姚 良，奚 溪

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

隨著國務(wù)院正式?jīng)Q定加快推進(jìn)電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合，作為三網(wǎng)融合的重要切入點(diǎn)，電信運(yùn)營商必將大力發(fā)展IPTV、手機(jī)影視等視頻業(yè)務(wù)，最終將實(shí)現(xiàn)以IP網(wǎng)絡(luò)為統(tǒng)一承載的，語音、數(shù)據(jù)和視頻三重業(yè)務(wù)的捆綁。

目前，電信傳統(tǒng)的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都有一套完整的質(zhì)量指標(biāo)評(píng)估體系，而IPTV等視頻業(yè)務(wù)還缺乏有效的評(píng)估手段，因此，當(dāng)前在視頻業(yè)務(wù)運(yùn)營過程中很難評(píng)估用戶對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的體驗(yàn)，很難快速判斷故障點(diǎn)。

IP承載網(wǎng)是一個(gè)“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)，而視頻業(yè)務(wù)是一個(gè)需要高帶寬、低傳輸時(shí)延和低時(shí)延抖動(dòng)的業(yè)務(wù)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致用戶觀看視頻時(shí)出現(xiàn)馬賽克、停頓等現(xiàn)象，甚至無法觀看，因此，視頻業(yè)務(wù)的質(zhì)量評(píng)估更具迫切性。

視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系是構(gòu)建評(píng)估手段的重要前提，用以保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提升用戶的使用體驗(yàn)。本文在研究國內(nèi)外視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估方式及方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)和監(jiān)測方法。

2 視頻質(zhì)量評(píng)估現(xiàn)狀分析

視頻質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法可以分為主觀視頻質(zhì)量評(píng)估和客觀視頻質(zhì)量評(píng)估兩種。雖然主觀視頻質(zhì)量評(píng)估可以很好地符合客戶對(duì)視頻業(yè)務(wù)的主觀感知和體驗(yàn)，但其存在復(fù)雜、費(fèi)時(shí)、結(jié)果因人而異、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻質(zhì)量評(píng)估等問題，而客觀視頻質(zhì)量指標(biāo)客觀、可重復(fù)性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)方便的監(jiān)控，并且適合各種應(yīng)用。

主觀視頻質(zhì)量評(píng)估方法將用戶體驗(yàn)以數(shù)據(jù)的方式展現(xiàn)出來。ITU-R BT.500-1制定了主觀測量Video MOS的方法，即將原始圖像及被測圖像交替顯示，讓足夠多的觀察者進(jìn)行觀察對(duì)比，對(duì)被測圖像打分[1]，然后計(jì)算平均值，見表1。

較主觀質(zhì)量評(píng)估而言，客觀質(zhì)量評(píng)估不需要人參與其中，采用算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)，不易受到外部條件與人為因素影響。根據(jù)由ITU-T和ITU-R聯(lián)合成立的視頻質(zhì)量專家組VQEG（video quality evaluation group）[2，3]的 講義，將視頻客觀質(zhì)量評(píng)估主要分為3大類：一是全參考算法FR(full reference)，使用原始的視頻參考比較，可以得到每個(gè)像素的退化量，F(xiàn)R有很高的精度，并且可重現(xiàn)，但是受處理過程影響較大，在測試點(diǎn)可以獲得無損傷的視頻信號(hào)時(shí)，可以使用全參考(FR)算法，典型的指標(biāo)包括J.144、PSNR、MSE、PEVQ等；二是半?yún)⒖妓惴≧R(reduced reference)，半?yún)⒖疾⒉皇褂萌康脑家曨l，而是在發(fā)送端產(chǎn)生一些用于接收端評(píng)估視頻質(zhì)量的參數(shù)，RR測試產(chǎn)生的結(jié)果精度可能會(huì)比FR低，是一種在參考信號(hào)傳輸帶寬較小時(shí)的折衷方法；三是無參考算法NR（no reference）不使用原始的視頻信號(hào)，NR算法是低精度的評(píng)估方法，因?yàn)樵嫉囊曨l信號(hào)是完全未知的，通常的NR算法甚至不會(huì)分析像素級(jí)的視頻畫面，而只是分析IP包級(jí)的字節(jié)流，這種測試局限于傳輸流分析。

表1 MOS 5分制評(píng)測標(biāo)準(zhǔn)

VQEG專家組已經(jīng)完成對(duì)10多家不同機(jī)構(gòu)提供的客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)FR模型的測試評(píng)估[4]，并且不斷完善測試方案和計(jì)劃，目前將重點(diǎn)關(guān)注RR和NR的評(píng)價(jià)模型。國內(nèi)的北京大學(xué)、天津大學(xué)等已經(jīng)從事該領(lǐng)域的研究，但是目前視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方法并不成熟，始終無法提供一個(gè)很完善的客觀視頻評(píng)價(jià)模型可以完全取代主觀視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)。根據(jù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，基于HVS的視覺模型質(zhì)量評(píng)估已經(jīng)達(dá)到瓶頸階段，視頻質(zhì)量評(píng)估突破點(diǎn)可能是通過對(duì)不同的視頻應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行更為細(xì)化的分析，解析出應(yīng)用環(huán)境與主觀評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)關(guān)系作為建立客觀評(píng)價(jià)模型的評(píng)估指標(biāo)，從而解決客觀評(píng)價(jià)使用范圍較窄的問題。

考慮到目前大多數(shù)視頻應(yīng)用，端到端的視頻質(zhì)量是衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，視頻服務(wù)系統(tǒng)必須能及時(shí)把握并量化視頻質(zhì)量下降的情況，通過必要的手段進(jìn)行維護(hù)和增強(qiáng)。因此，找到一種有效的評(píng)價(jià)方法度量視頻質(zhì)量至關(guān)重要。本文根據(jù)三網(wǎng)融合中電信視頻業(yè)務(wù)的實(shí)際情況，將視頻的網(wǎng)絡(luò)承載環(huán)境對(duì)視頻質(zhì)量的影響和視頻質(zhì)量的客觀評(píng)估指標(biāo)相結(jié)合，提出了基于QoE概念的視頻客觀評(píng)估模型。

3 客觀QoE評(píng)估模型

（1）QoE 概念

用戶對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的主觀評(píng)估即為QoE（quality of experience）[5]，QoE是通信領(lǐng)域的新概念，可理解為用戶體驗(yàn)或用戶感知，視頻QoE客觀評(píng)估是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，雖然有許多研究機(jī)構(gòu)和組織向ITU提交了關(guān)于客觀視頻QoE的評(píng)估建議，但I(xiàn)TU目前還沒有定義出統(tǒng)一的關(guān)于客觀視頻QoE評(píng)估的國際標(biāo)準(zhǔn)。

客觀評(píng)估QoE通常通過一組KQI/KPI進(jìn)行映射，QoE、QoS和KQI/KPI出自不同的電信組織，面向不同的層面（網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶），表示不同的概念范疇，見表2。

（2）視頻 QoE與 KQI/KPI的映射

視頻客觀QoE模型的建立，也即建立QoE與KQI/KPI的關(guān)系。用戶對(duì)視頻質(zhì)量的體驗(yàn)大體上可分為兩類，即可靠性（reliability）和舒適性（comfort）：可靠性又可分為業(yè)務(wù)可接入性和業(yè)務(wù)完整性；舒適性又可分為業(yè)務(wù)即時(shí)性和業(yè)務(wù)會(huì)話質(zhì)量。視頻業(yè)務(wù)QoE與KQI/KPI的映射梳理如圖1所示。

其中，業(yè)務(wù)可靠性取決于網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)的可用性、異常掉線率；業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)延取決于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)延和終端緩存的時(shí)延；視頻播放的清晰度取決于編碼器、編碼速率、分辨率和幀率；視頻的損傷度取決于網(wǎng)絡(luò)傳輸特性、流媒體的傳輸方式。

表2 質(zhì)量指標(biāo)分類

圖1 視頻QoE與KQI/KPI的映射

（3）視頻播放質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

業(yè)務(wù)的可用性、完整性和請(qǐng)求時(shí)延都相對(duì)容易評(píng)估，而視頻播放質(zhì)量的評(píng)估是難點(diǎn)。目前業(yè)界對(duì)視頻播放質(zhì)量的客觀評(píng)估可分為基于Payload、基于編碼格式依賴、基于媒體流傳輸和基于IP傳輸?shù)?類。多個(gè)視頻質(zhì)量評(píng)估方法相互聯(lián)系而又互有側(cè)重，構(gòu)成了一個(gè)視頻質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)群，指標(biāo)間的關(guān)系如圖2所示。

· 基于Payload的指標(biāo)

J.144（全參考圖像下數(shù)字有線電視客觀感知視頻質(zhì)量的測量技術(shù)）是一種全參考的有線電視質(zhì)量測試方法，有一系列的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，如位錯(cuò)誤、丟包等損傷，可以用來評(píng)估編碼質(zhì)量（編碼、解碼的質(zhì)量）以及各種壓縮手段與存儲(chǔ)設(shè)備之間的聯(lián)系。

PEVQ(perceptual evaluation of video quality)由 ITU-T發(fā)布在J.247標(biāo)準(zhǔn)中，基于模擬人的視覺模型有一個(gè)綜合的質(zhì)量評(píng)分，涵蓋了一系列量化視頻信號(hào)的KPI，包括PSNR（peak signal-to-noise ratio），失真因子和音、視頻同步時(shí)延等。PEVQ的輸出指標(biāo)有兩大類，即視頻內(nèi)容本身的質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)質(zhì)量的影響。

· 基于編碼依賴的指標(biāo)

MOS-V（mean opinion score for video）是ITU FOCUS GROUP on IPTV推薦的重要指標(biāo)，是基于VSPQ（video service picture quality）因子的視頻質(zhì)量指標(biāo)，VSPQ因子是將視頻根據(jù)編碼類型、編碼速率經(jīng)過復(fù)雜的理論計(jì)算得到初始值，該視頻經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸造成損傷后得到最終的VSPQ值，因此，MOS-V指標(biāo)評(píng)定時(shí)綜合考慮了丟包率、抖動(dòng)、編碼類型等多種因素。

·基于流媒體傳輸?shù)闹笜?biāo)

基于流媒體傳輸?shù)闹笜?biāo)不關(guān)注視頻編碼細(xì)節(jié)，只依賴于網(wǎng)絡(luò)傳輸性能和媒體的封包質(zhì)量。目前主要有針對(duì)IP視頻流的IETF RFC4445 的MDI（media delivery index）標(biāo)準(zhǔn)[6]、針對(duì)MPEG TS流的TR101-290標(biāo)準(zhǔn)和針對(duì)MPEG PES的指標(biāo)。

MDI標(biāo)準(zhǔn)由美國IneoQuest公司提出，已被IETF正式采用，是IP流媒體評(píng)估的主要標(biāo)準(zhǔn)，適合于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。MDI對(duì) IP視頻流的傳輸質(zhì)量標(biāo)識(shí)為DF、MLR：DF值表明被測試視頻流的時(shí)延和抖動(dòng)狀況；MLR數(shù)值表明被測試視頻流的丟包狀況。

圖2 視頻播放質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

TR101-290是廣泛使用的視頻傳輸質(zhì)量指標(biāo)[7]，主要針對(duì)MPEG-2 TS傳輸?shù)馁|(zhì)量制定了三級(jí)告警，每層告警針對(duì)不同程度的視頻傳輸問題：等級(jí)1中定義了會(huì)對(duì)視頻業(yè)務(wù)造成嚴(yán)重影響的事件，例如TS流同步丟失、同步字節(jié)錯(cuò)誤、PAT/PMT表格錯(cuò)誤等；等級(jí)2中定義了會(huì)對(duì)一部分視頻業(yè)務(wù)造成影響的事件，例如PCR時(shí)鐘偏離、CAT表格錯(cuò)誤等；等級(jí)3中所定義的事件沒有前兩個(gè)等級(jí)嚴(yán)重，可能會(huì)對(duì)一些特定的業(yè)務(wù)或應(yīng)用造成影響。

· 基于網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)

IP層指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)的帶寬、傳輸速率、丟包率和丟包模式的模型，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)、視頻業(yè)務(wù)往往對(duì)于網(wǎng)絡(luò)丟包和抖動(dòng)特別敏感。IP層指標(biāo)的變化會(huì)引起上層指標(biāo)的變化，導(dǎo)致視頻業(yè)務(wù)受到影響。

其中，網(wǎng)絡(luò)丟包模型基于RFC3357標(biāo)準(zhǔn)[8]，在該標(biāo)準(zhǔn)中定義了丟包距離和丟包周期兩個(gè)參數(shù)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)上丟包的學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)得到現(xiàn)網(wǎng)上的丟包模型。因?yàn)榧词乖谙嗤膩G包率的情況下，不同的丟包模型對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)上承載的業(yè)務(wù)也會(huì)有不同的影響。

以電信開展的IPTV業(yè)務(wù)為例，IPTV業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是視頻內(nèi)容來自于廣電，質(zhì)量較高且穩(wěn)定，視頻編碼方式固定，并采用固定碼率。因此，根據(jù)圖1所示，視頻的清晰度已是個(gè)常量被固化了，視頻播放質(zhì)量的關(guān)注重點(diǎn)應(yīng)該是視頻的損傷度。所以，在視頻質(zhì)量評(píng)估和監(jiān)測方面，可以將關(guān)注的重點(diǎn)放在視頻流的傳輸質(zhì)量上。將視頻流傳輸?shù)腗PEG TS TR101-290、MPEG PES 中 I、B、P 丟幀指標(biāo)和 MDI指標(biāo)作為IPTV視頻播放質(zhì)量的特征指標(biāo)。在IPTV實(shí)時(shí)的監(jiān)測中重點(diǎn)把握，在視頻流的輸出端監(jiān)測TR101-290和MDI等指標(biāo)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕h(huán)節(jié)主要監(jiān)測視頻流的MDI指標(biāo)。

4 指標(biāo)值及監(jiān)測方法

視頻業(yè)務(wù)的KPI指標(biāo)，如業(yè)務(wù)可用性、完整性和請(qǐng)求時(shí)延都為業(yè)務(wù)端到端的評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)電信級(jí)業(yè)務(wù)的要求，一般要求業(yè)務(wù)可用性（接入成功率）≥99%，業(yè)務(wù)的完整性（異常中斷率）≤1%，業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)延（頻道切換時(shí)延）≤2 s。

視頻播放質(zhì)量指標(biāo)一般重點(diǎn)采用RFC 4445 MDI指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，兼顧ETSI TR101-290 MPEG-TS分析和MPEG-PES I、P、B幀丟失分析，該類指標(biāo)不僅是業(yè)務(wù)端到端的指標(biāo)，并且還需關(guān)注視頻流傳輸路徑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量變化，其指標(biāo)值的確定可參照誤碼秒的概念，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，IPTV每丟棄一個(gè)視頻報(bào)文就會(huì)形成一個(gè)馬賽克或停頓。以MDI指標(biāo)為例，MDI每1 s監(jiān)測一次DF和MLR值，為保障IPTV業(yè)務(wù)的質(zhì)量，通常要求MLR=0，DF<100 ms。當(dāng)DF和MLR值超過閾值時(shí)，認(rèn)為該秒為錯(cuò)誤秒，簡化視頻播放質(zhì)量的評(píng)估可用以下公式。

視頻播放錯(cuò)誤率=錯(cuò)誤秒/播放的秒數(shù)×100%，錯(cuò)誤率不應(yīng)超過0.1%。

業(yè)務(wù)端到端的監(jiān)測可采用機(jī)頂盒內(nèi)置質(zhì)量監(jiān)測模塊，目前電信IPTV機(jī)頂盒都已支持相關(guān)QoS KPI指標(biāo)的監(jiān)測；關(guān)鍵路徑的監(jiān)測可采用專用儀表，當(dāng)前MDI儀表和TR101-290儀表已經(jīng)非常成熟。

表3 視頻播放質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)對(duì)比

1 李永強(qiáng)，沈慶國，朱江.數(shù)字視屏質(zhì)量評(píng)價(jià)方法綜述.電視技術(shù)，2006，(6)

2 VQEG final report from the video quality experts group on the validation of objective models of video quality assessment，2006

3 VQEG final report from VQEG on the validation of objective models of video quality assessment，2005

4 李彥麗，金東瀚，焦秉立.幾種典型的感知視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)模型.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(13)

5 ITU-T P.10/G.100.Vocabulary for performance and quality of service，2006

6 RFC 4445.A proposed media delivery index(MDI)，2006

7 ETSI TR101290 V1.2.1.Digital video broadcasting(DVB)；Measurement guidelines for DVB systems，2001

8 RFC 3357.One-way loss pattern sample metrics，2002

9 羅斯青，肖晴，胡源.面向IPTV的H.264高清編碼視頻質(zhì)量評(píng)估.電信科學(xué)，2008，24（5）

10 姚良.影響IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素及質(zhì)量提升措施探討.電信科學(xué)，2009，25（3）

11 魏耀都，謝湘，匡鏡明等.移動(dòng)視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及發(fā)展趨勢.電信科學(xué)，2010，26（3）