作者：Martin Rowe
不久前，以太网和因特网协议（IP）还只需要从服务器向客户端传送计算机文件和网页的数据包。
但今天，IP网络正在向数百万家庭提供电话服务，IP电视（IPTV）也已经开始使用。相关案例：2006年3月7日，Anaheim市成为California州第一个获得AT&T许可安装IPTV网络的城市（参考文献1）。IPTV还将在Anaheim和其他城市开始使用，不过这并不意味着它就一定会成功。通过IP网络传送高质量的电视画面，远比传送数据甚至语音要困难。就像多媒体研究组织指出的，在高清晰家庭影院系统上花费了数千元的人，不会忍受低劣的视频质量。只有在认为IPTV能够提供良好或更好质量的情况下，消费者才会更换他们的线缆和卫星系统；如果IPTV达不到期望值，他们就会改回去（参考文献2）。
要传送消费者需要的高质量画面，对IPTV的IP网络和MPEG视频传送码流进行测试是至关紧要的。但不幸的是，业界还必须先对视频传输的测试方法进行标准化。
问题在哪里？
当IP包通过网络承载MPEG包时，无法保证这些包以稳定的码流到达目的地。而在传送数据时，IP网络以包的形式发送数据，可以重传丢失的包。只要所有的包都完整到达，接收计算机就可以重新组合成原始的文件——用户永远都不知道包被重传过。因为包必须以一定的顺序到达，因此传送时会导致声音有轻微的模糊，但用户还可以忍受少许丢包。“20ms以内的音频信号中断，不会让人感觉很明显，”Brix网络的CTO，KaynamHedayet这么说。
然而，人类的眼睛比耳朵对信号中断更加敏感，视频丢包对画面质量和电视观众的感觉有着更大的影响。在IPTV中，IP包对MPEG编码视频画面的片段进行封装。MPEG码流包含3种类型的帧：关键帧（I帧）、未来单项预测帧（P帧）和双向预测帧（B帧）。《MPEG基本原理和协议分析指南（包括DVB和ATSC）》详细解释了这些帧（参考文献3）。快速浏览可以参考《MPEG背景》（参考文献4）。
I帧（或内部编码图像参考帧）发送画面里每一个像素的信息。为减小带宽，MPEG采用前向和反转2中参考方式，从I帧中产生前预测的P帧和双向预测的B帧。也就是，P帧和B帧只包含了那些既非前面，亦非后面的画面的像素信息。
在相对静止背景下的电视场景中，比如两个人站在房间中交谈，从某一画面到下一画面时P帧和B帧变化很小。而在较为动态的场景中，比如赛马，则几乎每幅画面的每一个像素都在变化。
如果没有传送I帧，画面很快就会变得模糊，因为MPEG解码器接收不到参考帧来还原画面。同样地，如果电视观众打开正在播放节目的频道，刚开始会因为没有完整参考帧，画面模糊难辨，直到参考帧从服务提供商到达为止。这就是I帧必不可少之处。每隔几幅画面就必须插入一个包含了完整图像信息的I帧（约2~3次/秒），提供给P帧和B帧作为参考帧。
如果包含了部分I帧的IP包发生丢包，接收端（电视机或机顶盒）的MPEG解码器就会失去那些对前面和后面画面起作用的重要信息。Tektronix的MPEG经理，PaulRobinson解释：“如果失去I帧，机顶盒可能停止工作。”因此，网络要接近无损地传送IPTV码流。图2说明了丢失视频信息的后果。
拥塞经常会引起丢包。每个IPTV节目都需要有自己的视频码流。如果两台或更多的电视或计算机分享同一个接入网络，如无源光网络（PON）或电接入网络（如DSL），那么如果负荷超过连接带宽时，多个视频码流会使得网络服务器的缓存过载或者导致接入网络丢包。如果接入网络在传送视频的同时还传送语音和数据，则问题会变得更糟。实际上，数据会比语音对某一个问题造成更多的影响，因为语音使用带宽平稳的码流传送，而数据通常采用爆发模式传送。
其他网络问题，如分组抖动和延时可以显示网络的状况。分组抖动是指从一个包到另一个包在到达时间上的差异。“抖动并不一定影响视频质量”，IneoQuest的CEO，MarcTodd说，“但抖动是潜在丢包的良好评价指标”。网络设备，特别是机顶盒中的缓存器收到包后通常稳定地进行传送。如果缓存器溢出的话，通过IP网络累积的分组抖动就可能引起丢包。传送时太长时间的中断可能会清空缓存，导致没有节目传送。图3显示了承载MPEG视频码流的IP包在发生丢包或延时后的结果。
缓存越大，则溢出和引起丢包的可能性就越小，但这有一个平衡点。每个电视频道都需要唯一的MPEG码流。切换频道时，电视机或机顶盒需要从服务器申请新的频道。如果几台电视机共用同一个频道，则它们共享同样的码流。但不同的频道需要不同的码流，这就使得接入网络承受较大的压力。
当改变频道时还会发生另外一个问题。“切换频道时，解码器必须清空缓存，”Radcom的VoIP和IPTV产品管理团队的主管OfirMichael说，“另外，服务器必须检查用户应当获得了其申请的频道。”新频道的IP包必须输入到缓存器，同时，在解码器从IP包中提取MPEG视频码流和解码之前，MPEG解码器必须先等待新频道的I帧。
一些业界人士宣称问题已经解决。“频道转换时间不是问题，”在今年Anaheim市OFC/NFOEC会议中举行的一场关于IPTV情况的记者招待会上，Detecon的首席网络架构师PatrickPfeffer指出，“IPTV图像质量比模拟的要好。”
网络测试
大部分的协议分析仪，可以测量IP网络的分组抖动和丢包。从测量结果可以得知IP网络是否良好，但它不能提供最终产物——视频质量的评价指标。为测量视频质量，还是要测试MPEG传送码流。MPEG协议分析仪能够对视频码流的报头和有效负荷进行详细观测。《如何测试MPEG-2传送码流？》（参考文献5）描述了MPEG测试装置是怎样分析那些用于传送编码视频和音频的188字节包的。
测试IPTV的最后一个环节是测试视频质量。一些测试公司提供视频质量测试设备，但业界还必须决定权威的测量标准。有几家IPTV测试设备的制造商采用一种平均判分（MOS）运算法则来测量视频质量。MOS基于对视频质量的人类感知，采用从0到5的判别等级。MOS是一种基于人们对视频质量评价的主观测试。ITU-T建议P.800中定义运用MOS评估的程序（参考文献6）。一些公司改进了他们自己的运算法则，提出稳定一致的方法来衡量可感知的视频质量。但最终还是得由消费者来决定。
例如，Brix网络公司使用Brix视频质量指南来测量。这家公司的测试装置会测量IP网络参数，如抖动和丢包，同时也会分析IP包中的MPEG传送码流。Brix公司CTOHedayet解释，由于版权问题，Brix的测试装置不对实况视频的MPEG码流进行解码。但是，它能将自己的视频码流注入到网络中，并对解码视频和原始视频进行比较。
IneoQuest将它的测量方法命名为媒体传送指南（MDI）。就像名字所暗示的那样，MDI观测网络通过IP包传送MPEG视频的运行情况。它测量延时因数和丢包率。延时因数是经过计算的每个包的到达时间。丢包率则测量每秒收到的包和预期收到的包的差异。IneoQuest也测量视频码流特性，如流量速率，单位是Mb/s。
视频质量测量方法力图消除人的主观意识，并提供稳定一致的测试结果。业界最终需要使用一种视频质量测试方法作为标准。无论采用哪种测试方法，IPTV的成功取决于收看人群的主观感知，和对误差及延时的容忍程度。
参考文献：
1.Tully,Sarah,and Tamara Chuang, "Anahiem allows AT&T to install Internet TV," Orange County Register, March 8, 2006. p. 1. www.ocregister.com.
2.Larribeau,Bob,"IP TV Home Networking Strategies," Multimedia Research Group, Sunnyvale, CA, 2006. www.mrgco.com/TOC_IPTV_HN06.html.
3."AGuideto MPEG Fundamentals and Protocol Analysis (including DVB and ATSC)," Tektronix, Beaverton, OR, 2002. www.tek.com/Measurement/applications/video/mpeg2.html.
4."MPEGBackground,"Berkeley Multimedia Research Center, Berkeley, CA. bmrc.berkeley.edu/frame/research/mpeg/mpeg_overview.html
5.Rowe,Martin,"How do you test MPEG-2 transport streams?" Test & Measurement World, January 1997. p. 20. www.reed-electronics.com/tmworld/article/CA187542.html.
6.ITU-TP.800,Methods for subjective determination of transmission quality. International Telecommunications Union, Telecommunications Sector, Geneva, Switzerland. www.itu.int/ITU-T/.
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