高性能宽带信息网技术的研究探讨

中心议题：
    *  介绍音视频性能测试
    *  测试方法研究
    *  图像质量系数的测试
    *  自动测试系统的应用

引言

近年来，开发新一代高速信息网络得到了世界各国的普遍重视，各国都提出了相应的高速网络研究计划，如美国自然科学基金会设立了“下一代Internet研究计划：NGI”,建立了高速网络试验床vBNS(Very High Speed Backbone Network Service),进行高速计算机网络及其应用的研究。其他国家也纷纷提出并进行了类似的计划。
　　
我国十五规划提出的以高性能宽带信息示范网3TNet的创建为手段，重点攻克T比特级智能光网络、T比特级WDM光网络、T比特级路由器等系统设备的关键技术目标也正是要跟上高性能网络的研究，2005年使我国在高性能宽带信息网技术研究、设备开发及业务应用等方面跻身于世界先进行列。
　　
3TNet作为高性能宽带网网络平台和支撑环境，可以提供充分的信息资源共享和服务共享，利用宽带的优势，在音视频方面提供优质的服务，因此除了带宽增加带来上网速度大大提高、实现高速的常规网络信息服务，如Web浏览、文件下载、E?mail等服务外，还可提供丰富的增值业务内容。包括：视频流传输及网络电视功能、VOD点播服务、远程教育、网络游戏、视频会议、利用智能网关系统技术构建智能家庭网络等服务。为保证3TNet高性能宽带网网络平台和支撑环境各项业务的顺利开展，使终端用户能享受到音视频方面的优质服务及其他方面丰富的增值业务。因此，研究宽带多媒体网关(BMG : Broadband Multimedia Gateway)或视频终端的测试手段和测量方法，搭建相应的测试平台，制定测试规范和测试标准就显得尤为重要了。只有制定出科学、合理、切实可行的规范和标准，才能为宽带多媒体智能网关的产品设计、生产定型、检验提供依据。为高性能宽带信息示范网3TNet和宽带多媒体智能网关或视频终端的可持续发展奠定坚实的基础。
　　
1测试方法研究
　　
由于宽带多媒体智能网关主要作为家庭的联网中心和媒体中心，因此测试内容的研究主要包括以下两个方面：网络性能测试、音视频性能测试。本文重点介绍音视频性能测试。
　　
《宽带多媒体网关测试规范》主要引用了GB 3174?1995《PAL?D制式电视广播技术规范》;GB/T 18472《数字编码彩色电视系统用测试信号(neq ITU?R BT.801?1)》;《DVD视盘机行业自律通0用规范》中国电子音响工业协会(2000?07?01发布)等国家标准或行业规范作为音视频性能测试的测试依据。
　　
宽带多媒体网关的视频性能测试将分成标准清晰度视频和高清晰度视频两部分进行。这两部分的测试项目分别从不同的方面反映标清和高清码流经过宽带多媒体网关解码后的音视频性能，标清测试项目主要包括：亮度非线性失真、微分增益、微分相位、视频输出电平、亮度通道带宽、亮度信噪比、亮色增益差、亮色时延差、色度信噪比等。
　　
图1标清视频性能测试框图
　　
宽带多媒体网关和视频终端作为家用消费类电子产品，与DVD视盘机、数字电视接收机的视频通道有很多相似之处，对DVD视盘机和机顶盒的视频测量无外乎也用这些测试项目进行考核。上面提到的标清视频测试项目与观看的图像质量是息息相关的。通过对这些项目的测试，不但考查到亮度通道的特性，还考查了色度通道的特性，同时对亮度和色度之间相互干扰进行了考核。
　　
亮度信噪比是在亮度信号的平坦部分输出电平对有效噪声电平之比。该项目直接反映图像信号的优劣程度，视频信号由于传输及处理电路的影响，使得噪声信号叠加在有用信号之上，图像质量变差，画质降低。亮度信噪比越高，信号中的噪声越小，图像越透亮。亮度通道带宽是亮度信号的幅度与视频频率的函数关系，该项目表示信号所携带的有效信息量，随着带宽的衰减图像所能承载信息的能力减弱，图像的高频部分受到影响，显示图像细节的能力变差。因此带宽越宽，图像质量越好。所以对亮度通道的信噪比和通道带宽是两个比较重要的考核项目。亮度非线性失真是反映重现不同灰度的能力，如果视频通道亮度非线性失真较大，那么图像的层次感就会很差，也就是说该白的不白，该黑的不黑。
　
微分增益、微分相位、亮色时延差和亮色增益差都是考核亮度通道和色度通道的相互干扰的测试项目。当亮度电平发生变化的时候，叠加在亮度信号上的色度电平或相位也会不同程度的发生变化，体现在图像中就是彩色图像的色调和色饱和度，如果亮度电平对色度电平或相位影响过大，会使画面产生一定程度的失真。
 

　　
高清晰度视频通道部分的测试，选取典型测试项目来考核终端，包括视频幅度、亮度通道带宽、亮度信噪比、亮度非线性、通道间的时延、同步特性六个项目。由于系统互联的需要，规范的接口是至关重要的，为了更好地与下级设备配接，首先考虑到，接口的信号输出要符合标准规范，视频幅度和同步特性两个项目考核输出信号的规范性，测试输出信号的幅度、同步结构是否合乎标准。模拟PAL制彩电受限于信号带宽，视频带宽在6M带宽内要传送1路亮度和两路色差信号，虽然利用人眼的特性，压缩了信息利于传输，但有限的带宽也只能携带标准清晰度的信息。带宽考核信号所携带信息的能力，带宽越宽所能携带的信息量就越大，表现图像细节的能力就越高。针对高清部分的测试更是如此，选取亮度通道带宽考核输出信号的能力。亮度非线性失真和亮度信噪比是考核信号图像质量的。宽带多媒体网关或视频终端输出信号的噪声影响图像的效果。非线性失真表征其亮度的线性程度。通道间的延时考核Y、PB、PR各端口之间的同步关系。
　　
图2高清 Y、PB、PR端口输出特性测试框图
　　
1.2.2音频输出特性测试
　　
音频输出特性的测试主要包括7个比较典型的测试项目：音频输出电平、失真加噪声、信噪比、幅频响应、串音、电平差、相位差。它们的测试结果能比较全面地反映出宽带多媒体网关和视频终端的音频输出性能。
　　
图3音频输出特性测试框图
　　
1.3图像质量系数的测试
　　
图像质量系数表明被测设备在标准测试状态下的图像质量比，能够比较客观地通过测得的数据评价视频质量的好坏。
　　
由于宽带多媒体网关所采用的压缩视频系统是一个非线性的系统，影响该系统视频质量的因素有很多，例如：输入视频的质量，输入视频的特性，使用的编码参数，解码器的特性等。对此我们通过客观测量的方法来对该系统的视频质量进行评价。

客观法主要是应用图像质量分析仪来对整个系统进行测试，它主要反映了解码以及系统视频处理过程对图像质量所产生的影响，并可以直接进行一些参数的测量并给出图像质量的等级值。
　　
图4图像质量系数测试框图
　　
宽带多媒体网关的图像质量系数(PQR：Picture Quality Radio)测试是一种客观测试方法，是将各种测试序列送入被测设备，从复合视频通道和S端子通道进行捕捉，然后与存放在PQA(Picture Quality Analyzer图像质量分析仪)中的相同序列做比较，通过分析计算得到PQR值。其PQR值越小，表示经宽带多媒体网关和视频终端解码输出的图像和原始图像越接近，失真也就越小，图像质量也就越高。当PQR值为0时，表示和原始图像完全相同。
　　
测试序列包含一个相对静止图像和4个含较快运动物体的图像序列，每个序列持续大约5秒钟。测试素材包含对各种评价因素，如图像空间分辨率、亮度、彩色和运动再现等具有比较敏感特点，并能代表电视节目的典型内容。
　　
1.4自动测试系统的应用
　　
对于宽带多媒体网关BMG测试来说，传统的方法是对测试仪器进行手动切换和调节旋钮达到测试的目的。这种方法比较繁琐、效率不高而且测试结果不稳定。如果测试过程、测试结果的分析和处理均由软件来执行，减少人为的干预，无疑会使测试结果更准确，测试过程也变得更加自动化和简便[2]。图5所示为音视频自动测试系统框图。
　　
图5音视频自动测试系统框图
　

　
系统运行原理：在计算机运行相应的软件将MPEG?2测试码流通过网络端口传送给宽带多媒体网关BMG，宽带多媒体网关BMG经过解码产生音频和视频信号送给监视器和音视频分析仪进行相关项目的测试。
　　
在测试之前，音视频分析仪VM700T必须进行初始化。仪器初始化和测试工作均由PC机完成。下面给出一个测试项目K系数的前面板图(图6)和程序框图(图7)。(K系数Kb和Kpb：人的视觉对不同波形的失真有不同的敏感度，这两个K系数能把波形失真和观众对图像损伤的反映联系起来，K系数评价法就是在各种波形失真按人眼视觉特性给出不同评价的基础上，度量图像损伤的一套系统方法。

图6测量项目 K系数的前面板图
　　
图7测量项目 K系数的程序框图
　　
从图7中可以看到有一个名为GET DATA 12345的子VI，它的程序框图如图8所示，是PC机与仪器进行GPIB通信的子VI。
　　
图8子VIGETDATA 12345
　　
将各个测试项目分别存为相应的子程序即子VI后，根据整个测试流程的需要，经过一定的时延，把这些子VI串起来(即按时间顺序分别调用这些子程序)，即可搭起整个自动测试系统。
　　
将最终测试结果存放在一个数组里，使用LabVIEW Generation ToolKit软件，即可生成规范的Word或Excel测试报告。
　　
整个设计、调试工作完成后，就可以运行自动测试软件测量宽带多媒体网关BMG的音视频性能。
　　
如果用常规方法，测试人员测量完一台宽带多媒体网关BMG的标清音视频项目需要一至两个小时，现在用自动测试软件测试一台同样的BMG只需要5分钟，当遇到大批量的测试任务时，无疑能大大缩短测试时间，提高工作效率。这无疑为今后宽带多媒体网关BMG的高效率大批量测试提供了有力的保证。
　　
自动测试软件的测试精确度与音视频分析仪器VM700T的精确度相同。
　　
2结束语
　　
宽带多媒体网关BMG测试方法研究是在国家863课题“宽带信息网运营支撑环境及接入系统的研制之智能网关及终端设备测试规范及测试标准研究”的支持下开展起来的，并且在研究工作的基础上制定了《宽带多媒体网关测试方法》和《宽带多媒体网关通用规范》等测试规范。
　　
有市场调研公司报告显示，2004年全球IPTV用户只有200万个，到2008年，这个数字将达到2600万。报告得出结论2005年将是IPTV和交互式网络电视年。因此，宽带多媒体网关和视频终端在今后几年在我国也会有比较大的跨越式发展。《宽带多媒体网关和视频终端测试方法》和《宽带多媒体网关和视频终端通用规范》等标准的制定，对我国IPTV市场和交互式网络机顶盒市场的健康发展具有积极的规范和指导意义。