劉 雷，李抵非，韓 東，吳昭春*，陳 鵬

（1.北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 100015；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，越來越多的視頻信號依靠數(shù)字接口傳輸[1]。串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）是數(shù)字視頻信號的一種常用接口形式，廣泛應(yīng)用在廣播電視領(lǐng)域，在數(shù)字視頻的編解碼系統(tǒng)中起著重要作用。目前，SDI 接口最大支持12 Gb·s-1的傳輸速率，單通道SDI-12G 接口最大可以支持4K 60P 的超高清數(shù)字視頻信號傳播，4 通道SDI-12G 接口最大可以支持8K 60P 的超高清數(shù)字視頻信號傳播[2-4]。為了評估數(shù)字視頻信號的質(zhì)量，得到編解碼系統(tǒng)對于數(shù)字視頻信號傳輸質(zhì)量的影響，必須對數(shù)字視頻信號的音視頻參數(shù)進(jìn)行測量[5]。

中華人民共和國廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《AVS2 4K超高清編碼器技術(shù)要求和測量方法》（GY/T 323—2019）和《AVS2 4K 超高清專業(yè)衛(wèi)星綜合接收解碼器技術(shù)要求和測量方法》（GY/T 324—2019）明確提出了SDI 接口的視頻介入增益、幅頻特性、非線性失真、彩條信號矢量相位差等視頻參數(shù)和音頻介入增益、音頻總諧波失真、音頻頻率響應(yīng)、音頻聲道電平差、音頻聲道相位差等音頻參數(shù)的技術(shù)要求[6-7]。由于目前行業(yè)內(nèi)并沒有支持SDI 接口的數(shù)字視頻分析儀，《AVS2 4K 超高清編碼器技術(shù)要求和測量方法》（GY/T 323—2019）和《AVS2 4K 超高清專業(yè)衛(wèi)星綜合接收解碼器技術(shù)要求和測量方法》（GY/T 324—2019）選用波形監(jiān)視器、音頻解嵌器及音頻分析儀作為主要標(biāo)準(zhǔn)器。波形監(jiān)視器只具有波形圖和矢量圖的顯示功能，并沒有視頻參數(shù)的測量功能。測量視頻參數(shù)時,只能使用波形監(jiān)視器的游標(biāo)功能進(jìn)行測量，測量后還要進(jìn)行計(jì)算才能得到最終結(jié)果，過程較為煩瑣，測量結(jié)果也不夠精確。測量音頻參數(shù)時，需要通過音頻解嵌器將數(shù)字視頻信號中的伴音解出，然后輸出給音頻分析儀進(jìn)行測試，不僅過程煩瑣，而且測量結(jié)果受音頻解嵌器的性能影響[8]。

為了解決上述問題，北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司開發(fā)了超高清數(shù)字視頻分析儀。該數(shù)字視頻分析儀可以直接對SDI 接口的數(shù)字視頻信號進(jìn)行測量，相對于傳統(tǒng)方法，過程更加簡單，結(jié)果更加精確。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

超高清數(shù)字視頻分析儀的主要功能是對SDI接口的超高清數(shù)字視頻信號進(jìn)行采集，并實(shí)現(xiàn)對彩條、非線性失真、多波群頻響及伴音等項(xiàng)目的測試。本系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，以工控機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)由工控機(jī)、系統(tǒng)軟件及視頻采集卡組成。工控機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)人機(jī)交互、發(fā)送控制指令、顯示測量結(jié)果；視頻采集卡通過PCI-E 接口與工控機(jī)相連，接收系統(tǒng)軟件的指令，采集超高清數(shù)字視頻信號。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用工控機(jī)+視頻采集卡方式實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)選用上翻式便攜機(jī)箱，內(nèi)部配有研華AIMB-277 主 板、Intel? I7/10700 CPU、32 GB 內(nèi)存、1 TB M.2 固態(tài)硬盤、300 W 電源,以及15.6 英寸1 920×1 080 分辨率的液晶屏。視頻采集卡選用BlackmagicDesign 公司的DeckLink 8K Pro 視頻采集卡。DeckLink 8K Pro 視頻采集卡具有4 路SDI 接口，支持單路采集和4 路同時采集，最大支持8K 60P的超高清數(shù)字視頻信號采集，支持RGB 4 ∶4 ∶4和YUV 4 ∶2 ∶2，具有兩種采集模式，8 bits 和10 bits 兩種采樣位數(shù)，REC 601、REC 709、REC 2020 三種色彩空間，混合日志伽瑪（Hybrid Log-Gamma，HLG）和感知量化（Perceptual Quantization，PQ）兩種高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）模式，滿足系統(tǒng)要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個系統(tǒng)的核心。音視頻信號的采集、波形的生成和顯示、音視頻參數(shù)的測量以及人機(jī)交互等功能都依靠軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件包括音視頻信號采集程序和音視頻參數(shù)測量程序兩個部分。

3.1 音視頻信號采集程序

音視頻信號采集程序在Visual Studio 環(huán)境下用C++語言編寫，作用是配置視頻采集卡采集音視頻信號并將采集到的數(shù)據(jù)保存在指定目錄下，供音視頻參數(shù)測量程序調(diào)用。音視頻信號采集程序主要包括選擇設(shè)備、初始化設(shè)備、錯誤檢測、設(shè)置采集模式和采樣位數(shù)、讀取音視頻協(xié)議、開始采集、停止采集以及刪除設(shè)備等步驟。其中，音視頻協(xié)議包括像素格式、顯示模式、色域空間、HDR 信息及音頻信息等，采樣模式包括RGB 4 ∶4 ∶4 和YUV 4 ∶2 ∶2兩種模式，軟件會根據(jù)視頻信號的像素格式自動匹配，采樣位數(shù)包括8 bits 和10 bits 兩種采樣位數(shù)。程序流程如圖2 所示。

圖2 音視頻信號采集程序流程圖

3.2 音視頻參數(shù)測量程序

音視頻參數(shù)測量程序在LabVIEW 環(huán)境下編寫，主要包括讀取音視頻數(shù)據(jù)、生成視頻波形和音頻波形、選擇測量項(xiàng)目、調(diào)用測量程序以及顯示測量結(jié)果等步驟。程序流程如圖3 所示。

圖3 音視頻參數(shù)測量程序流程圖

3.2.1 音視頻波形生成

視頻參數(shù)和音頻參數(shù)都是針對波形進(jìn)行測量，因此，音視頻波形生成程序是視頻參數(shù)和音視頻參數(shù)測量的基礎(chǔ)。調(diào)用LabVIEW 中的“讀取二進(jìn)制文件”函數(shù)，讀取“音視頻信號采集程序”保存的視頻數(shù)據(jù)文件和音頻數(shù)據(jù)文件，可以得到視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)。

獲得的視頻數(shù)據(jù)是一個無符號長整型數(shù)據(jù)格式（32 位二進(jìn)制格式）的一維數(shù)組，但實(shí)際上視頻數(shù)據(jù)是3 個通道（RGB 或YCbCr）視頻數(shù)據(jù)，也就是3 個一維數(shù)組。因此，首先要對這個一維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以10 bits YUV 4 ∶2 ∶2 采樣模式為例，其視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到Y(jié)、Cb、Cr 這3 路視頻數(shù)據(jù)，處理程序如圖5 所示。最終調(diào)用LabVIEW 中的“波形生成”函數(shù)生成視頻測試波形。

圖4 10 bits YUV 4 ∶2 ∶2 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

圖5 10 bits YUV 4 ∶2 ∶2 視頻數(shù)據(jù)處理程序圖

音頻數(shù)據(jù)同樣是一個一維數(shù)組，而通常音頻數(shù)據(jù)是多通道的（如2 通道、8 通道、16 通道等）。以2通道為例，音頻數(shù)據(jù)（0，1，2，3，4，5，6，7，8，…）中，（0，2，4，6，8，…）為通道1 音頻數(shù)據(jù)，（1，3，5，7，9，…）為通道2音頻數(shù)據(jù)，通過LabVIEW中的“抽取一維數(shù)組”函數(shù)可以分別得到每個通道的音頻數(shù)據(jù)，再利用LabVIEW 中的“波形生成”函數(shù)生成音頻測試波形。

3.2.2 彩條測量

彩條是視頻測量常用的測試信號，由白、黃、青、綠、紫、紅、藍(lán)、黑共8 個色度條組成。彩條信號包含亮度電平、色度電平及色度相位等多種測量信息，因此彩條的測量是視頻分析儀最常用的功能。彩條測量包括視頻亮度電平、色度電平及色度相位。首先將彩條中的白、黃、青、綠、紫、紅、藍(lán)、黑8 個色度條的中心位置作為測量位置，條寬度的一半作為測量寬度，分別對3 個通道（GBR 或YCbCr）的視頻電平進(jìn)行測量，其次利用視頻電平的測試結(jié)果計(jì)算每一個色度條的亮度電平、色度電平及色度相位。以10 bits YUV 4 ∶2 ∶2 采樣模式為例，亮度電平直接引用Y 通道的視頻電平的測量結(jié)果；色度電平的計(jì)算方法是將Cb 和Cr 的視頻電平的測量結(jié)果平方和的算術(shù)平方根；色度相位的計(jì)算方法是將Cr 和Cb 的視頻電平的測量結(jié)果的比值取反正切。

3.2.3 非線性失真測量

非線性失真主要針對5 階梯信號進(jìn)行測試，測量方法是測5 階梯底部的視頻電平L0，并以每個臺階的中心點(diǎn)作為測量位置，臺階寬度的1/2 作為測量寬度，測量每一個臺階的視頻電平L1～L5，L0～L5依次做差可以得到5 個臺階高度A1～A5，利用非線性失真的計(jì)算公式，非線性失真=（Amax-Amin）/Amax×100%。

3.2.4 多波群頻響測量

多波群頻響的測量方法是首先以旗脈沖的頂部中心作為測量位置、頂部寬度的1/2 作為測量寬度，測量出旗脈沖頂部的視頻電平，同樣方法測量出底部的測量電平；其次，頂部的視頻電平與底部視頻電平做差得到旗脈沖幅度，調(diào)用LabVIEW 中的獲取波形子集函數(shù)，分別得到多波群中的每一個正弦波波形；最后，調(diào)用提取單頻信息函數(shù)，可以得到這6 個正弦波的頻率和幅度，正弦波的幅度除以旗脈沖幅度取對數(shù)再乘以20 即為該頻率下的頻響。

3.2.5 伴音測量

伴音測量包括頻率、電平、通道相位差及失真4 個參數(shù)。調(diào)用LabVIEW 中的提取單頻信息函數(shù)，可以得到每個通道的音頻波形的頻率、幅度和相位；用幅度除以滿刻度電平，即可得到音頻電平；通道1的相位與通道2 的相位做差，得到通道相位差；調(diào)用諧波失真分析函數(shù)，可以得到音頻信號的失真。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用RDL-420 超高清視頻信號發(fā)生器發(fā)送視頻格式為3 840×2 160 60P、采樣模式為10 bits YUV 4 ∶2 ∶2 的帶有伴音的超高清數(shù)字視頻測試信號，利用本系統(tǒng)和VTE 數(shù)字視頻分析儀分別對彩條、非線性失真、多波群頻響及伴音4 個項(xiàng)目進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)如圖6 所示。測試結(jié)果分別如表1 ～表4 所示。可以看出，本系統(tǒng)的測試結(jié)果與VTE 數(shù)字視頻分析儀的測試結(jié)果基本一致。

表1 彩條測試結(jié)果

表2 非線性失真測試結(jié)果 單位：%

表3 多波群頻響測試結(jié)果 單位：dB

表4 伴音測試結(jié)果

圖6 測試系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的超高清數(shù)字視頻分析儀可以直接對SDI 接口的超高清數(shù)字視頻信號的視頻參數(shù)和音頻參數(shù)進(jìn)行測試，填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)SDI 接口數(shù)字視頻測試設(shè)備的空白，可以應(yīng)用在廣播電視行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的測試，為數(shù)字視頻編解碼器等設(shè)備的研發(fā)、檢測提供技術(shù)支持。