4K超高清輪播系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)現(xiàn)

高蓉蓉

(江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)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(cè)試與實(shí)現(xiàn)

高蓉蓉

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

針對(duì)“三網(wǎng)融合”新形勢(shì)下廣電運(yùn)營(yíng)商后高清時(shí)代視頻業(yè)務(wù)開展所面臨的瓶頸問(wèn)題，介紹了4K輪播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其測(cè)試方案。分別從平臺(tái)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境、4K播放能力、終端碼流穩(wěn)定性及等多個(gè)角度進(jìn)行闡述，可為各地廣電運(yùn)營(yíng)商相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供一定的參考。

4K；超高清；輪播平臺(tái)；系統(tǒng)測(cè)試；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1 江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的架構(gòu)及實(shí)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(duì)于4K超高清節(jié)目制作、播出及終端呈現(xiàn)進(jìn)行了大量的技術(shù)論證。

江蘇有線4K超高清輪播系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 江蘇有線4K超高清輪播系統(tǒng)架構(gòu)

在技術(shù)實(shí)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(duì)高碼率H.264信源(碼率一般能達(dá)到100～120 Mbit/s)離線轉(zhuǎn)碼變換為35 Mbit/s碼率的H.265碼流進(jìn)行播出。對(duì)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(cè)試，圖像質(zhì)量好，轉(zhuǎn)碼損傷較小。

2)4K轉(zhuǎn)碼幀率問(wèn)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(guò)程中，不能強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為25 f/s輸出，避免了轉(zhuǎn)碼帶來(lái)的卡頓。而互聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)4K制作過(guò)程都強(qiáng)制25 f/s輸出，給用戶帶來(lái)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(gè)頻點(diǎn)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(luò)組播、網(wǎng)絡(luò)推流能力及帶寬等的限制，播出會(huì)有卡頓、緩沖等現(xiàn)象，用戶體驗(yàn)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(jī)的呈現(xiàn)上，江蘇有線播控中心第一批機(jī)頂盒可以選擇25 f/s固定幀率輸出和幀率自適應(yīng)模式，兼容了不同幀率片源切換帶來(lái)的黑場(chǎng)問(wèn)題和不同幀率片源統(tǒng)一25 f/s輸出的轉(zhuǎn)幀卡頓問(wèn)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(guò)2次優(yōu)化已有大幅改善，體驗(yàn)度大幅提高。

江蘇有線對(duì)4K超高清節(jié)目嚴(yán)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(yàn)度、用戶的接納程度。

2 江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

為了驗(yàn)證江蘇有線4K輪播系統(tǒng)的工作性能，進(jìn)行了大量測(cè)試，包含轉(zhuǎn)碼器的性能及功能測(cè)試，機(jī)頂盒解碼能力測(cè)試，4K碼流網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性測(cè)試等。測(cè)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(cè)試片源送入轉(zhuǎn)碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)碼

編碼參數(shù)EBU-80Mbit/s-4K測(cè)試序列JS001城市測(cè)試序列JS003草原星空測(cè)試序列Nanjing2014南京風(fēng)光測(cè)試序列文件格式MPEG-TSMEPG-4MPEG-4QuickTime文件大小/Gbyte1 432 041 6819 60長(zhǎng)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(xì)節(jié)豐富的畫面和高飽和度的彩色運(yùn)動(dòng)物體。測(cè)試轉(zhuǎn)碼器對(duì)細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)估值和補(bǔ)償能力 靜態(tài)背景下局部細(xì)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 鏡頭運(yùn)動(dòng)及整體畫面的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)背景下對(duì)靜止精細(xì)細(xì)節(jié)內(nèi)容的還原，檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)固執(zhí)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 亮度和色彩細(xì)節(jié)豐富，有快速運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)

2.2 大網(wǎng)播放4K超高清HEVC碼流能力測(cè)試

為了測(cè)試播放4K超高清碼流在終端的適應(yīng)能力，按圖1所示的大網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，將測(cè)試片源轉(zhuǎn)碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長(zhǎng)度設(shè)置為N=50，M=3，在終端做觀察評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)碼主觀測(cè)試結(jié)果

測(cè)試序列轉(zhuǎn)碼器編碼層次GOP分辨率幀率/(f·s-1)轉(zhuǎn)碼倍速觀看效果JS003草原星空測(cè)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(chǎng)景切換及聽頭搖動(dòng)時(shí)畫面抖動(dòng)Bmain@L5 0N=50，M=33840×216029 9700 20基本流暢，3處星空?qǐng)鼍岸秳?dòng)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?qǐng)鼍岸秳?dòng)JS001城市測(cè)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(cè)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(chǎng)景畫面抖動(dòng)Bmain@L5 0N=50，M=33840×2160250 20基本流暢，水流場(chǎng)景畫面抖動(dòng)Cmain@L5 2N=50，M=33840×2160250 15基本流暢，水流場(chǎng)景畫面抖動(dòng)Dmain@L5 0N=24，M=3/73840×2160250 15基本流暢，水流場(chǎng)景畫面抖動(dòng)Nanjing2014南京風(fēng)光測(cè)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(cè)試結(jié)果可知：

1)頭端4K轉(zhuǎn)碼效率方面，離線速率基本在0.2～0.3；

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

3)針對(duì)JS003測(cè)試序列，各家轉(zhuǎn)碼器碼流播出效果基本流暢，在畫面拍攝鏡頭移動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輕微的畫面抖動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 4K超高清HEVC碼流穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)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(jié)構(gòu)，將測(cè)試片源轉(zhuǎn)碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長(zhǎng)度設(shè)置為N=50，M=3，在終端做觀察評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 4K超高清HEVC碼流穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

轉(zhuǎn)碼設(shè)備測(cè)試序列播出服務(wù)器碼率/(Mbit·s-1)復(fù)用器輸入碼率/(Mbit·s-1)復(fù)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(zhuǎn)碼設(shè)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(chǎng)景圖像抖動(dòng)轉(zhuǎn)碼設(shè)備BNanjing201439 3～39 8碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大無(wú)法收看JS00139 3～39 8碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大無(wú)法收看JS00339 3～39 8碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大無(wú)法收看EBU-80Mbit/s-4K39 3～39 8碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大碼率波動(dòng)極大無(wú)法收看轉(zhuǎn)碼設(shè)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(chǎng)景圖像抖動(dòng)轉(zhuǎn)碼設(shè)備DNanjing2014無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流JS00135 5～35 934 834 834 834 8流暢JS003無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流EBU-80Mbit/s-4K無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流無(wú)法識(shí)別碼流

由上述測(cè)試結(jié)果可知：

1)部分轉(zhuǎn)碼器廠家輸出的碼率波動(dòng)過(guò)大，在視頻碼率為35 Mbit/s時(shí)，播出服務(wù)器能達(dá)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(jìn)入核心復(fù)用機(jī)箱碼流的碼率在29～36 Mbit/s范圍波動(dòng)，終端能正常解碼顯示。

2)部分轉(zhuǎn)碼器無(wú)法識(shí)別碼流，通用性上無(wú)法滿足江蘇有線前端播出及復(fù)用設(shè)備。

2.4 4K超高清HEVC轉(zhuǎn)碼圖像質(zhì)量評(píng)分測(cè)試

為了測(cè)試4K超高清轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)對(duì)碼流的損傷程度，按圖2所示連接設(shè)備，將測(cè)試片源轉(zhuǎn)碼成HEVC格式，視頻碼率為35 Mbit/s，均采用TS封裝，CBR模式，GOP長(zhǎng)度設(shè)置為N=50，M=3。

圖2 江蘇有線HEVC轉(zhuǎn)碼圖像質(zhì)量評(píng)分測(cè)試圖

測(cè)試步驟為：

1)將測(cè)試片源通過(guò)泰克MTS4EA軟件轉(zhuǎn)成YUV文件；

2)將測(cè)試片源通過(guò)離線轉(zhuǎn)碼器轉(zhuǎn)成HEVC文件；

3)將HEVC文件通過(guò)MTS4EA軟件轉(zhuǎn)成YUV文件；

4)通過(guò)泰克PQA軟件比較2個(gè)YUV文件的PQR，DMOS，PSNR值。

其中，PQR表示圖像質(zhì)量計(jì)分，當(dāng)計(jì)分值為0，可以認(rèn)為與原圖像無(wú)差別(為理想質(zhì)量)；當(dāng)分值為1時(shí)，幾乎不能察覺損傷；當(dāng)分值為3～4時(shí)，能察覺到損傷，但不明顯。DMOS表示差值平均計(jì)分，當(dāng)分值為0，可以認(rèn)為與原圖像無(wú)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(duì)差值，分值越高代表圖像越好，但與人眼的相關(guān)性較弱，只在峰值信噪比較高時(shí)具有參考意義。

測(cè)試的PQR，DMOS，PSNR結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 江蘇有線HEVC轉(zhuǎn)碼圖像質(zhì)量PQR評(píng)分

圖4 江蘇有線HEVC轉(zhuǎn)碼圖像質(zhì)量DMOS評(píng)分

圖5 江蘇有線HEVC轉(zhuǎn)碼圖像質(zhì)量PSNR評(píng)分

通過(guò)以上圖表PQR、DMOS、PSNR分值可以得出以下結(jié)論：

1)在視頻碼率為35 Mbit/s下對(duì)不同情景的測(cè)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(zhuǎn)碼器對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)較差，如產(chǎn)品B在轉(zhuǎn)碼JS003測(cè)試序列時(shí)(序列包括鏡頭運(yùn)動(dòng)以及整體畫面的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)背景下對(duì)靜止精細(xì)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(zhuǎn)碼器在轉(zhuǎn)碼JS001測(cè)試序列時(shí)(序列包括較多的靜態(tài)背景下局部細(xì)節(jié)的快速運(yùn)動(dòng))，分值較差，如產(chǎn)品A，通過(guò)圖像一幀一幀對(duì)比發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)碼器在靜態(tài)背景較多的快速運(yùn)動(dòng)下轉(zhuǎn)碼有馬賽克，無(wú)法達(dá)到廣播級(jí)轉(zhuǎn)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(lái)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(jìn)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(yàn)度都較好。

表4 互聯(lián)網(wǎng)4K及其他分辨率視頻碼率對(duì)比

序號(hào)互聯(lián)網(wǎng)定義互聯(lián)網(wǎng)對(duì)應(yīng)碼率實(shí)際分辨率廣電有線定義1標(biāo)清/極速H 264-0 2Mbit/s480×240標(biāo)清CIF2高清H 264-0 5Mbit/s720×480標(biāo)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(lái)看，江蘇有線4K超高清機(jī)頂盒主芯片只支持8 bit H.265量化和30 f/s幀率。展望未來(lái)，HEVC-H.265編碼技術(shù)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(xì)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(yuǎn)高于P30的效果，特別是在運(yùn)動(dòng)矢量較大的場(chǎng)景，例如體育運(yùn)動(dòng)直播的場(chǎng)景。

目前支持60 f/s幀率的4K電視機(jī)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(zhǎng)，預(yù)估在2016年支持60 f/s幀率的4K電視機(jī)會(huì)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(shù)的圖像格式[J].廣播與電視技術(shù)，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(xiàn)信息】高蓉蓉.4K超高清輪播系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù),2015，39(18).

高蓉蓉(1981— )，女，碩士，工程師，主研廣播電視新技術(shù)市場(chǎng)化管理。

責(zé)任編輯：任健男