高蓉蓉

(江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210001)

4K超高清輪播系統(tǒng)的測試與實現(xiàn)

高蓉蓉

(江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210001)

針對“三網(wǎng)融合”新形勢下廣電運營商后高清時代視頻業(yè)務開展所面臨的瓶頸問題，介紹了4K輪播系統(tǒng)的設計及其測試方案。分別從平臺的總體架構、系統(tǒng)測試環(huán)境、4K播放能力、終端碼流穩(wěn)定性及等多個角度進行闡述，可為各地廣電運營商相關業(yè)務平臺的設計和建設提供一定的參考。

4K；超高清；輪播平臺；系統(tǒng)測試；系統(tǒng)實現(xiàn)

1 江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的架構及實現(xiàn)

江蘇有線于2015年2月正式開展4K超高清輪播節(jié)目在江蘇省網(wǎng)播出，前期對于4K超高清節(jié)目制作、播出及終端呈現(xiàn)進行了大量的技術論證。

江蘇有線4K超高清輪播系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 江蘇有線4K超高清輪播系統(tǒng)架構

在技術實現(xiàn)方面：

1)頭端4K超高清制作上[1-3]，江蘇有線播控中心對高碼率H.264信源(碼率一般能達到100～120 Mbit/s)離線轉碼變換為35 Mbit/s碼率的H.265碼流進行播出。對比互聯(lián)網(wǎng)OTT的4K視頻，江蘇有線4K超高清節(jié)目不僅在編碼格式上以H.265-HEVC輸出，且碼率高，圖像穩(wěn)定。經(jīng)泰克PQA測試，圖像質(zhì)量好，轉碼損傷較小。

2)4K轉碼幀率問題上[4-5]，由于目前超高清4K片源存在著23.976 f/s(幀/秒)，25 f/s和29.98 f/s三種幀率，頭端4K制作流程過程中，不能強制轉化為25 f/s輸出，避免了轉碼帶來的卡頓。而互聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)4K制作過程都強制25 f/s輸出，給用戶帶來視覺反感。

3)4K超高清節(jié)目的傳輸環(huán)節(jié)上，江蘇有線采用一個頻點廣播式下發(fā)35 Mbit/s的H.265-HEVC-4K超高清節(jié)目，而互聯(lián)網(wǎng)OTT中的H.264-4K超高清節(jié)目受到網(wǎng)絡組播、網(wǎng)絡推流能力及帶寬等的限制，播出會有卡頓、緩沖等現(xiàn)象，用戶體驗較差。

4)4K超高清終端呈現(xiàn)上，江蘇有線選取的4K超高清終端采用海思3796C100智能型芯片，全面支持H.265-HEVC格式，而目前大多數(shù)OTT終端所謂的“4K”僅支持H.264低碼率的4K分辨率節(jié)目，在4K定義的角度上“概念”炒作居多。

5)4K超高清電視機的呈現(xiàn)上，江蘇有線播控中心第一批機頂盒可以選擇25 f/s固定幀率輸出和幀率自適應模式，兼容了不同幀率片源切換帶來的黑場問題和不同幀率片源統(tǒng)一25 f/s輸出的轉幀卡頓問題。在統(tǒng)一25 f/s固定幀率輸出模式上，終端解碼芯片經(jīng)過2次優(yōu)化已有大幅改善，體驗度大幅提高。

江蘇有線對4K超高清節(jié)目嚴格要求，滿足視頻編解碼專家的要求，保證江蘇有線4K超高清節(jié)目的體驗度、用戶的接納程度。

2 江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的測試

2.1 測試環(huán)境

為了驗證江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的工作性能，進行了大量測試，包含轉碼器的性能及功能測試，機頂盒解碼能力測試，4K碼流網(wǎng)絡適應性測試等。測試中采用表1中的碼流作為信源，包含了23.976 f/s的電影，PAL-25 f/s的電視，NTSC-29.98 f/s的電視。

表1 4K超高清測試片源送入轉碼器進行轉碼

編碼參數(shù)EBU-80Mbit/s-4K測試序列JS001城市測試序列JS003草原星空測試序列Nanjing2014南京風光測試序列文件格式MPEG-TSMEPG-4MPEG-4QuickTime文件大小/Gbyte1 432 041 6819 60長度2minn30s2min20s1min55s3min26s混合碼率模式CBRCBRCBRVBR平均混合碼率/(Mbit·s-1)81 8125125816視頻PID101(0x65)1(0x1)1(0x1)1(0x1)視頻文件格式AVCAVCAVCAppleProRes編碼格式AdvancedVideoCodecAdvancedVideoCodecAdvancedVideoCodecAhighCodecApchVersion0編碼層次High@L5 1High@L5 1High@L5 1HighCodecCABAC是是是否參考幀數(shù)4幀4幀3幀—視頻碼率/(Mbit·s-1)77 7125125815視頻畫面寬度/像素3840384038403840視頻畫面高度/像素2160216021602160視頻畫面比例16 916 916 916 9幀率/(f·s-1)25 00023 97629 97025 000色彩空間YUVYUVYUVYUV色彩抽樣4 2 04 2 04 2 04 2 0位深度8位8位8位8位掃描方式逐行掃描逐行掃描逐行掃描逐行掃描數(shù)據(jù)密度/(bit·(pixel×f)-1)0 3750 6290 5033 930序列內(nèi)容 細節(jié)豐富的畫面和高飽和度的彩色運動物體。測試轉碼器對細節(jié)和運動估值和補償能力 靜態(tài)背景下局部細節(jié)的運動 鏡頭運動及整體畫面的運動，運動背景下對靜止精細細節(jié)內(nèi)容的還原，檢驗運動固執(zhí)和運動補償 亮度和色彩細節(jié)豐富，有快速運動細節(jié)

2.2 大網(wǎng)播放4K超高清HEVC碼流能力測試

為了測試播放4K超高清碼流在終端的適應能力，按圖1所示的大網(wǎng)傳輸結構，將測試片源轉碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長度設置為N=50，M=3，在終端做觀察評價，測試結果如表2所示。

表2 轉碼主觀測試結果

測試序列轉碼器編碼層次GOP分辨率幀率/(f·s-1)轉碼倍速觀看效果JS003草原星空測試序列，HEVC編碼，35Mbit/s視頻碼率，TS封裝，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×216029 9700 10基本流暢，場景切換及聽頭搖動時畫面抖動Bmain@L5 0N=50，M=33840×216029 9700 20基本流暢，3處星空場景抖動Cmain@L5 2N=50，M=33840×216029 9700 15基本流暢，有1處卡頓Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×216029 9700 15基本流暢，兩處星空場景抖動JS001城市測試序列，HEVC編碼，35Mbit/s視頻碼率，TS封裝，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×216023 9760 10流暢Bmain@L5 0N=50，M=33840×216023 9760 20流暢Cmain@L5 2N=50，M=33840×216023 9760 15流暢Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×216023 9760 15流暢EBU-80Mbit/s-4K測試序列，HEVC編碼，35Mbit/s視頻碼率，TS封裝，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×2160250 10基本流暢，水流場景畫面抖動Bmain@L5 0N=50，M=33840×2160250 20基本流暢，水流場景畫面抖動Cmain@L5 2N=50，M=33840×2160250 15基本流暢，水流場景畫面抖動Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×2160250 15基本流暢，水流場景畫面抖動Nanjing2014南京風光測試序列，HEVC編碼，35Mbit/s視頻碼率，TS封裝，CBR模式Amain@L5 1N=50，M=33840×2160250 10流暢Bmain@L5 0N=50，M=33840×2160250 20流暢Cmain@L5 2N=50，M=33840×2160250 15流暢Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×2160250 15流暢

由上述測試結果可知：

1)頭端4K轉碼效率方面，離線速率基本在0.2～0.3；

2)EBU的測試序列在鏡頭快速移動時，各轉碼器廠家均出現(xiàn)不同程度的畫面抖動；

3)針對JS003測試序列，各家轉碼器碼流播出效果基本流暢，在畫面拍攝鏡頭移動時，會出現(xiàn)輕微的畫面抖動現(xiàn)象。

2.3 4K超高清HEVC碼流穩(wěn)定性測試

為了測試4K超高清碼流的穩(wěn)定性，如碼率、視頻圖像等要素，按圖1所示的大網(wǎng)傳輸結構，將測試片源轉碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長度設置為N=50，M=3，在終端做觀察評價，測試結果如表3所示。

表3 4K超高清HEVC碼流穩(wěn)定性測試結果

轉碼設備測試序列播出服務器碼率/(Mbit·s-1)復用器輸入碼率/(Mbit·s-1)復用器輸出碼率/(Mbit·s-1)IPQAM輸出碼率/(Mbit·s-1)碼流分析儀碼率/(Mbit·s-1)終端觀看效果轉碼設備ANanjing201436 8～37 336 236 236 236 2流暢JS00136 5～37 035 835 835 835 8流暢JS00336 5～37 035 835 835 835 8流暢EBU-80Mbit/s-4K36 5～37 035 835 835 835 8流暢，有部分場景圖像抖動轉碼設備BNanjing201439 3～39 8碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大無法收看JS00139 3～39 8碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大無法收看JS00339 3～39 8碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大無法收看EBU-80Mbit/s-4K39 3～39 8碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大碼率波動極大無法收看轉碼設備CNanjing201436 7～37 236 236 236 236 2流暢JS00135 6～37 035 835 835 835 8流暢JS00335 6～37 035 835 835 835 8流暢EBU-80Mbit/s-4K35 6～37 035 935 935 935 9流暢，有部分場景圖像抖動轉碼設備DNanjing2014無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流JS00135 5～35 934 834 834 834 8流暢JS003無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流EBU-80Mbit/s-4K無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流無法識別碼流

由上述測試結果可知：

1)部分轉碼器廠家輸出的碼率波動過大，在視頻碼率為35 Mbit/s時，播出服務器能達到39.8 Mbit/s，終端不能正確顯示。將視頻碼率降至32 Mbit/s后，進入核心復用機箱碼流的碼率在29～36 Mbit/s范圍波動，終端能正常解碼顯示。

2)部分轉碼器無法識別碼流，通用性上無法滿足江蘇有線前端播出及復用設備。

2.4 4K超高清HEVC轉碼圖像質(zhì)量評分測試

為了測試4K超高清轉碼系統(tǒng)對碼流的損傷程度，按圖2所示連接設備，將測試片源轉碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長度設置為N=50，M=3。

圖2 江蘇有線HEVC轉碼圖像質(zhì)量評分測試圖

測試步驟為：

1)將測試片源通過泰克MTS4EA軟件轉成YUV文件；

2)將測試片源通過離線轉碼器轉成HEVC文件；

3)將HEVC文件通過MTS4EA軟件轉成YUV文件；

4)通過泰克PQA軟件比較2個YUV文件的PQR，DMOS，PSNR值。

其中，PQR表示圖像質(zhì)量計分，當計分值為0，可以認為與原圖像無差別(為理想質(zhì)量)；當分值為1時，幾乎不能察覺損傷；當分值為3～4時，能察覺到損傷，但不明顯。DMOS表示差值平均計分，當分值為0，可以認為與原圖像無差別(為理想質(zhì)量)，一般分值在0～20之間質(zhì)量較好。PSNR表示峰值信噪比，分值代表了圖像間的絕對差值，分值越高代表圖像越好，但與人眼的相關性較弱，只在峰值信噪比較高時具有參考意義。

測試的PQR，DMOS，PSNR結果如圖3～5所示。

圖3 江蘇有線HEVC轉碼圖像質(zhì)量PQR評分

圖4 江蘇有線HEVC轉碼圖像質(zhì)量DMOS評分

圖5 江蘇有線HEVC轉碼圖像質(zhì)量PSNR評分

通過以上圖表PQR、DMOS、PSNR分值可以得出以下結論：

1)在視頻碼率為35 Mbit/s下對不同情景的測試序列要表現(xiàn)出較優(yōu)秀的性能，分值分布必須要穩(wěn)定平均。

2)部分轉碼器對運動矢量估計較差，如產(chǎn)品B在轉碼JS003測試序列時(序列包括鏡頭運動以及整體畫面的運動，運動背景下對靜止精細內(nèi)容的還原)，分值最差；其他靜態(tài)鏡頭較多的序列表現(xiàn)較好。

3)部分轉碼器在轉碼JS001測試序列時(序列包括較多的靜態(tài)背景下局部細節(jié)的快速運動)，分值較差，如產(chǎn)品A，通過圖像一幀一幀對比發(fā)現(xiàn)該轉碼器在靜態(tài)背景較多的快速運動下轉碼有馬賽克，無法達到廣播級轉碼器需求。

3 數(shù)據(jù)分析

江蘇有線4K輪播系統(tǒng)上線以來工作穩(wěn)定可靠，江蘇有線采用35 Mbit/s高碼率HEVC-H.265格式進行視頻壓縮，相比于互聯(lián)網(wǎng)的4K視頻(如表4所示)，清晰度和體驗度都較好。

表4 互聯(lián)網(wǎng)4K及其他分辨率視頻碼率對比

序號互聯(lián)網(wǎng)定義互聯(lián)網(wǎng)對應碼率實際分辨率廣電有線定義1標清/極速H 264-0 2Mbit/s480×240標清CIF2高清H 264-0 5Mbit/s720×480標清SD-480i3超清H 264-1 25Mbit/s1280×720高清720p41080PH 264-3Mbit/s1920×1080高清1080i54KH 264-5Mbit/s3840×2160普通4K

從目前情況來看，江蘇有線4K超高清機頂盒主芯片只支持8 bit H.265量化和30 f/s幀率。展望未來，HEVC-H.265編碼技術正朝著60 f/s幀率、10 bit色彩深度的方向發(fā)展：10 bit量化處理比8 bit的提供了更加細膩豐富的色彩呈現(xiàn)，層次從256提升到1 024，10 bit的帶寬效率更高，比 8 bit 更節(jié)約帶寬。P60的HEVC-H.265的視頻在視覺連貫性上遠高于P30的效果，特別是在運動矢量較大的場景，例如體育運動直播的場景。

目前支持60 f/s幀率的4K電視機較少，除了Samsung和LG的部分產(chǎn)品外，其余品牌幾乎不都支持60 f/s幀率。因此60 f/s幀率、10 bit色彩深度的HEVC-4K的普及速度還很漫長，預估在2016年支持60 f/s幀率的4K電視機會有所增多。

[1] ISO/IEC 13818-1，Information technology-generic coding of moving pictures and associated audio information: Systems[S].2007.

[2] ISO/IEC 23008-2，Information technology-High efficiency video coding[S].2013.

[3] 李靜. 超高清電視技術的圖像格式[J].廣播與電視技術，2013(11)：30-35.

[4] ISO/IEC 13818-1，201X/PDAM 3-Transport of High Efficiency Video Coding (HEVC) Streams over ITU-T[S].2007.

[5] ITU-T Recommendation H.26x (201x)，Advanced video coding for generic audiovisual services[S].2003.

Test and Implementation of 4K-Ultra-HD Broadcasting Platform

GAO Rongrong

(JiangsuBroadcastingCableInformationNetworkCo.,Ltd.NanjingBranch,Nanjing210001,China)

Under the new situation of "triple play", in the view of the bottlenecks of video services development for Radio & Television Network Operators after the HD era, an example design and the test method of 4K ultra-HD video service platform are introduced, which include the overall architecture, system testing environment, 4K broadcasting ability, the stability in the terminals and the damage in transcoding, etc. It also provides a reference for the design and construction of relative platform for the other domestic Radio & Television Network Operators.

4K; ultra-HD; broadcasting platform; system testing; system implementation

TN94

B

10.16280/j.videoe.2015.18.013

2015-05-13

【本文獻信息】高蓉蓉.4K超高清輪播系統(tǒng)的測試與實現(xiàn)[J].電視技術,2015，39(18).

高蓉蓉(1981— )，女，碩士，工程師，主研廣播電視新技術市場化管理。

責任編輯：任健男