IPTV视频传输质量问题分析

张桂卿 傅雪鹏 佘方毅

（国家新闻出版广电总局广播科学研究院）

摘要　本文从IPTV网的传输特性、传输协议、视频压缩编码结构等多方面分析了IPTV系统中影响视频质量的诸多因素，如丢包、延时、不同类型的帧、GOP长度对IPTV视频传输质量的影响。同时也分析了这些因素之间的相互关系及相互影响。从而得出，进行IPTV系统测量，除考虑丢包、延时等传输层的因素外，还应多角度全方位进行分析和测量。关键词　IPTV 视频质量 IP包 丢包 延时 帧结构 GOP长度引言在广电传输网上开展互动电视业务的方式从技术上分析可概括为两种：IP over QAM(简称IPQAM)和TV over IP（简称IPTV）。IPQAM是将IP信号复用调制成射频RF信号，利用电视网络传送给终端用户的一种互动业务传输方式。这种传输方式和技术充分利用有线电视网的高带宽和稳定性，能够保障调制成射频的IP视频的传输质量。IPTV是指视音频传输流(TS)通过IP网传输给终端用户的一种分发方式，即IP网前端将采集来的节目（一般来自卫星、有线、无线和地面电视）经过编辑、分组等处理后分发到IP网，通过IP网传输给用户解码器（机顶盒）接收解码。随着IP传输视频技术的发展成熟以及广电互动业务的开展，这种传输方式在广电行业已有不少应用。那么IP网上传输的视频质量如何保障？IP网上的视频质量与哪些因素有关，它们之间相互制约关系如何？IPTV系统测量与监控中应该注意哪些问题？也随之成为需要考虑的问题。本文就IPTV测量中遇到的一些问题加以归纳分析，以期对IPTV视频传输质量的保障与测量有所参考。IP传输视频的特点及相关技术概述IP传输网络是一个尽力而为的网络，优势是简单灵活，允许多协议共存（协议栈）。TCP（Transfer Control Protocol）协议是面向连接的协议，对数据包丢失采取握手重传机制。这种数据包的重传一般需要一个甚至更多的周期，使得携带视音频的IP包不能按时按序到达目的端，从而造成延时或抖动的发生，影响视频传输图像的质量。超时重传会引起网络的拥塞，TCP还采取拥塞控制机制，即通过控制拥塞窗口的大小（数据段的长度）来控制拥塞。而对特定编码算法的视频来说，码率是一定的，视频信息的大小无法调节。由以上分析可知，TCP/IP协议不适合实时视音频数据的传输。由于UDP（User Datagram Protocol）的传输延时比TCP低，能与实时视音频流很好地匹配，适合在IP网上使用该协议传输实时视音频。对服务质量要求较高的实时视音频数据，可在UDP协议之上使用RTP（Real-time Transport Protocol）和RTCP（Real-time Transport Control Protocol）协议传输，从而实现对实时视音频数据的组播（Multicast）或单播（Unicast），并在每个数据包上打上时间戳、序列号等信息，便于接收端通过这些冗余的校验位对数据包进行重新排序解码。此外，RTP中的时间戳信息（RTCP中包含时钟信息）还可提供不同媒体间的同步功能，从而实现了IP网上视音频的同步。因此，IPTV采用在TCP/IP网上使用RTP（RTCP）/UDP协议传输实时视音频，该协议还可以为实时视音频数据包赋予更高的优先级传输，来保障视音频的质量。RTP（RTCP）/UDP协议的以上特性使得IP网上传输视频相对稳定并得以广泛应用。基于IP网传输视频有许多技术上的保障，且广电网络又有足够的带宽，广电网上IPTV的视频传输质量一般优于电信网的IPTV。但由于网络的设计、调度、带宽需求、用户量、网络设备的缓冲控制机制等诸多因素，丢包和延时不可能全部避免。我们知道，数据和语音业务可以在带有抖动和延时的网络中正常传输，实时视音频需要稳定的接收速率，对丢包和延时要求较高。视频每丢一个包，解码后的图像可能就会出现马赛克或静帧等现象。要想使得IP上传输的视频质量达到当前用户对传统广播电视网上传输的视频质量需求，还需要做多方面的努力，在建设初期及使用过程中对带宽、延时、抖动、丢包等参数的监控和测量也是不可缺少的重要环节。视频传输测试标准简析IETF RFC4445 “A Proposed Media Delivery Index (MDI)”文件中定义了IP网络中影响媒体传输质量的两个参数——丢包和延时，并将其定义为媒体传输系数(MDI)。MDI包括DF (媒体延时系数——Delay Factor)和MLR（媒体丢包率——Media Loss Rate)，分别表示包抖动(或包延时)和包丢失。记做MDI=DF：MLR。DF是指在单位时间间隔内（通常是1秒），流入与流出测试点的媒体流字节数的最大值与最小值之差与媒体流码率的比。在采样周期内，DF= [Max（接收到的字节数-解码所需的字节数）-Min（接收到的字节数-解码所需的字节数）]/媒体流码率。单位是毫秒。MLR是指媒体流在单位时间内的丢包（或非正常包）数量（简称丢包率）。MLR=媒体丢包总数/采样周期=（理想中应该接收到的媒体流字节数-实际接收到的媒体流字节数）/采样周期。单位是每秒丢包数量。MDI反映的是数据包在IP网络中传输时，由于排序、路由、转发、网络拥塞等原因导致的延时和丢包状况。另一方面，也反映了媒体流在传输和解码过程中，需要多大缓存来消除抖动或丢包才不致引起图像过载、画面停顿等现象。DF和MLR值越大，被测视频流抖动和丢包越大，对解码器缓冲区的要求就相对越大。当丢包率MLR的值超出视频解码设备对丢包补偿或丢包重传的容限时，将造成视频失真，解码后的图像就会出现马赛克、停顿或静帧等现象。丢包、延时与视频传输质量的关系RFC4445中DF:MLR与视频质量的关系MDI反映的是媒体流（IPTV中为视音频数据流）在IP网中的传输情况。那么，IPTV网络测得的MDI值是否可以直接反应其上的视频传输质量呢？从RFC4445标准分析，MDI主要反应了媒体流传输的抖动和丢包特性。DF和MLR在计算延时和丢包时，只考虑了网络传输层的特性，没有考虑纯视频数据包的丢包和延时。而视频的质量只取决于网络中丢失的视频数据包。所以，仅仅测量MDI值并不能准确地反应网络中传输视频的质量。更进一步分析，IP网络协议不提供任何手段检测数据包的丢失，MDI的丢包成分是根据传输流（TS）的连续计数错误数值推导出来的。而传输流中的导致视频质量的其它错误（如语法错误），MDI无法检测。MDI中的延时成分是根据传输流的时间戳或时钟参考(PCR)推到出来的。网络设备（如视频复用器）中不准确的PCR也可能会被计算到MDI的延时中来，视为MDI错误，而这种错误并不是由视频包引起。由此可见，IPTV中视频传输质量的问题并不能简单地以测量的MDI值评估。视频丢包和延时对视频传输质量的影响延时值反映的是IP网络的拥塞程度，是由拥塞引起的数据包到达时间的推迟。对于一段视频，恒定的延时表现为视频观看时间的向后推迟。这种恒定延时现象一般不影响视频的观看质量。不稳定的延时（抖动）将引起视频画面的闪动，也可能引起视音频不同步现象。抖动不断积累产生的时滞（数据包整体超前或滞后）会造成画面过快或过慢。视频数据的丢包对视频观看质量的影响比延时的影响大。在没有适当的视频解码缓冲或者丢包重传机制的情况下，无论丢何种类型（I、B、P帧）的视频包，视频观看质量都会出现不同程度的下降。视频丢包类型对视频传输质量的影响视频压缩编码图像由三种不同类型的帧：I、P、B帧组成。I帧图像采用帧内编码（Intra-Coded）方式，保存了本帧图像的全部信息，解码时仅用I帧的数据就可以重现完整的源图像帧。为提高压缩效率和图像质量，P(predictive)帧和B(bidirectional predictive-coded)帧图像采用帧间编码方式，即利用帧与帧之间空间和时间上的相关性进行编码。P帧图像采用的是前向预测帧编码，记录的是P帧相对于前面最靠近的I帧或P帧的变化。B帧图像采用双向预测内插编码，及同时根据前、后关键帧的变化进行编解码。由此可见：没有I帧，P、B帧将无法正常解码。因此，丢失含I帧的包肯定会影响视频图像质量，P帧次之，B帧再次之。从观看效果上看，如果丢失含I帧的包，将会出现马赛克或静帧等现象。而丢含B帧的包，影响会小的多，可能是一闪而过轻微的马赛克，甚至终端用户看不出图像有什么变化。也就是说，并不是所有丢包都会导致不可接受的视频传输质量问题。从GOP（图像组）长度分析丢包对视频传输质量的影响IPTV中的视频数据以188字节的TS包的形式封装在IP包里由网络传输。大约7个TS包封装在一个IP数据包里。因此，丢一个IP包等于丢了7个TS包。这个损失对于视频流来说相当严重。从以上对视频编码的特性分析可知，尤其丢失含I帧的IP包，结果更惨重，将会导致解码器无法解码含该I帧的GOP（Group of Pictures）。这个状态将持续到下一个含I帧包的接收和解码才可恢复。也就是说马赛克或者静帧会持续到下一个GOP中的I帧到来为止。而下一个I帧的到来时间由GOP的长度决定。因此对于不同编码方式，这个恢复时间的长短也不一样。如MPEG-2可能是15帧或更少，H.264/AVC可能是60、100或300帧。由此可见，H.264/AVC虽然比MPEG-2的压缩效率高，节省带宽，但却增加了因丢包而影响视频传输质量的风险。GOP长度越长，图像压缩效率越高，图像还原质量越好（同码流的前提下），而在IPTV网络传输中，GOP长又增加了丢包的风险，从而影响视频传输质量。那么，IPTV传输视频的GOP值与图像质量之间的关联是什么？在什么条件下两者会有一个最佳值？这可能需要大量的实验数据的基础上才能分析得出。由上分析可知，GOP的长度（含多少帧）和帧结构（I、P帧之间B帧的数量）都会对视频传输质量产生影响。当然，不同的解码终端（机顶盒）对丢包和抖动的缓冲大小不一样，也会导致网络用户的观看感受不同。总之，在IPTV系统中，MDI值并不能做为衡量视频传输质量的单一指标。视频传输质量还与视频压缩编码算法、丢包所含数据内容的重要程度、视频源和接收端各种参数的设置和配置、解码终端缓冲大小、网络设备的选择和配置等多种因素有关。结束语IPTV系统中的视频传输质量受多种因素的影响。对IPTV系统进行测量除考虑传输层的丢包和延时外，网络的整体设计；链路层和物理层的架构、部署方式；传输协议的应用及完整性；网络层的流量管理机制、缓存机制、前向纠错（FEC）、丢包率、延时、丢包间隔（隔多长时间丢一次包）、丢包分布（哪段时间内丢了多少包）情况；IP包的封装方式及大小（一个IP包内有几个视频包）；TS的打包及包信息完整性、PCR抖动和到达时间间隔、PTS间隔、PIT间隔等；视频源的质量；视频的压缩编码算法；视频编解码各参数的设置；编码输出比特率的设置；GOP结构；运动矢量搜索范围；总码率控制；一些预处理的设置等更深层的参数以及这些因素之间的均衡配置都应考虑在内。此外，视、音频同步和图像最终解码质量也是影响视频观看效果的重要方面。因此，在对IPTV视频传输质量进行科学评估和测量时都必须考虑上述因素。 参考文献[1] ITU-T Y. 1910(09/2008) “IPTV Functional Architecture”[S], ITU-T Study Group 13, 12 September 2008[2] J. 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