視頻質(zhì)量評(píng)估模型及其演變

    IPTV已進(jìn)入商用階段，其市場(chǎng)亦在蓬勃發(fā)展。 與此同時(shí)，消費(fèi)者期望IPTV能夠提供與競(jìng)爭(zhēng)性服務(wù)相當(dāng)、甚至是更優(yōu)異的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，而這已成為IPTV能否成功的關(guān)鍵所在。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)，IPTV市場(chǎng)將達(dá)數(shù)十億美元的規(guī)模；但對(duì)于那些沒(méi)能融入這股發(fā)展潮流的公司來(lái)說(shuō)，很可能成為外面的看客。

　　簡(jiǎn)單地增加原始帶寬，并不能確保提供這種交互式電視服務(wù)所需的網(wǎng)絡(luò)性能。觀眾對(duì)電視的容忍程度與對(duì)互聯(lián)網(wǎng)接入的容忍程度并不相同。例如，用戶能夠容忍甚至預(yù)料互聯(lián)網(wǎng)接入偶爾出現(xiàn)掉線狀況。但是，若你提供的電視畫(huà)面質(zhì)量欠佳，或象互聯(lián)網(wǎng)接入那樣偶爾出現(xiàn)信號(hào)傳輸中斷，你將被無(wú)數(shù)怒不可遏的用戶的投訴電話所淹沒(méi)，催使你盡快解決問(wèn)題。這種情況一旦出現(xiàn)次數(shù)過(guò)多，大批觀眾/客戶便會(huì)棄你而去。因此，網(wǎng)絡(luò)性能保證已成為任何IPTV服務(wù)設(shè)計(jì)的成功要素。

　　弄清終端用戶的體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)或其體驗(yàn)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，是了解什么令用戶對(duì)提供的服務(wù)感到不快的唯一方法；而了解體驗(yàn)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)故障具有怎樣的關(guān)聯(lián)，是運(yùn)營(yíng)商借以把握怎樣使用戶滿意、需要在哪些方面作出改進(jìn)以及服務(wù)正以何種方式提供給用戶的不二選擇。但是，如果不能洞察用戶從電視機(jī)獲得的體驗(yàn)，就不可能實(shí)現(xiàn)出色的用戶體驗(yàn)質(zhì)量。



　　雖然很早就涌現(xiàn)出來(lái)了一些評(píng)估用戶會(huì)有何種體驗(yàn)的方法，但它們僅是基于服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)核心情況的簡(jiǎn)單推論——最好的情況下，也只是一種自圓其說(shuō)的猜測(cè)。真正需要的是一種能從用戶居家查明問(wèn)題所在的方法。服務(wù)供應(yīng)商必須能以某種方式直接深入用戶室內(nèi)查找問(wèn)題。換句話，理想的情形是——用戶客廳內(nèi)的機(jī)頂盒(STB)能向服務(wù)提供商報(bào)告說(shuō)，某用戶家中出現(xiàn)了問(wèn)題，以及具體是哪類問(wèn)題。

　　就視頻質(zhì)量評(píng)估進(jìn)行的許多研究已聚焦到一種“雙端(dual ended)”模型上。這種雙端模型(J.144)需要將受損信號(hào)與視頻源進(jìn)行對(duì)比。視頻數(shù)字化、壓縮、流傳送(streaming)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和解壓縮(見(jiàn)圖1)等各種復(fù)雜處理過(guò)程，都可能導(dǎo)致視頻受損。

圖1：視頻質(zhì)量評(píng)估的雙端模型

　　對(duì)于在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作、能同時(shí)引入視頻源和受損視頻的的大多數(shù)工程師來(lái)說(shuō)，這種雙端模型能夠滿足他們的需求。但當(dāng)視頻源與受損視頻相隔數(shù)里，如在向用戶家中傳輸IPTV的場(chǎng)合，該模型就不再實(shí)用。此外，它的擴(kuò)展性欠佳。而且，當(dāng)需要從不同地點(diǎn)對(duì)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)將數(shù)百套IPTV節(jié)目向數(shù)百萬(wàn)用戶發(fā)送的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析時(shí)，其對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理能力的要求將使這樣一種方案的實(shí)施和維護(hù)的成本非常昂貴。

　　近期進(jìn)行的幾項(xiàng)研究則試圖定義一種完全無(wú)需參考的模型。對(duì)于VoIP來(lái)說(shuō)，這樣一種模型已存在數(shù)年，且由國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)將其批準(zhǔn)為G.107標(biāo)準(zhǔn)。這種VoIP模型也稱為E-Model，它不需將任何“廣為人知”的源置入網(wǎng)絡(luò)中，以評(píng)估VoIP的質(zhì)量。這種模型也被稱作“非強(qiáng)加(non intrusive)”模型。

V-Factor技術(shù)

而在IPTV方面，也出現(xiàn)了一項(xiàng)專門針對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)——V-Factor。

圖6：通用V-Factor庫(kù)

　　這項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的技術(shù)借鑒了幾家實(shí)驗(yàn)室在過(guò)去10年間開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)圖象質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(MPQM)研究成果。

　　MPQM是一種實(shí)時(shí)評(píng)估視頻質(zhì)量的單端模型(見(jiàn)圖2)。

　圖2：實(shí)時(shí)評(píng)估視頻質(zhì)量的單端模型

　　MPQM模型不需任何“廣為人知”的源并以與E-model評(píng)估VoIP質(zhì)量相同的方式給視頻質(zhì)量打分。MPQM基于人類視覺(jué)系統(tǒng)(Human Vision System)，已將視頻源在壓縮、傳輸和解壓縮這一整個(gè)處理過(guò)程中對(duì)圖像質(zhì)量(由人的視覺(jué)器官和相應(yīng)腦神經(jīng)感知)弱化的影響考慮在內(nèi)(見(jiàn)圖3)，而不是僅依靠核心網(wǎng)絡(luò)的缺陷來(lái)推算視頻質(zhì)量。

圖3：MPQM模型

為MPQM提供影響視頻質(zhì)量的參數(shù)

　　導(dǎo)致視頻質(zhì)量降低的偽信號(hào)(artifact)大部分來(lái)自壓縮本身，而諸如抖動(dòng)、包丟失(packet loss)等網(wǎng)絡(luò)故障也會(huì)造成視頻質(zhì)量下降。該模型的好處顯而易見(jiàn)——能方便地整合進(jìn)內(nèi)容和傳輸鏈，甚至是嵌入在機(jī)頂盒內(nèi)，而不是僅適用于實(shí)驗(yàn)室研究。這樣一來(lái)，端對(duì)端的視頻質(zhì)量評(píng)估成為現(xiàn)實(shí)。

　　那么，MPQM與V-Factor具體有什么關(guān)聯(lián)呢？V-Factor是對(duì)MPQM模型的實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖4)。

將V-Factor技術(shù)嵌入機(jī)頂盒

　　即使在一年前，將此類網(wǎng)絡(luò)保障措施直接設(shè)計(jì)進(jìn)用戶的機(jī)頂盒中還無(wú)法成為一種選擇。但這種能力現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。例如，QoSmetrics近期宣布，其用于確保核心IPTV性能的V-Factor技術(shù)，現(xiàn)可直接嵌入用戶的機(jī)頂盒中，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的端對(duì)端IPTV性能保證。

　　正如前面所指出的，需為V-Factor背后的MPQM模型提供用戶家中的機(jī)頂盒容易收集的實(shí)時(shí)信息和參數(shù)，該模型才能工作。典型的參數(shù)包括音視頻緩沖器的大小。這些緩沖器的大小，將幫助MPQM模型計(jì)算機(jī)頂盒能夠處理信息流中視頻和音頻部分的多少抖動(dòng)。而告知該模型系統(tǒng)是否采用了諸如前向糾錯(cuò)(FEC)等包丟失掩飾技術(shù)，同樣非常重要。

　　然后，該模型需訪問(wèn)某些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)。

圖5：在機(jī)頂盒內(nèi)嵌入V-Factor代理器

　　這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與IP層、MPEG2TS層或RTP層(當(dāng)選用的是RTP協(xié)議時(shí))相關(guān)。從機(jī)頂盒內(nèi)收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有幾種不同方法。一種帶有直接API的V-Factor庫(kù)即將發(fā)布，可將其看作一個(gè)包裝程序(需將??坐落在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器與較高層間的直接傳送(pass through)模塊。

　　根據(jù)機(jī)頂盒的軟件架構(gòu)，可將電視的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)甚至是通過(guò)本地配置收集的數(shù)據(jù)提供給V-Factor庫(kù)。為了適應(yīng)大多數(shù)機(jī)頂盒供應(yīng)商的需要，V-Factor庫(kù)具有極大靈活性。實(shí)時(shí)收集的信息包括每一時(shí)間間隔(從10秒到1分鐘)內(nèi)的I、B和P幀的數(shù)量以及相同時(shí)間內(nèi)的Quantiser_Scale(量子化器度量)平均值。為測(cè)量某些丟失數(shù)據(jù)對(duì)視頻質(zhì)量的影響，就要為該模型提供真實(shí)的包丟失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；相關(guān)數(shù)據(jù)也可由API提供。

　　另外，可從檢測(cè)到的抖動(dòng)(IP抖動(dòng)或PCR整體抖動(dòng))，使用Markov模型直接評(píng)估包丟失。代碼大小與使用的各版API有很大關(guān)系，也與操作系統(tǒng)環(huán)境有關(guān)。在類似Linux這樣的環(huán)境中，包括全部選項(xiàng)及根據(jù)統(tǒng)計(jì)連接起來(lái)的庫(kù)在內(nèi)的代碼大小在2MB以內(nèi)。通過(guò)采用一個(gè)動(dòng)態(tài)連接的共享庫(kù)，可輕易地將代碼大小縮小6倍。

　　當(dāng)需將V-factor整合進(jìn)IPTV路由器或一臺(tái)支持IPTV的DSLAM時(shí)，還提供有一個(gè)通用庫(kù)。該庫(kù)為多個(gè)電視頻道實(shí)時(shí)提供全被動(dòng)(full passive)視頻監(jiān)控能力。

　　服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控不僅是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)持續(xù)發(fā)展——包括營(yíng)業(yè)收入、客戶挽留和增長(zhǎng)保證，也具有重要意義。成功的服務(wù)提供商都認(rèn)識(shí)到，積極主動(dòng)的監(jiān)控必須在整個(gè)服務(wù)期間周而復(fù)始地進(jìn)行，要從其決定評(píng)估網(wǎng)絡(luò)能力、啟動(dòng)新的IPTV服務(wù)那一刻起，貫穿部署、試運(yùn)行、運(yùn)行，直至向用戶提供服務(wù)等級(jí)協(xié)議(SLA)這一整套環(huán)節(jié)。

　　要持續(xù)提高評(píng)估精度，就得采用深入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)的工具，而非簡(jiǎn)單告知服務(wù)是否正在進(jìn)行。合適的工具需具有窮追不舍的能力，以將故障精確定位至具體設(shè)備或應(yīng)用(無(wú)論其身處網(wǎng)絡(luò)核心或家中)，還要具有完全評(píng)估包丟失、抖動(dòng)、延時(shí)及其它指標(biāo)的能力，這些指標(biāo)對(duì)通過(guò)IP傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量有顯著影響。針對(duì)IPTV這樣一個(gè)正在茁壯成長(zhǎng)的市場(chǎng)，在用戶機(jī)頂盒中安插一個(gè)“代理器(agent)”，將是確保真實(shí)的端對(duì)端高質(zhì)量IPTV性能的一種意義深遠(yuǎn)的方法。