700 15基本流畅，两处星空场景抖动JS001城市测试序列，HEVC编码，35Mbit/s视频码率，TS封装，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×216023 9760 10流畅Bmain@L5 0N=50，M=33840×216023 9760 20流畅Cmain@L5 2N=50，M=33840×216023 9760 15流畅Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×216023 9760 15流畅EBU-80Mbit/s-4K测试序列，HEVC编码，35Mbit/s视频码率，TS封装，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×2160250 10基本流畅，水流场景画面抖动Bmain@L5 0N=50，M=33840×2160250 20基本流畅，水流场景画面抖动Cmain@L5 2N=50，M=33840×2160250 15基本流畅，水流场景画面抖动Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×2160250 15基本流畅，水流场景画面抖动Nanjing2014南京风光测试序列，HEVC编码，35Mbit/s视频码率，TS封装，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×2160250 10流畅Bmain@L5 0N=50，M=33840×2160250 20流畅Cmain@L5 2N=50，M=33840×2160250 15流畅Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×2160250 15流畅

由上述测试结果可知：

1)头端4K转码效率方面，离线速率基本在0.2～0.3；

2)EBU的测试序列在镜头快速移动时，各转码器厂家均出现不同程度的画面抖动；

3)针对JS003测试序列，各家转码器码流播出效果基本流畅，在画面拍摄镜头移动时，会出现轻微的画面抖动现象。

2.3 4K超高清HEVC码流稳定性测试

为了测试4K超高清码流的稳定性，如码率、视频图像等要素，按图1所示的大网传输结构，将测试片源转码成HEVC格式，视频码率为35 Mbit/s，均采用TS封装，CBR模式，GOP长度设置为N=50，M=3，在终端做观察评价，测试结果如表3所示。

表3 4K超高清HEVC码流稳定性测试结果

转码设备测试序列播出服务器码率/(Mbit·s-1)复用器输入码率/(Mbit·s-1)复用器输出码率/(Mbit·s-1)IPQAM输出码率/(Mbit·s-1)码流分析仪码率/(Mbit·s-1)终端观看效果转码设备ANanjing201436 8～37 336 236 236 236 2流畅JS00136 5～37 035 835 835 835 8流畅JS00336 5～37 035 835 835 835 8流畅EBU-80Mbit/s-4K36 5～37 035 835 835 835 8流畅，有部分场景图像抖动转码设备BNanjing201439 3～39 8码率波动极大码率波动极大码率波动极大码率波动极大无法收看JS00139 3～39 8码率波动极大码率波动极大码率波动极大码率波动极大无法收看JS00339 3～39 8码率波动极大码率波动极大码率波动极大码率波动极大无法收看EBU-80Mbit/s-4K39 3～39 8码率波动极大码率波动极大码率波动极大码率波动极大无法收看转码设备CNanjing201436 7～37 236 236 236 236 2流畅JS00135 6～37 035 835 835 835 8流畅JS00335 6～37 035 835 835 835 8流畅EBU-80Mbit/s-4K35 6～37 035 935 935 935 9流畅，有部分场景图像抖动转码设备DNanjing2014无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流JS00135 5～35 934 834 834 834 8流畅JS003无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流EBU-80Mbit/s-4K无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流无法识别码流

由上述测试结果可知：

1)部分转码器厂家输出的码率波动过大，在视频码率为35 Mbit/s时，播出服务器能达到39.8 Mbit/s，终端不能正确显示。将视频码率降至32 Mbit/s后，进入核心复用机箱码流的码率在29～36 Mbit/s范围波动，终端能正常解码显示。

2)部分转码器无法识别码流，通用性上无法满足江苏有线前端播出及复用设备。

2.4 4K超高清HEVC转码图像质量评分测试

为了测试4K超高清转码系统对码流的损伤程度，按图2所示连接设备，将测试片源转码成HEVC格式，视频码率为35 Mbit/s，均采用TS封装，CBR模式，GOP长度设置为N=50，M=3。

图2 江苏有线HEVC转码图像质量评分测试图

测试步骤为：

1)将测试片源通过泰克MTS4EA软件转成YUV文件；

2)将测试片源通过离线转码器转成HEVC文件；

3)将HEVC文件通过MTS4EA软件转成YUV文件；

4)通过泰克PQA软件比较2个YUV文件的PQR，DMOS，PSNR值。

其中，PQR表示图像质量计分，当计分值为0，可以认为与原图像无差别(为理想质量)；当分值为1时，几乎不能察觉损伤；当分值为3～4时，能察觉到损伤，但不明显。DMOS表示差值平均计分，当分值为0，可以认为与原图像无差别(为理想质量)，一般分值在0～20之间质量较好。PSNR表示峰值信噪比，分值代表了图像间的绝对差值，分值越高代表图像越好，但与人眼的相关性较弱，只在峰值信噪比较高时具有参考意义。

测试的PQR，DMOS，PSNR结果如图3～5所示。

图3 江苏有线HEVC转码图像质量PQR评分

图4 江苏有线HEVC转码图像质量DMOS评分

图5 江苏有线HEVC转码图像质量PSNR评分

通过以上图表PQR、DMOS、PSNR分值可以得出以下结论：

1)在视频码率为35 Mbit/s下对不同情景的测试序列要表现出较优秀的性能，分值分布必须要稳定平均。

2)部分转码器对运动矢量估计较差，如产品B在转码JS003测试序列时(序列包括镜头运动以及整体画面的运动，运动背景下对静止精细内容的还原)，分值最差；其他静态镜头较多的序列表现较好。

3)部分转码器在转码JS001测试序列时(序列包括较多的静态背景下局部细节的快速运动)，分值较差，如产品A，通过图像一帧一帧对比发现该转码器在静态背景较多的快速运动下转码有马赛克，无法达到广播级转码器需求。

3 数据分析

江苏有线4K轮播系统上线以来工作稳定可靠，江苏有线采用35 Mbit/s高码率HEVC-H.265格式进行视频压缩，相比于互联网的4K视频(如表4所示)，清晰度和体验度都较好。

表4 互联网4K及其他分辨率视频码率对比

序号互联网定义互联网对应码率实际分辨率广电有线定义1标清/极速H 264-0 2Mbit/s480×240标清CIF2高清H 264-0 5Mbit/s720×480标清SD-480i3超清H 264-1 25Mbit/s1280×720高清720p41080PH 264-3Mbit/s1920×1080高清1080i54KH 264-5Mbit/s3840×2160普通4K

从目前情况来看，江苏有线4K超高清机顶盒主芯片只支持8 bit H.265量化和30 f/s帧率。展望未来，HEVC-H.265编码技术正朝着60 f/s帧率、10 bit色彩深度的方向发展：10 bit量化处理比8 bit的提供了更加细腻丰富的色彩呈现，层次从256提升到1 024，10 bit的带宽效率更高，比 8 bit 更节约带宽。P60的HEVC-H.265的视频在视觉连贯性上远高于P30的效果，特别是在运动矢量较大的场景，例如体育运动直播的场景。

目前支持60 f/s帧率的4K电视机较少，除了Samsung和LG的部分产品外，其余品牌几乎不都支持60 f/s帧率。因此60 f/s帧率、10 bit色彩深度的HEVC-4K的普及速度还很漫长，预估在2016年支持60 f/s帧率的4K电视机会有所增多。

[1] ISO/IEC 13818-1，Information technology-generic coding of moving pictures and associated audio information: Systems[S].2007.

[2] ISO/IEC 23008-2，Information technology-High efficiency video coding[S].2013.

[3] 李静. 超高清电视技术的图像格式[J].广播与电视技术，2013(11)：30-35.

[4] ISO/IEC 13818-1，201X/PDAM 3-Transport of High Efficiency Video Coding (HEVC) Streams over ITU-T[S].2007.

[5] ITU-T Recommendation H.26x (201x)，Advanced video coding for generic audiovisual services[S].2003.

Test and Implementation of 4K-Ultra-HD Broadcasting Platform

GAO Rongrong

(JiangsuBroadcastingCableInformationNetworkCo.,Ltd.NanjingBranch,Nanjing210001,China)

Under the new situation of "triple play", in the view of the bottlenecks of video services development for Radio & Television Network Operators after the HD era, an example design and the test method of 4K ultra-HD video service platform are introduced, which include the overall architecture, system testing environment, 4K broadcasting ability, the stability in the terminals and the damage in transcoding, etc. It also provides a reference for the design and construction of relative platform for the other domestic Radio & Television Network Operators.

4K; ultra-HD; broadcasting platform; system testing; system implementation

TN94

B

10.16280/j.videoe.2015.18.013

2015-05-13

【本文献信息】高蓉蓉.4K超高清轮播系统的测试与实现[J].电视技术,2015，39(18).

高蓉蓉(1981— )，女，硕士，工程师，主研广播电视新技术市场化管理。

责任编辑：任健男