視頻質(zhì)量互聯(lián)網(wǎng)電視論文
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MOS值評(píng)價(jià)體系是將圖像質(zhì)量劃分為1~5的等級(jí)來評(píng)定圖像質(zhì)量的好壞，評(píng)定視頻質(zhì)量時(shí)綜合考慮丟包率、抖動(dòng)和編碼類型等多種客觀因素。如表1所示為國際電信聯(lián)盟ITU給出的MOS值與人主觀評(píng)價(jià)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)電視業(yè)務(wù)而言，對(duì)用戶體驗(yàn)造成影響的主要有三個(gè)部分：視頻源質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量以及終端用戶的主觀感受，MOS旨在合理地整合這三個(gè)方面，模擬出真實(shí)用戶收看視頻時(shí)的體驗(yàn)情況。為了估計(jì)MOS值，我們可以從以下幾個(gè)方面獲取關(guān)于視頻質(zhì)量信息。
（1）數(shù)據(jù)報(bào)文分析主要分析數(shù)據(jù)包的基本信息，包括地址，端口等，用戶標(biāo)識(shí)視頻流屬性，對(duì)于TCP傳輸會(huì)統(tǒng)計(jì)對(duì)其重傳，窗口大小變動(dòng)等做統(tǒng)計(jì)。
（2）RTP、TS分析通過RTP協(xié)議特性分析網(wǎng)絡(luò)層丟包，延時(shí)，抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量性能參數(shù)。對(duì)TS流進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)視頻流碼率、MID-DF、MID-MLR、TR101290規(guī)定的流媒體傳輸參數(shù)（該層分析為網(wǎng)絡(luò)分析和編碼分析的交叉領(lǐng)域，得出參數(shù)與兩者都有一定關(guān)系）。
（3）視頻內(nèi)容分析通過分析PES幀頭對(duì)流內(nèi)容的宏觀分析得出視頻質(zhì)量的一些參數(shù)，比如分辨率、幀率、DTS時(shí)戳、PTS時(shí)戳等。
（4）視頻幀質(zhì)量分析將IP報(bào)文中內(nèi)容還原為視頻幀，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)也統(tǒng)計(jì)到達(dá)視頻流信噪比PSNR。通過對(duì)視頻幀的還原可以分析視頻幀損害比率、廢棄比率、過期比率等參數(shù)。
2OTT視頻質(zhì)量保障方法
2.1OTT質(zhì)量保障方法
OTT視頻質(zhì)量保障系統(tǒng)對(duì)節(jié)目視頻從源頭到機(jī)頂盒終端，全流程監(jiān)測分析其視頻質(zhì)量，通過在CDN節(jié)點(diǎn)部署視頻分析設(shè)備、并在機(jī)頂盒嵌入監(jiān)控模塊的方式，并把鏈路上各環(huán)節(jié)的視頻流參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到保障系統(tǒng)，保障系統(tǒng)根據(jù)全部上傳數(shù)據(jù)分析OTT的業(yè)務(wù)質(zhì)量，當(dāng)OTT業(yè)務(wù)質(zhì)量劣化時(shí)提前預(yù)警，并對(duì)故障進(jìn)行分析以改善OTT業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)。視頻分析設(shè)備的部署示意圖為圖1。從拓?fù)鋱D可知，通過在CDN的核心節(jié)點(diǎn)、CDN的邊緣節(jié)點(diǎn)部署視頻分析設(shè)備，以及在終端內(nèi)植入軟探針，全流程地獲取用戶觀看視頻的體驗(yàn)。
2.2質(zhì)量監(jiān)測功能介紹
OTT一般是通過CDN平臺(tái)分發(fā)，因此需要對(duì)視頻源從CDN入口下發(fā)到用戶整個(gè)業(yè)務(wù)流線質(zhì)量進(jìn)行端到端的質(zhì)量監(jiān)測，讓整個(gè)業(yè)務(wù)平臺(tái)運(yùn)營狀態(tài)可視化、邏輯結(jié)構(gòu)區(qū)分，高效運(yùn)營。OTT視頻質(zhì)量保障系統(tǒng)主要包括的功能模塊為：CND節(jié)點(diǎn)監(jiān)測、終端監(jiān)測、告警及故障管理等模塊。
2.2.1CDN節(jié)點(diǎn)監(jiān)測
CDN節(jié)點(diǎn)監(jiān)測模塊可以同時(shí)監(jiān)測分析節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)萬個(gè)并發(fā)視頻，實(shí)時(shí)分析節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有視頻流的視頻質(zhì)量，主要包括：網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量（MDI媒體傳輸質(zhì)量指標(biāo)、視頻流速率、封包丟失、網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率等參數(shù)）、碼流質(zhì)量（ISOTR101290定義的全部三級(jí)告警參數(shù)）、視頻內(nèi)容層質(zhì)量參數(shù)等詳細(xì)信息。
2.2.2終端監(jiān)控
終端監(jiān)測模塊主要對(duì)獲取的所有相關(guān)信息進(jìn)行分類匯總顯示。
（1）集中質(zhì)量監(jiān)控。集中監(jiān)控所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)包括機(jī)頂盒和視頻源的視頻流播放狀況。
（2）提供完整的網(wǎng)絡(luò)層質(zhì)量分析。該模塊除了提供應(yīng)用層的詳細(xì)解碼分析之外，還提供了網(wǎng)絡(luò)層詳細(xì)解碼分析，并以圖形化的方式顯示出來，幫助用戶分層的進(jìn)行故障排查，迅速解決問題，提高效率。
（3）終端故障分布分析。通過對(duì)終端所屬各區(qū)域進(jìn)行終端故障統(tǒng)計(jì)得出該區(qū)域終端數(shù)量，故障等級(jí)分布以及主要故障。
（4）完整的監(jiān)測報(bào)告及歷史監(jiān)控記錄查詢。該模塊提供了完整的報(bào)表功能，幫助用戶進(jìn)行OTT網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，了解整個(gè)OTT網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量的整體趨向，并可作為評(píng)判網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及運(yùn)維質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.3EPG監(jiān)控
EPG監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒對(duì)EPG交互信息的監(jiān)控，并進(jìn)一步對(duì)視頻源服務(wù)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，在控制信令發(fā)生異常時(shí)向服務(wù)器發(fā)出警報(bào)。
3利用視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量
估計(jì)MOS值方法由于在實(shí)際中視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)可能十分巨大，而且用戶觀看視頻的隱私性需要保證，所以往往不適合采取對(duì)視頻解壓的方法分析視頻質(zhì)量。利用網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量估計(jì)MOS值是最常使用的視頻質(zhì)量監(jiān)控方法，下面我們將描述如何只用網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量估計(jì)MOS值。
3.1有關(guān)視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的參數(shù)
我們采用兩個(gè)參數(shù)描述視頻傳輸質(zhì)量，一個(gè)是視頻播放清晰度質(zhì)量，另一個(gè)是視頻播放流暢度質(zhì)量。而視頻傳輸質(zhì)量受到網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的影響。網(wǎng)絡(luò)傳輸特性往往歸納為三個(gè)指標(biāo)：延遲、抖動(dòng)和丟包。我們把從發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包到接收到視頻數(shù)據(jù)包的時(shí)間設(shè)為傳輸延遲。在視頻傳輸應(yīng)用中，恒定的延遲表現(xiàn)為視頻觀看時(shí)間的推遲。為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)而產(chǎn)生的視頻播放效果惡化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和視頻解碼器往往需要對(duì)視頻緩沖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，視頻播放延遲不影響視頻觀看質(zhì)量。而網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩秳?dòng)和丟包會(huì)對(duì)視頻產(chǎn)生影響。抖動(dòng)影響視頻播放流暢度質(zhì)量，丟包影響視頻播放清晰度質(zhì)量。思科公司和IneoQuest公司共同提出了IPTV視頻傳輸質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)RFC4445MDI（MediaDeliv-eryIndex）媒體傳輸質(zhì)量指標(biāo)。其中MDI包括兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是DelayFactor，延遲因素，簡稱DF。另一個(gè)是MediaLossRate,媒體丟包速率，簡稱MLR。其中DL對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩秳?dòng)，MDI對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膩G包率。DF將網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻流的抖動(dòng)換算成對(duì)視頻傳輸和解碼設(shè)備的緩沖需求，影響視頻播放的流暢度。MLR對(duì)應(yīng)傳輸過程的丟包率，影響視頻質(zhì)量。我們對(duì)視頻流暢度和視頻質(zhì)量的測算進(jìn)行了些調(diào)整。因?yàn)樵谝话阋曨l質(zhì)量測算的過程中，我們很難知道視頻傳輸和解碼設(shè)備的緩沖能力，所以我們用視頻抖動(dòng)來估算視頻播放的流程度。在視頻信息傳輸過程中，丟不同的包會(huì)對(duì)視頻質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。我們根據(jù)丟的包是I幀，P幀，B幀，視頻頭文件還是音頻信息來判斷丟包對(duì)視頻產(chǎn)生的影響。在接收端，我們可以知道到丟包的類型和數(shù)據(jù)包接收的間隔。我們可以從視頻數(shù)據(jù)包接收的間隔判斷視頻的抖動(dòng)率。
3.2視頻編碼結(jié)構(gòu)決定不同數(shù)據(jù)包丟失對(duì)視頻的影響不同
電視節(jié)目的視頻圖像內(nèi)容編碼采取GOP結(jié)構(gòu)，丟包造成不同類型的幀數(shù)據(jù)的丟失會(huì)對(duì)視頻質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。GOP的長度一般是12幀到15幀，包括I幀、P幀和B幀。GOP結(jié)構(gòu)通過幀間預(yù)測提高視頻壓縮率。I幀是獨(dú)立壓縮的一幀，一般壓縮比大概為1:7。P幀由I幀預(yù)測而來，一般壓縮比大概1:20。B幀則由相鄰的I幀和P幀共同預(yù)測，一般壓縮比大概為1:50。一般一幀的數(shù)據(jù)比一個(gè)數(shù)據(jù)包要多，所以丟一個(gè)數(shù)據(jù)包只會(huì)對(duì)視頻的一小塊造成影響。I幀信息的丟包比P幀和B幀信息的丟包影響更加嚴(yán)重。一個(gè)原因是I幀信息的錯(cuò)誤會(huì)因?yàn)橐曨l編碼的GOP結(jié)構(gòu)擴(kuò)大，另一個(gè)原因是I幀的錯(cuò)誤持續(xù)時(shí)間長，對(duì)視覺的影響較大。I幀的信息如果丟包，往往會(huì)因?yàn)橐曨l編碼對(duì)像素值的預(yù)測而持續(xù)很多幀，對(duì)視覺產(chǎn)生較大影響。而P幀或者B幀的信息如果丟包，雖然P幀與B幀的壓縮率更高，丟包后影響的圖像范圍更大，但是因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間短，對(duì)視覺的影響并不是很大。此外因?yàn)镻幀預(yù)測B幀，所以P幀丟包影響比B幀更大。此外，如果視頻頭文件丟包，則整段視頻無法解壓，對(duì)視頻質(zhì)量影響嚴(yán)重。不過互聯(lián)網(wǎng)電視一般采用MPEGTS編碼方式，一個(gè)視頻頭文件只對(duì)應(yīng)一段視頻。一個(gè)視頻頭文件的丟包不會(huì)導(dǎo)致所有視頻無法解壓。此外，電視節(jié)目視頻中有音頻編碼。因?yàn)橐纛l的所占體積更小一些，所以音頻的丟包相對(duì)于視頻圖像內(nèi)容的丟包會(huì)對(duì)視頻產(chǎn)生更大的影響。
3.3利用模糊邏輯得到MOS估計(jì)值
我們采用模糊邏輯（FuzzyLog-ic）對(duì)MOS的估值進(jìn)行計(jì)算。我們用兩個(gè)指標(biāo)描述視頻傳輸質(zhì)量，視頻播放清晰度質(zhì)量和視頻播放流暢度質(zhì)量。我們用這兩個(gè)指標(biāo)來判斷MOS的估計(jì)值。為了表示簡便，讓我們用3個(gè)檔次（低（L），中（M），高（H））來作為這兩個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，該隸屬函數(shù)用以描述清晰度與流暢度的好壞程度。我們假設(shè)對(duì)MOS的估計(jì)有劣、次、中、良、優(yōu)六檔，對(duì)應(yīng)MOS值1~5。通過視頻播放清晰度質(zhì)量和視頻播放流暢度質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)來對(duì)MOS的估計(jì)，兩個(gè)指標(biāo)和對(duì)MOS估計(jì)結(jié)果的關(guān)系的如圖3的規(guī)則表所示。視頻播放清晰度質(zhì)量和視頻播放流暢度質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)的不同關(guān)系造成了不同MOS估計(jì)結(jié)果的決定。模糊邏輯處理把一個(gè)明確的輸入轉(zhuǎn)化為一個(gè)模糊隸屬值（fuzzymem-bershipvalue）。這個(gè)隸屬函數(shù)有以下特點(diǎn)：
（1）提供了設(shè)計(jì)者的知識(shí)，邏輯關(guān)系清晰。
（2）在模糊集合之間提供了平滑的過渡，以平滑變化的參數(shù)代表性質(zhì)的改變，較符合人的認(rèn)知。
（3）計(jì)算簡單，邏輯調(diào)整方便。模糊隸屬函數(shù)的典型形狀是三角形、梯形和高斯函數(shù)。
4結(jié)論
通過在OTT業(yè)務(wù)的全流程上，部署視頻分析設(shè)備，當(dāng)視頻質(zhì)量劣化時(shí)，分析告警點(diǎn)所在位置，輔助系統(tǒng)管理員快速排除故障，并為業(yè)務(wù)評(píng)測人員提供改善服務(wù)的參考依據(jù)。系統(tǒng)通過模糊邏輯檢測分析獲得每個(gè)用戶所觀看視頻的觀感體驗(yàn)評(píng)分（MOS），為維護(hù)視頻質(zhì)量提供依據(jù)，從而提升用戶的收視體驗(yàn)。
作者：于震宇 陳梅 張樹民 單位：賽特斯信息科技股份有限公司