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数字电视数据流质量评估

2007-08-23 北京电视台 赵妍 依马狮网


    随着数字电视时代的到来,视频工作者面对的更多的是各种各样的压缩后的流媒体,而不是传统意义的可以直接在电视机上显示的图像。所以,需要一种新的对数字电视质量进行评估的方法。
    首先,让我们回顾一下模拟电视信号质量的标定方式:
    1.以十种标准测试信号为基础的五大指标模拟测量:反射损耗、介入增益及稳定度、视频杂波、非线性失真和线性失真。
    2.对终极信号---模拟彩色电视信号的主观质量评价永远是视频信号,无论模拟和数字视频信号质量最有力的参数之一。无论如何,人(眼)毕竟是最终视频图像的评判者。
    回到数字领域,对于一个压缩了的视频数据流,它的信号质量损伤已经确定或者说由最终的D/A转换来决定。所有模拟指标的评判已经不存在,我们更关心的是这个数据流本身的“质量”。一方面在于它的物理和电气特性,保证数字信号的再生和中继传输;另一方面是数据内容,既遵守标准的协议保证兼容性又有足够的可靠性和效率。下面以目前最成熟和应用最广泛的MPEG码流为例进行讨论。
    物理和电气特性是保证信号中继(传输)和再生的基础,也是考察数据流质量的第一步。
    输入反射损耗:   15dB
    幅度:           800mv±10%
    上升下降时间:   0.75ns/1.5ns
    过冲和下冲:     <10%
    抖动:           <0.25ns
    通过下面的理想眼图,可以对各个参数有直观的了解。

数字电视数据流质量评估

    一. MPEG-2数据流分析
    没有一个简单的通用方式可以直接对MPEG-2数据流进行测量。MPEG-2包含有多种格式如ES流(基本流)、PES流(包化流)、TS流(传输流)等以及其他多种特定内容的信息象PSI、SI等。因此,对于如此复杂的MPEG-2数据流进行分析和测量,首先要确定对象和目的。
    对象:用于广播级数字电视节目传输的MPEG-2 TS流。
    目的:发现码流中的问题并找出预防和解决方法,保证节目的传送和接收。
    下图为MPEG码流的构成和传输应用图。

数字电视数据流质量评估

    1.ES流 
    MPEG-2编码器对模拟视音频信号进行取样、量化、编码和压缩首先形成的是视音频各自的ES流。根据信号源的不同内容,编码器使用各种方式进行数据的压缩处理,主要是去除了图像中的空间和时间冗余度。一个值得一提的重要处理方式是运动补偿。对于图像中的一个快速移动的物体来说,简单的使用一个矢量来描述它的运动比仅仅利用前后帧的差异要节约大量的数据。这会导致各个不同的编码器会对相同的视频信号进行不同的压缩,导致不同的图像质量----因为在固定比特率的情形下,每个编码器都在采用各自的方式(算法)分配码率给一帧图像中更多的细节或用来描述图像的运动。
    一般说来,一个TS(编码器)包含的图像质量水平与以下三个方面有关:
    ·信号源的质量;
    ·编码压缩后的输出码率;
    ·编码器的编码压缩效率
    2.TS流 
    传输流TS是最常用和最通用的MPEG-2码流,被广泛用作数字电视节目传输和交换。先来看一下TS的形成有助于我们随后的分析:视音频数据流组成一个Service,然后一个或多个Service再复用组成一个单/多节目流(SPTS/MPTS)。同时被加入的还有一个非常重要的表格信息PSI和SI信息。它们提供给接收解码器工作必要的解码信息。以上TS的形成中,有两个重要的过程:
    (1)TS使用188字节的固定包长:4个字节的包头+184字节的载荷。当有多余的空包或一个包内的数据没有装满的时候,将会出现空包。空包率也是衡量码流(编码器)的参数。一般广播级编码器空包率〈1%。
    (2)每一个编码器都有自己的时钟。为了使解码器能跟编码器同步,编码器会将自己时钟的取样值(PCR)放到TS中的特定位置给解码器。但是当多个SPTS复用成一个MPTS时,各个SPTS被时分复用,导致原来的时钟产生了误差(PCR偏移),这样复用器会将各个SPTS的时钟(PCR)进行重新映射调整。 
    3.PSI/SI表格 
    PSI/SI是TS的一部分。它包含一系列的解复用和解码需要的信息,由多个表格组成。数字电视业务信息由PSI和SI两部分构成。PSI是MPEG-2规定的,它由PAT、PMT、CAT和NIT 4个表构成,其中PAT、PMT表最为重要,参看下图。SI是DVB标准规定的,它由BAT、SDT、EIT、RST、TDT、TOT、ST、SIT和DIT 9个表构成,其中BAT、SDT、EIT和TDT是强制性的。PSI/SI由“表”和“描述符”构成。表是PSI/SI的基本结构,针对特定用途,PSI/SI中规定了一系列表来实现它;表由变量和描述符组成。
数字电视数据流质量评估

    为了保证解码器能够获得正确的解压缩和解码信息还原视音频节目,PSI信息必须以足够的间隔定时在TS中传送。为了保证节目切换的时间不会太长又兼顾有效数据载荷(视频数据)的传输效率,该间隔应在允许的范围之内。所以PSI表格的语法和发送间隔是TS质量检查的最为重要的内容之一。
    TS流在被接收以前经过多种处理并以不同的传输方式(地面、卫星、HFC等)传输,数据内容和表格内容都进行了各种各样的更改,有可能对TS造成不同程度的损伤。这些处理包括多路节目复用、解复用(去除节目或PID)、加扰、数据加入(如EPG、股票)、码率转换和调制等。所有这些处理都需要在TS流中有所体现,重新修正TS中的PCR时钟、PSI信息和SI信息等,这些都是TS检测的必要内容。

    二. TS质量分析
    (1)TS流的基本结构信息
    TS流的基本结构信息监测包括TS流的信息构成、TS包的包长、PSI/SI表的传输间隔、传输流的ID、PID的数量、网络ID和网络名称。
    TS流的信息构成是指TS流所包含的节目数量、每个节目的节目号和节目名称、节目是否被加密等信息。尤其对于一个有众多节目来源的前端来说,掌握各传输流的ID、PID、网络ID和网络名称是非常重要的。
    (2)带宽码率监测
    带宽码率监测包括整个TS流总码率的最小值、最大值、有效值、当前值、TS流中每路节目的码率和所占带宽的比率、PSI/SI中每个表的码率、空包率和其它数据的码率。
    监测TS流的总码率,可以及时发现TS流瞬间超过带宽而影响传输和接收,同时也为配置传输通道提供了重要的参考。
    (3)ETR-290/TR 101-290
    为了保证解码器的解码,确认一个TS流的合法性,DVB开发了一个标准ESTI ERT-290及后来的TR 101-290。在这个标准中,从内容上看主要分析语法(协议)、参数精度和参数时间间隔;对所有信息按照优先级(重要性)被分成三类:
    1.TR 101-290的

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