使用IxLoad进行高清视频质量测试

介绍了IXIA IxLoad进行高清视频质量测试的原理、影响视频质量的各种因素、有感知的视频质量评价指标，对无参考型有感知的评价算法VQmon/HD得到的MOS指标，总结了IxLoad所支持的特性。

1 引言

视频传送与承载网络最关心的问题就是得到有效的视频质量评价指标并通过这些指标直观地反应出网络或者设备的视频传送承载能力。当前最为普遍的方法是采用MOS_V对总的图像质量进行评价。但是，具体每项评价指标由于被测试的网络或者设备类型的不同又存在一定的差别。视频源的质量和类型、编码方式甚至视频质量评价方法的不同都会对视频MOS值存在影响。本文主要介绍IxLoad最新采用的VQmon/HD视频质量测试技术以及评价方法。

2 高清视频质量评定算法VQmon/HD介绍

IXIA推荐采用无参考型感知的（No-Reference Perceptual）视频质量评价办法评估视频的QoE指标。这种方法不但评价视频质量非常准确，能够保证性能，而且还可以进行真实网络的视频质量压力测试并可以实时查看运行状态。有感知的视频分析是指接收侧在多层面上分析媒体流，通过评价算法，提供媒体流的主观质量分析。

2.1 VQmon/HD视频质量组成

IxLoad采用VQmon/HD视频质量评定算法进行视频流实时测试，支持的视频编码算法包括移动图像，MPEG-1，MPEG-2，H.261，H.263/263+，H.264，MPEG-4和VC-1。高保真语音编码方式包括MPEG-1 Layer 1，2和3，MPEG-2高级语音编码（Advanced Audio Coding，AAC)），AC-3，MPEG-4 AAC，低时延AAC和高效AAC等。这些视频流可以是VOD应用或者基于组播的IPTV应用，IxLoad可以仿真真实的STB缓存空间以准确模拟各种环境，同时对所有用户的视频流进行视频质量评定。图1是VQmon/HD视频质量分析算法的组成部分以及相应功能的描述解释。

在图1中，播放缓存仿真部分主要用于检测丢包、重复和错序报文并计算抖动指标得到PPDV(RFC3550)和MAPDV(ITU-T G.1020)值，评估前向错误纠正（Forward Error Correction，FEC）的效率。如果采用R-UDP协议，还可以得到重传数据包的比例以及对带宽的影响。内容分析部分可以检测视频的场景变化，能够识别内容的异常情况，包括无内容、噪音、图像停滞并产生告警信息。

IxLoad可以识别GoP结构中的I，B，P帧并测量丢包率和每种帧的丢失分布情况。对于非加密的视频流，可以对图像头信息进行解码得到每个帧信息、GoP大小和帧速率等信息；对于加密数据流，采用启发式的算法检测帧边界以确定帧的长度信息。

2.2 影响视频质量的因素

IP网络中影响视频质量的因素主要包括3部分，即IP网络损伤、编码与解码所造成的视频质量下降以及有感知的质量评定过程中的主观因素。

视频对网络损伤特别敏感，网络损伤主要包括丢包，网络延时和抖动等。丢包对视频的质量影响最大，丢包会引起一段或者全部视频帧被破坏或者丢失，比如MPEG压缩算法采用基于块（Block）的运动补偿减少即时冗余，而基于离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）的压缩算法减少空间冗余。MPEG编码会产生3种类型的帧：I（Intra-coded）帧，P（Predictive）帧和B（Bi-directional）帧，这些帧通常会跨越在多个IP包里，典型的丢包率会带来6倍甚至更高的媒体帧丢失率。图2是通过试验得到的MPEG丢包率和媒体帧丢失率的对比关系。

对于I，B，P帧，视频流的运动向量由每个Block和编码决定，I帧的错误可以导致整个视频片断或者一段视频帧不可用。一个I帧或者P帧的丢失可以导致后续所有帧都不可用，直到收到下一个I帧。这就导致了该时间段内视频质量的下降、图像停滞或者黑屏等。图3是I，B，P帧编码错误对后续帧的影响情况示意。在H.264编码标准中，引入了两种新的帧类型：交换I帧（Switching I）和交换P帧（Switching P），可以使解码器更容易对不同速率的视频流进行切换，使用H.264编码时，IxLoad可以得到交换I帧和交换P帧的统计信息。

需要明确的是，丢包对不同编码类型的影响也是不同的，图4是几种常见编码类型的PSNR和丢包率之间的关系示意。PSNR是客观的视频质量评定参数，通过最大视频信号的功率和影响视频信号的破坏噪音之间的比率所得。一般认为PSNR低于20dB被认为视频不可观看，此时MPEG视频的丢包率低于1%。

码流速率的不同也会造成视频质量的差异，典型的MPEG-2视频流，标准分辨率为720×486，GoP顺序为I-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B-P-B-B，根据相应的计算公式，可以得到PSNR和码流速率之间的关系，图5示出了MPEG-2在30fbps速率下与PSNR的对应关系。

不同类型的编码类型有压缩效率，从经验上来看，ITU-T H.263比H.261有