手机视频质量监测技术研究

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摘 要：手机视频业务与现有的互联网数据业务和语音业务相比，提出了对无线网络更高的要求。由于无线网络环境的复杂性，客观上很难长时间维持足够稳定的网络带宽，手机视频用户的视频实时播放质量会受到影响。因此实时监测到手机视频在各个环节的视频质量对于预警及用户投诉处理有相当重要的作用。本文根据手机视频业务的特点并深入分析手机视频流的特征，提出了手机视频质量监测技术和实现方法。设计视频质量监测分析系统可以实时分析手机视频业务的服务质量指标，同时根据网络的性能来判断业务质量受影响的程度，做到在用户的业务体验变差前及时发现问题，及时规避业务平台的可能出现瓶颈的问题，从运行维护和网络规划的角度确保手机视频业务的顺利发展和普及。

关键词：质量监测；手机视频；媒体传输质量指标；清晰度；平滑度

中图分类号：TN 919.81 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.017

Research on Quality Monitoring Technology of Mobile Video

XU Li-zai

(Video Operations Center, China Mobile Group Shanghai Co.,Ltd., Shanghai 200135, China)

【Abstract】Compared with the existing internet data and voice business, mobile video poses higher command for wireless network. Because of the complexity of wireless network environment, it is difficult to maintain sufficiently stable network bandwidth for a long time, thus adversely affecting the real-time broadcasting quality of mobile video users. Therefore, real-time surveillance of video quality in every link plays a key role in early warning and consumer complaint processing. This article analyzes characteristics of mobile video streams, and proposes technologies and realization methods of mobile video quality surveillance. The video quality surveillance analysis system analyses real-time QoS index of mobile video, and is able to detect problems before user experience worsens and avoid possible bottleneck problems in the business platform. This technology guarantees the smooth development and popularization of mobile video business from the perspective of operation and network planning.

【Key words】quality monitoring; mobile video; Media Delivery Index; definition; smoothness

0 引 言

手机视频业务要求网络具有更大带宽、更强的实时性。过去IP网络在承载互联网数据业务时被认为可以容忍的一些缺陷, 辟如数据包传输中5ms的抖动或0.1%的丢失率， 在手机视频业务的承载传输中都是不容许的。这些缺陷可能引起在手机终端上出现视频图像的马赛克、黑屏等现象，降低用户的满意度[1]。3G网络相比2G网络具有更高带宽，更能满足人们对手机视频的需求，提高用户满意度。随着3G网络建设规模不断完善，手机视频业务在全球迅速发展，用户数量不断增加。由于手机视频的数据流量和在线用户的数量之间是非线性的增长关系，因此无法依据在线用户数的增长变化来预先判断或规划已建设好的业务平台是否能动态地满足用户对视频服务质量的要求。

随着用户对于手机视频业务质量要求的不断提高，用户关于视频播放质量的投诉也日益增多。由于手机视频播放业务使用过程是一个复杂的端到端过程，因此很难界定手机视频的质量问题是业务平台的原因还是IP承载网的原因。为了能够在线监测及评估视频业务平台提供的所有音视频数据包的服务质量，需要研究手机视频质量监测技术和实现方法，同时手机视频业务平台需要研究一套视频服务质量在线分析评估和实时告警的系统[2]。本文提到的视频质量监测分析系统可以实时分析手机视频业务的服务质量（QoS）指标，同时根据网络的性能来判断业务质量受影响的程度，做到在用户的业务体验变差前及时发现问题，解决问题（例如对视频业务平台及时提出需要进行扩容的需求依据），从而为用户提供高品质的手机视频业务；及时规避业务平台的可能出现瓶颈的问题，从运行维护和网络规划的角度确保手机视频业务的顺利发展和普及[3]。

1 技术指标及监测原理

视频质量监测针对每一路视频流数据包进行深层分析，实时计算出各种指标从多个层面反映视频流质量，其中最主要的指标为媒体传输质量指标（MDI：Media Delivery Index）、连续计数错误（Continuity Counter Error）、清晰度、平滑度[4-5]。

MDI为媒体流丢失率和延迟的组合评价指标，对视频流在网络传输质量进行评估的测量指标。MDI包括了两个参数延迟因素(DF: Delay Factor)和媒体丢包率(MLR: Media Loss Rate)。

DF参数表示视频流的延迟和抖动状况，即缓冲器需包含多少毫秒的数据才能消除抖动，可反映视频是否会出现图像失真，从而获得用户体验质量。另外DF参数还可确定每个网元在视频流传输路径中的影响，通过比较流入设备的DF参数与流出设备的DF参数，可确定该设备是否注入过多的抖动以至于影响视频传输。

清晰度指标能够真实反映块效应产生的感受偏离。

平滑度指标可以真实评价运动信息对视觉感知的偏差。

对于移动流媒体业务服务质量监测在RTSP层面的分析指标主要包括服务器RTSP请求响应时延分析、服务器媒体播放时延分析、QoE头字段分析和SDP分析[2]。

RTSP在体系结构上位于RTP，RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。在使用RTSP时，客户机和视频服务器均可发出请求。通过视频服务器从收到RTSP请求到发出视频流的响应时延分析，可以反映出移动流媒体业务的业务请求的响应速度。

服务器视频播放时延用于描述当客户机与RTSP完成播放（PLAY）的命令交互，到发出第一个包含有效媒体信息数据包之间的时间间隔。

QoE头字段包括用于移动流媒体客户端和服务器协商移动流媒体客户端应发送哪些QoS Metrics，以什么样的频率发送等信息。

SDP分析包括的指标为：会话名、会话时间、会话使用带宽、用户信息、媒体类型（例如视频或音频）、传输协议、媒体格式、会话地址、媒体传输端口。

视频质量监测基本原理如下：数据采集点负责对视频流所

MLR参数即单位时间内丢失（或非正常）的媒体数据包的数量。MLR参数对异常数据包的检测非常重要，由于视频信息的数据包丢失将直接影响视频播放质量，理想的视频流传输要求MLR数值为零。实践中，由于具体的视频播放设备对丢包可以通过视频解码中进行补偿或者丢包重传，在实际应用中MLR的阈值可以相应调整。

连续计数错误通常是用来判断TS包连续计数字段是否连续。正常情况下计数连续，即CC_ERROR=0；若出现连续丢包，比如4号和5号包丢失，此时只有一处计数不连续，即CC_ ERROR=1；若出现间隔丢包，比如3号和6号包丢失，此时计数两处不连续，即CC_ERROR=2；若出现延迟，比如3号包延迟，此时计数三处不连续，CC_ERROR=3。因此包延迟对于连续计数错误的影响最大，间隔丢包次之，连续丢包影响最小。经过的网元进行数据采集，同时将采集的数据送到数据处理单元。数据处理单元根据原始采集数据计算出各种指标值，并将指标值送到分析评估中心。分析评估中心进行相关视频数据的全面分析，对视频质量的关键指标进行统计分析和存储，在出现指标值超出告警阈值时将告警信息发给报警处理单元。告警处理单元可以按照设定方式将信息发给监控人员。若视频质量问题是发生在监测分析点所覆盖的网络内，则可以重现发生问题时视频流质量情况；并且能实时监控分析点所覆盖的网络中几十万或上百万视频流的质量变化趋势情况，包括视频的各项指标和视频的回放。

2 系统架构及实现

视频质量监测分析系统分为数据采集层、数据管理层、分析应用评估层和用户接口层。系统软件结构示意图如下：数据采集层包括视频流采集、信令采集以及其他系统的基础数据采集；数据管理层包括视频流数据管理、告警数据管理、用户数据管理(手机号码)、指标数据管理以及其他数据管理；分析评估层包括视频指标分析、用户行为分析、异常分析、网络质量分析以及视频质量综合评估；用户接口层包括实时质量展示、告警提醒、用户情景再现(异常用户为主)以及其他自定义用户界面。

视频质量监测分析系统是一个分布式网络系统，总体上可以分为五部分硬件平台组成：前端数据采集点(网络线路数据分流器)，前端数据采集设备(带有1000 Mbps/10,000 Mbps的数据采集接口)，前端视频监测数据处理服务器，视频服务质量综合分析服务器及告警系统，监控终端等硬件平台。

视频质量监测分析系统在软件和硬件上都采用分布式架构。每个数据处理单元采用负荷均担的方式，使得资源得到合理分配和充分利用，整个系统始终处于稳定的最佳状态运行。后期随着用户数的增加，被监测分析的网络流量可能超出初期设计的系统容量极限，只要添加硬件处理单元即可，保证了系统升级的平滑过渡。

视频质量监测分析系统可向用户呈现所监测的所有视频流，以及相关的视频服务质量指标。具体功能包括：

视频流监控及同步播放功能，可实时追踪一个用户的视频流，和用户同步观看节目，检查与原始视频流效果是否一致。

故障视频流查询及回看功能，可查询选择故障视频进行回看、指标查询，回看的效果与故障发生时的效果能够达到完全一致。

直播业务质量分析，功能包括直播成功率和响应时延分析，直播失败原因分析，直播业务时长分析，直播业务访问排行统计。

点播业务质量分析，功能包括点播成功率和响应时延分析，点播失败原因分析，点播业务时长分析，点播业务访问排行统计。

用户投诉处理分析，提供用户业务记录和业务信令流程图，保存用户原始数据，精确分析每个用户的业务失败原因。

业务质量和失败原因分析，按照多种维度对全网的视频业务进行统计分析，实时监测业务平台的质量变化，具有实时预警告警功能。

3 结束语

技术分析以及演示环境模拟表明，本文提到的视频质量监测分析系统可以在高视频并发量的情况下做到实时分析手机视频业务包括媒体传输质量指标、连续计数错误、清晰度、平滑度等服务质量指标。同时可以根据网络的性能判断出业务质量受影响的程度，结合业务质量要求设置服务质量相关指标参数的报警阈值，能够做到在用户的业务体验变差前及时发现问题。视频质量监测分析系统可以为手机视频用户提供更好的视频服务质量，处理用户投诉等奠定技术基础，大大简化手机视频运营维护成本，提高运营维护效率。

参考文献

[1] 张弘. 数字图像处理与分析[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[2] 康晓东, 杨海英. 无线音视频处理、传输及其标准[M]. 北京:北京工业大学出版社, 2005.

[3] 刘峰. 视频图像编码技术及国际标准[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2005.

[4] Stefan Winkler, Praveen Mohandas. The Evolution of Video Quality Measurement: From PSNR to Hybrid Metrics[J]. IEEE Trans on Broadcasting, 2008, 54(3): 660-668.

[5] Margaret H. Pinson, Stephen Wolf. A New Standardized Method for Objectively Measuring Video Quality [J]. IEEE Trans on Broadcasting, 2004, 50(3): 312-322.