IPTV视频传输质量集里面监测系统地研究

    北京邮电大学 通信网综合技术研究所 闫石 曾志民

    当前，IPTV是倍受关注的热点技术，国内外建设了大量IPTV的试验网、商业试运营网,各地拥有很多的用户，可以说IPTV技术发展如火如荼。IPTV提供的各种业务丰富多彩，尤其是视频业务满足了人们的各种应用，也将成为运营商的收入增长点。

    目前在国内IPTV的技术标准尚未确定，各厂家的产品还缺少各方面的严格测试及大范围的应用。支持IPTV业务开展的网络以IPv4为主，接入手段以ADSL、以太网、CableModem等方式为主。各研究机构及各运营商实验网的测试表明，随着IPTV用户数量的增加，IPv4网络尤其是在接入层面对服务质量(QoS)的支持及用户对业务质量要求的矛盾日渐突出。这些矛盾直接表现由于网络性能的原因造成图像质量下降，所以在IP环境下视频流的传输质量成为影响IPTV业务开展的关键问题。

    对于IPTV的运营商来讲，在用户对视频质量产生置疑时，如何快捷查找故障点，排除故障，进而构建一个可方便IPTV业务管理的监测系统成为未来IPTV大规模运营的关键技术问题。

    视频图像质量的测试

    对于视频通信系统的视频质量测试，一直是人们研究的难点。对于数字视频编解码器的视频质量测试，通常通过PSNR值来进行衡量，常用于静态图像质量的分析。然而人的视觉系统是一个复杂系统，人的主观对视频质量的感觉不能仅用PSNR来表达，因为观察者在观察视频图像时还会被其他因素影响，如环境、立场、场景及好恶等，同时这些因素又很难精确测量和量化。

    ITU-RBT.500-11制定了测试视频质量的方法，即DSCQS（Double Stimulus Continuous Quality Scale）的方法，如图1所示。

DSCQS测试示意图

    DSCQS的方法是将原始图像及被测图像交替显示，让足够多的观察者观察对比，对被测图像打分，然后计算平均值，这是主观的测试方法。它虽然可以准确反映图像质量，但是具体实现时却有很大困难。

    ITU-T又颁布了对于视频质量测试的J.144建议，在建议中推荐了以下几种参考模型。

    1.BT full-referencemodel(British Telecommunications

    2.CPqD-IESalgorithm(TelecommunicationsResearchand Development Center)

    3.Edge PSNR

    (Yonsei University/SK Telecom/Radio Research Laboratory)

    J.144还给出这几种模型和DSCQS测试方法、PSNR的相近程度，并指出具体的测试方法，如图2所示。

J.144建议视频质量测试方法

    图2中，将未经视频压缩的源视频流(做为参考视频源)及经过编码解码的视频流(被测视频流)输入到测试设备中，在测试设备中对它们进行比较，并给出视频质量的参考值，以此定量评估视频系统的图像质量。需要说明的是此种测试方法与被测视频流采用何种编码方式无关。

    VQEG(VideoQualityExpertGroup)是专门对视频质量技术进行探讨的组织。针对DSCQS及ITU-T J.144建议，VQEG推荐目前有专用的测试设备，如Tektronix的PQA300视频质量测试仪，它是用自己发送的测试序列作为测试源，发送给被测编码设备，然后将经过解码的视频输入到测试设备仪中，通过计算对比得到视频流质量的结果。这种测试方法一方面需要专用的测试序列，另一方面它的测试需要做大量计算，实时性差。另外VQEG推荐另一个视频质量测试设备K-will公司的视频质量测试仪，可以将未经编码的原始视频(不需专用视频序列)及经过处理的视频做为被测视频输入到该设备，通过实时计算得到视频质量的参考值，该值用百分比来表示。百分比值越低代表被测视频和原始越接近。该设备可实时地得到测量结果。

    这种测试方法需要将两路用于比较的视频都输入到测试仪中，通常称为双端测试。在IPTV的测试应用中，由于视频源是已经封装好的IP数据流，无法输入到前面介绍的专用测试设备中。并且由于支持J.144的测试设备价格昂贵，不可能大量应用于实际运营维护中。

    经过大量实验表明，影响IPTV系统视频质量的因素一方面还在于编解码器自身的性能及对视频流传输质量的适应能力，另一方面IP网的传输问题，即IP网性能对视频流传输有着重要的影响,IP网的性能参数Latency、Jitter、PacketLoss是影响视频传输的重要参数。ITU-TG.1050建议针对IP网的性能做了分类，即WellManaged IP Network、Managed IP Network、Unmanaged IP Network，并对这三类网络做了详细的定义，定量给出了其所定义的三类网络的性能参数。G.1050同时给出了在不同IP网络性能参数情况下，语音业务的质量参数(用PESQ、MOS等评定)，即语音质量和IP网性能参数之间的关系。但是对于视频流和IP网络性能参数之间的关系，G.1050并未给出。在这种情况下，对于如何建立可运营可管理的IPTV系统成为IPTV发展的重要问题。

    MDI(Media Delivery Index)

    视频流传输性能指标MDI(MediaDeliveryIndex)由Cisco及IneoQuestTechnologies公司提出并被IETF采纳，标准号为RFC4445。MDI的提出为IPTV系统中视频流的传输性能提供了有效的办法。MDI定义了两个视频流传输的性能指标:DF(Delay Factor)和MLR(Media Loss Rate),并根据DF及MLR对视频流传输性能进行评测。DF值表达的是每个数据包在测试点被显示或者记录到达时间的间隔值。MLR给出了在选定的时间间隔内数据包丢失的数量或失序数据包的数量。

    通过计算DF值及MLR值可以得到在一定视频流速率下，需要视频缓冲区的大小，用于平滑由于网络性能变差造成解码器输出视频图像质量的下降。所以MDI参数是目前在IP网络环境下和视频图像传输质量密切相关的参数。

    在实际应用中，MDI参数可以较为方便地测量计算获得。RCF4445中详细介绍了MDI参数的计算方法。这使得对于在IPTV系统中视频流的传输质量测试变得方便可行。将对视频图像的测试转化为对视频流传输质量的测试，并且将复杂双端测试(如DSCQS方法)变为单端的测试，具有很强的实用性。MDI和DSCQS测试一样，与被测视频流的编码标准无关。

    IPTV视频传输质量集中监测系统

    目前，MDI已被多家IPTV的设备商所采纳，计划用于产品中。这样为IPTV视频流传输的维护提供了方便。

    在我们研制的IPTV视频质量集中监测系统中也采用了MDI这一指标做为视频流传输的指标。监测系统如图3所示。

    在图3中，我们采用了网络探头Probe作为MDI值的监测，它可以连接到IPTV网络中任意一个以太网端口，并测量视频流传输的DF及MLR值。同时Probe支持SNMP协议，可以通过控制口连接到网管网，通过网管系统，运营维护人员可以足不出户，远程监测IPTV系统运营状况。例如，当某用户对其观看的视频节目质量提出置疑时，在网管中心可以通过逐级对该用户连接的Probe查询,查看其提交的MDI值，判断出视频流在网络中哪个环节出现了问题，以便于排除故障。

IPTV视频传输质量集中监测系统

    系统的主要功能有:

    1.可以评估一个视频通信系统的质量，用于安装、调试测试；

    2.通过测量计算DF参数值可以确认、定位网络抖动(Jitter)、时延的情况，进而跟踪检查网络故障点(拥塞节点)；

    3.通过测量MLR可以确定网络丢包情况，并定位故障点；

    4.在实时监测网络运营状况时，可以预置DF、MLR门限值，一旦发生低于或高于该门限值，可以及时报警。

    对于视频图像质量的测试是一个很复杂且困难的问题。利用仪器实现对视频质量的客观测试，目前还没有成熟的技术手段。MDI的提出为视频流的传输提供了一种有效的方法。我们开发的IPTV集中监测系统以MDI参数为基础，为有效维护IPTV视频传输提供方便快捷的手段。对于网络性能参数、MDI参数值和视频图像质量间的关系，需要做进一步的深入研究。（火王编辑）