壓縮視頻測試策略

2005-09-14 Chris Purdy 泰克公司應用工程師依馬獅網

【摘要】在數字視頻廣播中，不僅要求在幾百萬的數字數據字節中沒有誤碼，而且要求傳送流中的各種視頻、音頻、數據等應保持同步。出現一些小的錯誤雖然在所難免，但它也有可能影響到正常的廣播甚至引起節目的中斷而造成損失。更糟糕的是，一些錯誤從表面上看來是間斷性的，但為了識別這些錯誤并解決這樣的問題，卻是十分困難的。一種可行的測試策略是，首先檢測出錯誤，并進行優先排序，分析錯誤的嚴重程度，而后對已存在問題的鏈路進行定位。檢測和分析這樣的問題，應當在最短的時間內予以解決，以免對終端用戶帶來影響。
戶的設備對視音頻進行正確的解碼。新的壓縮系統如MPEG4/H.264/Windows Media9和SMPTE VC-1的出現，給傳送流測試帶來了許多新的課題。另外，移動視頻標準如DVB-H的應用，也給傳送流測試帶來了新的挑戰。

    一. 現代電視廣播系統
    在傳統的離線分析中，對現代電視廣播系統和數字視頻的傳送流文件進行分析和查找，是一件耗費時間且十分復雜的工作。為了分析和查找錯誤，傳統的傳送流分析儀需要創建含有錯誤的記錄文件，而用戶不得不采用手動方式來回地搜索記錄文件以對每一錯誤進行分析和評估。這就是說，為了查找一個被懷疑的故障，往往需要搜索含有成千上萬個記錄錯誤的文件報告。這一過程需要耗費幾個小時，也許是數天甚至是數月——事實證明，這一方法是完全不成功的。
    為使各個不同的視頻分配系統、壓縮和傳輸系統能夠可靠地提供高質量的服務，關鍵是在測試時要把注意力集中在最重要的部位。這包括服務信息（SI）和系統定時（其表現形式為節目時鐘參考PCR測量），以及其它附加服務，如互聯網協議（IP）或電子節目指南（EPG）數據。
    幸運的是，新的測試工具可用來測試和分析數字視頻廣播系統，使得開發和實現新壓縮標起錯誤的原因。這種錯誤記錄文件將有助于跟蹤頻率和事件（tracking frequency and occurrence）。
    這樣的分析工具可以提供一種簡明的屏幕顯示，使用戶一眼就能看出（at-a-glance）最重要的事件和關鍵的測量結果，并給予特別的關注。圖2給出了有關復用占有率分配情況的餅狀圖示，用戶從圖中可以迅速地發現碼流是否處于“實際播出”狀態和解碼過程中，而不管測試點和碼流是否在運行。

    二. 如何測量PCR
    1.什么是PCR
    PCR是使MPEG解碼器與編碼視頻保持同步的時鐘參考，它鎖定在“系統時鐘”上。在由編碼器系統時鐘（STC）得到的42比特的樣值中，為復用器提供解碼器每接收一個PCR時的STC時間指示，其意義可參見ISO 13818-1附錄D3（1）MPEG-2標準。如果因復用器產生的PCR值不準確，或者由于網絡的延時而造成接收時間的推遲，就會出現同步錯誤。PCR抖動就是用來描述這種延遲時間的變動狀況。
    2.PCR錯誤來自何處
    PCR的不準確可能來自于編碼器中PCR電路的故障，也可能是因再復用器PCR電路或傳送流無縫環路的故障所引起。如果RF調制器或解調器的工作不穩定，或者光纖解復用器工作不穩定也會導致PCR的不準確。另外，ATM網絡中的包抖動和IP數據報的延遲變動均可能造成PCR出現錯誤。機頂盒（STB）中的緩存器可以改善PCR的抖動效應，然而，如果問題較嚴重，特別是當PCR出現較大的偏差時，那么STB也無能為力了。
    在解碼器中，由PCR導出的顯示時間標記（PTS）和解碼時間標記（DTS）用來對雙向編碼幀重新排序，從而得到正確的圖像幀顯示順序。

    三. 有哪些重要的PCR測量項目
    最為重要的PCR測量是那些對顯示時間標記和解碼時間標記有直接影響的項目，它們是（參見圖3）：
    PCR到達間隔（PCR-AI）：對于MPEG-2G不得大于100mS，在DVB中不得大于40mS；
    PCR準確度（PCR-AC）：在穩定的PCR參考值上不得超出±500nS的偏離值；
    PCR總抖動（PCR-OJ）：按照TR101 290標準（MGF1，2和3）定義的算法規則，濾波函數（區間頻率）使用：0.01Hz、0.1Hz或1Hz。在TR101 290標準中，沒有對PCR總抖動的容限作出規定，但是，PCR-OJ值可以很大，大約為微秒或毫秒的數量級。PCR-OJ與PCR到達間隔和PCR準確度（參見以下的圖3）中的抖動相關。它們具有實時的效應，傳送流包應當準確地在接口處給出穩定參考時鐘的時間標記以實現準確的測量。例如，對于泰克公司的MTS400，允許用戶定義自己的PCR-OJ容限，以適應給定系統的可接受的已知性能。對于實際傳送流的實時PCR測量可按照圖3來進行。

    四. 如何測量PCR
    用戶可以直接從實際工作的傳送流中進行PCR實時測量，也可以在原先記錄的傳送流文件中進行離線測量。如果測試設備給出了輸入數據包的時間標記，那么還可以測量和評估到達時間間隔抖動和總抖動。
    現以MTS400為例具體說明。用戶單擊某一被測節目，然后查找代表含有PCR的PID時鐘符號圖標并單擊之。儀器即會出現“PCR graphs tab”（PCR圖形標簽），用戶可以打開并觀察到所有的可用圖形和測量項。單擊“limits icon”（容限圖標），則在該圖形的上下方顯示出紅色的“out of limits（容限外）”區域，如果存在著PCR錯誤，用戶一眼就能看出。還可以按照TR101 290標準測試（2.3、2.4）列出錯誤，記錄所發現的任何錯誤并整理成文檔。
    用戶可使用另一圖標放大或縮小時間軸和幅度軸，以進一步查驗PCR錯誤的性質（如漂移或正弦波失真）。

五. 檢測和解決MPEG4/AVC/VC-1壓縮系統中的問題
如果要分析下一代的壓縮系統，例如H.264、Windows Media9和VC-1，需要使用專用的基本流測試工具。利用這種測試工具，可以分析新壓縮標準所支持的各種類型的宏塊，運動矢量和改善后的運動估值。

六. 更好的分析和監視方法
隨著新的壓縮標準和新的電視廣播體系（如基于IP的視頻傳送）的應用，也使傳輸系統更為復雜，這就需要新的測試方法并能在最短的時間內得出測試結果。為務或各個節目；它應配備有用戶接口，并提供簡捷的導航指示以跟蹤追查直至故障的根源。這樣，就能在對終端用戶造成影響之前，使所有的錯誤逐一得到解決。