IP网络传输下的4K超高清视频质量监测分析

余方玲

（安徽广播电视台播控中心，安徽 合肥 230071）

0 引 言

随着技术的不断发展，广播电视逐步进入4K超高清时代。4K视频节目既要保证内容丰富多元，也要保证视频质量，为观众带来零卡顿、零马赛克的超高清极致视觉享受。4K超高清视频质量对传输的带宽大小、码率和动态范围都有较高的特殊要求，这也对视频服务器和IP承载网的性能等提出了更高要求。为保障视频质量，还需要加强对业务传输质量的监测和维护[1]。对此，笔者结合自身知识对相关问题进行分析和探讨。

1 基于IP网络的4K超高清视频系统的搭建和配置

1.1 系统搭建

本系统基于某超高清视频技术实验进行搭建，系统架构如图1所示。

图1 4K超高清视频的IP传输系统结构示意图

本系统中，首先利用HEVC编码器对4K源视频进行编码压缩处理，将其整合为用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）数据流便于网络传输。由于在真实网络环境下的信号传输过程存在一定损失且不能通过参数设置来控制处理，因此本文采用加损的方式，利用网络损伤软件设置抖动、丢包、延时等多种服务质量（Quality of Service，QoS）参数，模拟各种网络传输环境[2]。然后利用视频分析软件来实时监测4K传输信号的丢包率、PCR抖动和平均意见值（Mean Opinion Score，MOS）等状态信息。最后将源视频和受损视频都通过VLC播放器进行播放和对比分析。

1.2 参数配置

本节主要介绍超高清视频编码器的配置和IP网络仿真配置。编码器配置方面，多种类型的4K超高清源视频通过HEVC视频编码算法被压缩为不同码率的TS流。HEVC编码器按表1参数进行配置。

表1 HEVC编码器的参数配置表

IP网络仿真配置方面，由于网络运行环境复杂，网络传输中视频数据可能受丢包、延迟和抖动等影响，其中丢包对信号质量的危害最大，需要加强监测和控制。本文使用网络损伤模拟软件，创设丢包环境并研究其对4K视频质量的影响[3]。本次研究的丢包率设定在0.01%～1%。通过多次实验和结果分析发现，丢包数量只要超过1%，4K视频画面就会出现模糊不清、视频卡顿、声音与画面脱节等质量问题。

1.3 参数监测

本文利用视频分析工具EyeNet对多种QoS数据进行监测，主要监测内容如下。

（1）丢包数和丢包率。丢包率=TS丢包数/总传输的TS包数目。只需要监测丢包数，根据公式就可以计算求得丢包率。

（2）PCR抖动。基于传输中的定时损伤考虑，以某个相对稳定的外部基准为参照，通过测量PCR内27 MHz时钟的高频变化，反映传输定时变化。

（3）MDI-DF。根据IETF RFC4445标准，MDI即媒体传输指标。MDI-DF值反映的是被测试视频流的抖动和延迟情况，二者之间正相关。

（4）MDI-LR，反映的是被监测视频流媒体数据包的每秒丢失数量。

（5）视频MOS，指的是监测视频流质量的MOS分值。视频MOS值是衡量视频质量的宏观指标，其影响因素一般包括网络丢包数、抖动频率及视频编码质量等。

（6）I帧和P帧丢失数目。分别指的是在I帧和P帧上发生的丢包情况，会导致各帧内容的部分或全部丢失，由此影响视频质量。

2 IP传输网络下的4K视频质量监测和数据分析

2.1 IP网络中的视频图像质量问题

丢包现象是网络传输环境下的普遍现象，可导致视频部分变形、画面马赛克、静帧、卡顿等问题。IP网络传输中，超高清视频常见的质量问题主要有视频局部变形或马赛克等问题。图2（a）、图2（b）、图2（c）分别显示了超高清视频（码率100 Mb·s-1）在网络传输中的损伤情况[4]。

图2 超高清视频在传输中的损伤情况

2.2 IP传输网络下的4K视频图像质量测试

本研究通过使用丢包加损的方法来模拟不同的网络环境，设置了多个加损参数，同时对主要数据进行测试并对结果进行分析，相关内容如下。

2.2.1 相同视频不同码率的丢包数据

以丢包率0.1%、MOS值2.5分为基础标准，如果码率相同则丢包率越高MOS值就越低；如果丢包率不变，则码率的增长变化与MOS值呈反比[5]。除此之外，影响视频MOS值的还包括I帧和P帧丢失数量、MDI-DF延时、PCR抖动等诸多因素。比如，1 Mb·s-1和100 Mb·s-1码率时丢包率都是0.01%，但1 Mb·s-1时MOS值 为3.44，MDI-DF为316.27 ms，I帧丢失比为0.34%，P帧丢失比为1.37%，PCR抖动为6.49 ms。而100 Mb·s-1时，MOS值变为3.75，MDI-DF增加为460.05 ms，I帧丢失比降为0.27%，P帧丢失比变为1.40%，PCR抖动增加到15.92 ms。

2.2.2 不同视频同码率的丢包数据

为探究不同视频序列受网络传输的影响情况，本次研究选用3个4K超高清视频序列，按100 Mb·s-1码率标准对3个4K视频序列进行压缩处理，IP网络传输丢包率设定为0.01%和0.05%。图3显示的是0.01%和0.05%两种丢包率下视频A的MDI-LR值、MOS值及I帧和P帧丢失数的QoS参数情况。

由图3可知，当丢包率为0.01%，I帧的丢失变化直接影响到视频MOS值的变化；但I帧无丢失时，视频MOS值只受P帧的丢失数影响。丢包率为0.05%时，I帧丢失数带来的视频MOS值变化更显著[6]。

图3 不同丢包率下视频A的QoS参数情况

图4和图5显示的是视频B和视频C在不同丢包率下相关参数的变化情况。

图4 不同丢包率下视频B的QoS参数情况

图5 不同丢包率下视频C的QoS参数情况

图4和图5中，各视频的MOS值也主要由I帧丢失数目所决定。在I帧丢失数一致时，P帧丢失数越多，视频MOS值越差。丢包率在0.05%时，I帧丢失数对于视频MOS值的影响更明显。但是，相同丢包率和视频码率下，不同视频序列的MOS值变化不大。

3 结 语

本文基于IP网络对4K超高清视频质量进行监测。测试结果表明，丢包对不同码率、不同视频的影响几乎相同，而码率因素较少影响视频丢包情况。