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“AVS+和DRA”音视频标准数字电视地面广播系统设计暨试验方案研究

时间:2019-09-02 16:09

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“AVS+和DRA”音视频标准数字电视地面广播系统设计暨试验方案研究

张国庭  白 鹤  杨 威

(国家新闻出版广电总局广播科学研究院)

 

摘 要:在我国自主知识产权的视音频编码技术相继颁布标准之后,为推动其产业化进程,笔者团队采用“AVS+和DRA”技术,设计并搭建了DTMB地面数字电视广播的网络系统平台,研究了在现网中综合采用多空间多层次的测量技术开展视音频试验的方案,通过覆盖效果评测、码率配置评估及可行性试验等步骤对“AVS+和DRA”在DTMB系统中应用可行性、技术先进性以及产业成熟度等方面进行了验证。

关键词:AVS+ DRA DTMB 试验 可行性验证

 

1.研究背景

视音频编码是媒体行业与信息产业的核心支撑技术,我国自主研发的多声道音频编码技术DRA【1】(简称DRA)与广播电视先进视频编解码【2】(简称AVS+)相继颁布了国家标准GB/T22726-2008及广电行业标准GY/T257.1-2012。在标准颁布之后,能够顺利推动产业化进程对于自主创新的战略性新兴产业发展显得至关重要。

为了推进“AVS+ 和DRA”技术的集成兼容研究及行业应用验证,国家新闻出版广电总局下发了《广电总局关于同意在广东珠三角开展“AVS+和DRA”音视频标准数字电视地面广播试验的批复》文件(广局[2012]382号),要求以AVS+和DRA为核心技术,以我国自主研发的地面数字电视传输标准GB 20600-2006 《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》【3】(简称DTMB)覆盖网络为载体,搭建国内首个基于“AVS+”、“DRA”、“DTMB”三个自主创新标准的试验平台,开展三项技术的集成试验和应用示范。笔者团队在研究AVS+、DRA和DTMB三项技术标准的基础上,按照总局批复要求,设计并搭建了基于“AVS+和DRA”音视频标准的数字电视地面广播试验系统,研究并提出了综合多种测试技术多空间多层次的试验方案,力求验证自主创新的视音频技术先进性、设备稳定性与技术体系的可行性。

 

2.试验思路

围绕试验任务,笔者团队确立如下试验原则:

?开放:项目组从拉动产业发展与保证试验结果公平、公正、客观等角度,与产业链相关主流企业进行了充分调研与沟通,邀请众多企业的编解码产品参加试验项目,力求囊括产业链主流编解码设备与芯片解决方案;

?科学:按照科学规划与系统实施方法进行了试验方案的设计与实施;

?严谨:基于闭路与开路环境的试验平台,从测试信源序列、测量仪器与测量手段多角度综合采用多种先进的视频/音频、客观/主观评估手段进行多方面多层次的试验方案设计;

?多维:针对采集的试验数据进行多层次多角度、多维度分析,保证试验结论的科学性和合理性

基于以上原则,项目组在闭路与开路环境下,采用主观评估和客观测量相结合的试验方法,对两款AVS+和DRA标/高清编码器、八项配置码率、四种解调+解码芯片解决方案、八个品牌九款终端产品搭建了试验平台,进行了覆盖效果评估、码率配置与集成兼容可行性试验三大试验内容(图1)。

 试验内容图 1试验内容

各项试验内容就不同方向开展测量验证,同时,各项试验内容之间存在着内在的关联关系,按照如下的逻辑关联进行各项试验内容的方案设计。

?覆盖评估测量将测量地面数字电视单频网试验床的覆盖效果,验证试验床的承载能力,为信道解调与信源解码之间相关研究提供试验区域选择依据;

?码率配置试验采用闭路环境下视频客观评估与视音频主观评估的试验方法,排除孤立误差,为不同特征的视频序列提出码率选择参考,为开路可行性试验提出码率配置建议;

?可行性试验基于覆盖效果评估与码率配置试验的输出结果,对DTMB、AVS+、DRA的技术可行性、设备稳定性等方面进行试验验证。

 

3.系统设计

3.1 闭路试验系统

闭路试验系统平台架构如下图2所示:

闭路试验系统平台架构

图 2 闭路试验系统平台架构

闭路试验系统主要搭建了视频客观评估的环回对比测量体系、音频解嵌客观评估体系与地面数字电视端到端闭路系统。其中,DTMB闭路系统使用信号衰减设备模拟了信道实际传输的衰耗,以在室内系统环境中采用多种码率、多种信源信号验证编解码技术集成应用的可行性以及为不同特征序列码率配置提供试验数据样本。

3.2 开路试验系统

开路试验以DTMB单频网为基础平台,该试验网包括信源前端、信号传输分配、单频网发射系统等子系统,共同完成对目标覆盖区域的理想覆盖,作为试验床支撑码率配置、单频网覆盖效果评估、视音频集成应用可行性等相关试验(如下图3所示)。

 开路试验系统图 3 开路试验系统

信源前端系统负责对节目源信号进行编码、复用、同步适配等,向单频网发射系统输出同步的适配码流。试播节目中央电视台综合频道(CCTV-1)和军事农业频道(CCTV-7)信源编码使用MPEG-2,中央电视台综合频道高清节目(CCTV-1高清)和新闻频道(CCTV-新闻)信源编码使用AVS+和DRA。

天馈及发射系统负责将前端经传输分配网络送来的TS流通过激励器和发射机完成同步调制、上变频、功放,送至天馈系统进行电磁波发射。系统设计中,重点就发射台站位置、天线场型、方向、发射功率等关键参数开展优化工作以契合单频网精准覆盖的原则。

本试验网的台址规划如下图4所示:

台址规划

图 4 台址规划

项目组根据批复频率、发射台站基本技术参数、工作模式等,结合相关配套标准文件和广州市高精度的地形地貌地图数据,借助专业的仿真规划分析软件,对室外固定接收下单频网的覆盖效果、同频干扰进行了仿真分析,为后续的开路试验路测的范围、路线以及二期的网络优化调整提供理论依据。

仿真分析结果仿真分析结果1

图 5 仿真分析结果

如上图5所示,为试验网的单频网覆盖效果仿真分析图,图中不同的颜色表示不同的接收场强,颜色设置如图中最下面一行所示,单位为dB?V/m以及相对应的dBm值。 仿真分析结果3区域表示可接收临界区域,相对应的场强值为52~55dB?V/m(23~26dB?V)。

 

4.方案研究

4.1 覆盖效果评估

本项试验内容对花果山、花都、增城三个发射台站构成的“AVS++DRA”音视频数字电视地面广播试验环境单频网覆盖效果进行评估,对试验床覆盖效果进行验证试验;为后续“AVS++DRA”试验选取抽样区域提供借鉴以及为之后珠江三角洲单频网的优化提供参考。

根据覆盖仿真效果示意,进行移动测试路线规划,搭建覆盖评估测量环境(如下图),通过以上测量系统,按照计划路线行车,记录各点场强、MER、载噪比、误码率等指标数据,将实际测试数据与仿真结果对比,优化仿真情况并评估覆盖效果。

 覆盖评估测量系统

图 6 覆盖评估测量系统

4.2 码率配置试验

码率配置试验综合采用主客观评估方式,在保障高/标清视频编码质量的情况下,为采用AVS++DRA提出适用码率的初步参考建议;为完善AVS++DRA相关配套技术标准体系的建立提供试验数据。

4.2.1 视频客观动态评估试验

视频客观动态评估试验方案主要在闭路环境下,测量AVS++DRA集成数字编解码系统针对不同特征的视频序列在不同码率下,达到一定编码质量时的客观指标数据,以分析并提出码率配置建议。

视频评估试验,试验序列特征覆盖的全面性将直接影响测评结果的公正性和代表性。参照ITU-R BT.500【4】的规定,本次试验选取了10个标清、6个高清的经典参考序列作为试验序列:

表 1 标清序列描述

名称 视频特征
BBC 转盘作水平旋转的图像序列,上贴有各种类型的静止画,图像细节丰富、色彩鲜艳并含有文字的非平移的运动,主要评价编码系统对旋转运动矢量的处理能力、清晰度损失、高饱和色彩的重现能力
Diva 摄像机固定镜头拍摄的歌剧演员表演场景序列,色彩鲜艳、细节丰富。主要评价编码系统的清晰度损失和高饱和色彩重现能力
Flower 摄像机慢速变焦与横向移动拍摄的歌剧郊野的场景序列,前景是花坛慢慢进入镜头的数目,后景有蓝天与转动的风车。层次丰富,运动矢量包含横移与旋转运动。主要评价编码系统的运动矢量的处理和动态亮度与色度细节的损伤
Mobile 前景为摄像机跟踪拍摄玩具火车水平方向慢速行进,背景是色彩鲜艳的动画图案和上下移动的挂历。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力以及系统运动估值、补偿能力。
Sailboat 摄像机固定镜头拍摄港湾中静止停泊的一艘木制帆船,水波纹与船帆会出现小范围波动,图像上侧会出现变化的编码横纹。主要评价色彩与细节的重现能力。
Ski 滑雪场景快速切换的图像序列,运动员由近及远快速滑行,尾翼后飞起细节丰富的雪沫,远景为白茫茫的雪场。主要评价系统清晰度损失以及系统运动估值、补偿能力。
Soccer 足球场景快速切换的图像序列,金黄色球衣、青绿草皮,远景为众多观众看台的高细节背景。主要评价系统运动估值、补偿能力及块效应损伤。
Susie 摄像机固定镜头拍摄的人脸部的场景序列,色彩鲜艳、细节丰富。主要评价编码系统的清晰度损失和高饱和色彩重现能力(皮肤色彩)
Tennis 两个乒乓球运动场景快速切换的图像序列,其中含摄像机变焦拍摄和水平摇镜头拍摄的场景,以及含多重快速运动和色彩鲜艳的景物。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力。
Wool 摄像机固定镜头拍摄装满不同颜色、丰富色度与亮度分量的毛线球的篮子在水平方向旋转。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力以及对于旋转系统运动估值、补偿能力。
分辨率为720*576,25帧每秒

表 2 高清序列描述

名称 视频特征
Crowdrun 摄像机俯拍大规模人群跑步的图像序列,远景有大树和旗杆,图像细节丰富、色彩鲜艳,主要评价编码系统对运动矢量的处理能力、清晰度损失、高饱和色彩的重现能力
Duckstakeoff 摄像机固定镜头拍摄湖面缓速移动的鸭群,继而飞速升空的一瞬间、湖面涟漪不断生成扩大的场景序列,色彩高频分量丰富、由静转动的前后帧画面信息差较大。主要评价编码系统的清晰度损失和运动估计补偿能力。
In To Tree 俯拍摄像机慢速移动拍摄郊野树林的场景,色彩饱和度鲜艳、内容信息丰富。主要评价系统清晰度损失和重现能力
Old Town Cross 俯拍摄像机慢速移动拍摄欧洲城镇的图像序列,色彩饱和度鲜艳、内容信息丰富。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力
Parkjok 摄像机慢速变焦与横向移动拍摄的郊外游玩场景序列,前景是道路边树木进入镜头,河对岸的后景有人群运动、跑步、欢跳的场景。层次与运动矢量丰富。主要评价编码系统的运动矢量的处理和色度细节的损伤
Stripy_jogger 摄像机镜头变焦与移动拍摄人跑步场景。主要评价编码系统的运动矢量的补偿处理
分辨率为1920*1080i,25帧每秒

视频质量主观评价方法【5】,指多个评价者在严格环境下依据标准程序对画面质量进行五级评分,基于统计学方法进行置信度计算。测量方法操作复杂、对评价人及环境条件要求较高,且针对AVS+技术的相关检测在之前项目中已经完成,本试验不再重复设计类似科目。

本试验中主要采用视频客观测评的动态测试方法,使用泰克公司的图像质量分析仪,将通过被测数字系统后采集回来的视频序列同原图像进行比较, 用于评估图像劣化的程度,以此推断被测数字系统的技术质量水平。

视频客观动态测评示意图

图 7  视频客观动态测评示意图

为了从多维度分析图像误差,试验中综合采用了动态视频评估算法中的PQR(Picture Quality Ranking)、DMOS(Differential Mean Opinion Score)和PSNR (Peak SNR)【5】三种技术,以求从人类主观视觉模型与客观误差统计多角度全面评估劣化程度。

4.2.2 视音频主观评估试验

视音频主观评估试验一是在地面数字电视端到端闭路环境中验证编解码技术集成应用的可行性,二是为不同特征序列码率配置提供试验数据样本。

围绕以上目标,试验中组织了行业内数位专家组成了五人的主观评估试验组,分别针对表三中的视音频序列段、配置六种码率、四种编码设备、七款接收终端,进行了端到端的视频、音频、视音频同步主观评估。本次主观评估,试验素材采用未经任何编解码压缩受损的原始素材,以录像带的格式存放,通过播放器播出。

4.3 可行性试验

4.3.1 音频质量客观测量

音频方面主要采用静态测量方法,采用信号发生器产生视音频码流。视频流采用高清(HD\1080i)、标清(SD\576i)以彩条(75%Bar)为内容的视频信号,伴音可生成两通道至六通道的音频信号,并单独设置每通道音频的调制频率、输出通道功率、调制方式等指标;经过标/高清编解码系统后,通过多格式示波器WFM7120完成音视频同步(延时)试验,同时经信号发生器与WFM7120联合解嵌出音频信号后,由音频质量分析仪完成音频客观指标的采集试验,以验证AVS++DRA集成编码设备的音频特性是否满足标准要求。

4.3.2 开路环境试验

前端定标测量主要保证前端信源码流输出稳定与发射系统功率指标正常。

?码流测量主要采用码流分析仪分别对AVS++DRA编码器输出、复用器输出、单频网适配器输出码流的码率大小、CBR码率抖动范围、码流格式等进行检测,以验证AVS++DRA视音频集成编码在地面数字电视广播单频网系统中信源前端系统中的稳定性。

?针对发射系统,主要采用安捷伦仪表测量发射机主要指标(MER、带肩、平坦度、发射功率、功放电流等)以及各发射点激励器对单频网适配器调整时延后响应正确性。

开路环境视音频试验按照试验项目批复任务搭建了试验系统,播放四套直播节目,频道配置如下:

表 3 试验网络直播节目

频道 类型 节目内容 台标 现编码方式 现编码率
DS-47 高清 中央电视台综合频道 CCTV-1高清 AVS++DRA 6Mbps
标清 新闻频道 CCTV-新闻 AVS++DRA 2Mbps
中央电视台综合频道 CCTV-1 MPEG-2 3.75Mbps
军事农业频道 CCTV-7 MPEG-2 3.75Mbps

基于单频网覆盖效果评估结果,按照均匀分布及覆盖特征不同选取抽样区域(广州城区选取30个室外点/4个室内点、花都区10个室外点/3个室内点、增城区10个室外点/3个室内点)。

 

图 8  开路环境室内外试验点

采用客观和主观相结合的综合测试方法对不同信道解调芯片、不同信源解码芯片、不同品牌多款接收终端进行试验。由测试人员完成抽样点的频谱、载波电平、载噪比值、双解码接收终端的图像质量(马赛克、静帧、黑场、解码连续性等)的监看情况、声音信号质量(无声音、噼啪噪音等)的监听工作、被测接收机音视频同步情况、从加电启动到图像正常显示的时间等指标的测量。

 

5.总结

基于以上系统设计及试验方案研究成果,笔者团队在国内首次搭建了采用 “AVS+和DRA”音视频技术的地面数字电视广播单频网覆盖试验网络,采用客观测量和主观评估相结合的评估方法,在开路、闭路试验平台上开展了多方面多层次的“AVS+和DRA”视音频技术试验,利用数学方法分析大量试验数据集为相关设备成熟、行业应用提供了全方位的数据支撑,充分验证了“AVS+和DRA”的技术先进性及广播电视行业应用的可行性。

本次试验项目彻底解决了数字电视信源标准问题,对于行业管理部门制定产业发展规划与行业技术建议提供了基础数据参考,对加快国家数字电视地面广播专项工程项目的实施,及深入贯彻落实党中央、国务院关于加快培育战略性新兴产业的重要部署都起到直接促进作用,具备显著的经济与社会效益。

 

参考文献

【1】 GB/T 22726-2008《多声道数字音频编解码技术规范》

【2】 GY/T 257.1-2012 《广播电视先进音视频编解码 第1部分:视频》

【3】 GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》

【4】 ITU-R BT.500 《Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures》

【5】 GY/T 134-1998《数字电视图像质量主观评价方法》

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