关于IPTV直播视频编码码率的探索
李佳
摘 要 随着网络的发展，新媒体的应用已经完全融入到我们的工作和生活。如何给全国1.2亿IPTV用户提供优质的图像服务，是广电新媒体人一直思考研究的课题。笔者通过多年的工作经验和大量的实验数据，总结和验证出一个适应于IPTV直播视频码率的标准。
关键词 编码；H.264；IPTV；码率；PQR；PSNR；SSIM；图像质量
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2018）10-0023-02
随着国务院关于三网融合政策的号召，全国IPTV产业如雨后春笋般迅猛发展。IPTV集成播控平台建设实行全国统一规划、统一标准、统一组织、统一管理。
目前IPTV视频编码格式，已经基本统一使用H.264作为基本标准，随着通信运营商的宽带大力发展，视频编码码率也会随着条件的成熟，而逐渐提升。在同样编码技术下，是不是码率越大，质量越好？什么样的码率性价比最高？如何在线测试视频质量的优劣？
按照最初的白皮书对IPTV直播编码的标准，其中编码只是笼统的规定为主流编码格式，但目前来说，绝大多数IPTV都使用H.264作为编码标准，就其历史和技术原因，在本篇论述里不做更多阐述。
编码速率模式为CBR，这点和有线电视网VBR有本质的区别。对于多频道复用一个频点或一个固定带宽情况下，VBR或ABR都有着得天独厚的优势。而IPTV刚好相反，固定一个带宽跑着一个组播频道，一定是贴近满负荷的最佳利用率为佳。所以CBR和VBR没有哪个好、哪个差的说法，刚好印证了一句话：没有绝对，只有相对的完美匹配。
频道来说，大家一般都才用Mpeg1L2，或AAC，高清有时也会采用杜比AC3或EAC3，这个要根据当地机顶盒的license是否支持来决定。采样率都默认使用48KHZ。声道标清都会选择mono，高清选择stereo或5.1。
视频编码码率作为本篇论述的点，在该标准虽然有个建议范围，标清：1.5～2.5mbps，而高清1080i：8mbps，720P：6mbps，但没有做出绝对定义。这个其实也可以理解，应该各地的网络情况不一，而IPTV本来就是一个视频可以做动态调整的开发式平台。这对各地的内容提供方来说，即是迷惑的地方，也是可以突破的地方，可以不拘一格，根据自身情况，做出最佳编码得出最佳图像质量。
现在我们就如何在现有带宽条件下，编码出最好的质量，做些测试工作。
下面我们对不同码率的表现来做下分析。
测试目标通过专用测试仪器，测试出不同编码器编码质量。
测试设备如下。测试仪器：泰克PQA500；H.264IP解码器：哈雷IRD2963；交换机：cisco2960。
通过泰克PQA500发出SD和HD-SDI标准图像帧序列，经过视分将信号分配各厂家H.264编码器，哈雷IRD2963解码器把IPH.264流解码成SDI信号，再把解出来的SDI信号 接回PQA500仪器。
PQA500会把发出和接收的图像帧同步对比，计算出之间的差异，得出最后的PQR值，0～10分值，PQR=0表示测试序列与参考序列完全相同，PQR值越大，损伤程度越大。PQR=1几乎觉察不到损伤 ；PQR=3已经可觉察到连续损伤，但不强；PQR=10明显可觉察到损伤。
本次测试有标清编码器和高清编码器，均为主流的编码器（爱立信、哈雷、Ateme等），后续数据为编码器的平均值，所呈现出来的数据不代表编码产品，只作为码率特性参考。
HD通过三类有代表的图像帧来完成测试：duckstakeoff、intotree、parkjoy。
SD通过五类有代表的图像帧来完成测试：风车、火车、足球、人脸、兵乓。
根据最终测试数据分析：
Mpeg2在17.5mbps码率下，为得出一个性价比比较高的数值，比12mbps码率质量大幅度提升，而比24mbps码率会略逊色点。
H.264高清编码在8mbps会得到一个比较优质的质量，而随着码率提升，质量也会随之增加，到12mbps情况下，就显出一个瓶颈来，更高的码率得出的图像质量不会明显。H.264 12mbps和Mpeg2 17.5mbps对比，除处理水波纹外，H.264还会略占上风。这也说明另一个问题，Mpeg2在高码率情况下，编码复杂的图像是具有一定优势的，这也是用户反映一些球赛，尤其NBA篮球等比赛转播，有线网会比IPTV效果好的原因。但在一般的场景环境下，IPTV的高压缩比优势也会体现出来，所以一般电视剧等常规节目，IPTV的图像质量还是具有优势的。
从测试的结果来看，标清编码器对色彩丰富的运动图像编码质量较差，尤其在低码率下，损伤相当严重。而对人物特写图像处理能力较强，两种码率下表现都比较好。根据数据分析，标清编码在2.5mbps情况下，可以得到一个比较优质的视频
质量。
目前IPTV标清编码以H.264使用2.5mbps作為主流，是非常合适的。而高清情况特殊，根据城市宽带接入情况的不同，一般都分为8mbps和12mbps两种码率提供服务。总体来说，现在IPTV在如此码率下，都能表现出较好的特性。
而如此在集成平台监管基带信号到IP信号的质量情况，又是一大课题，目前采用一种类似PQA对比测试机制，是非常合适的。下面我们对IPTV一路高清频道进行测试。
Prismon画面质量分析对比试验：
试验目的：验证Prismon画面质量实时打分功能（LiveQM），分析台里湖南卫视IPTV编码后信号质量。
试验对象：湖南卫视高清SDI信号，编码后H.264 TS信号，码率为8Mbit/s，编码后H.264 TS信号，码率为12Mbit/s。
工作原理：Primon能够实时检测出两个信号的PSNR（峰值信噪比）和SSIM（结构相似度）值，来实时评价信号编码后的质量。其中PSNR取值在0～100db之间，值越大，则画面损失越少，通常情况下值会在20～60之间。SSIM从亮度，对比度，结构三个方面来表征图像的相似性，取值在0～1之间，其值越大表示画面损失越小。
试验数据：根据不同类型的节目，分别取8组三个编码后信号与编码前基带信号对比的PSNR与SSIM平均值。（见表3）
画面质量主观分析：参考上述两个PSNR热导图截图，其中画面中红色部分表示PSNR较低损失较高，灰色部分表示PSNR较高损失较低，可看出两个编码后的画面中几乎没有红色，画面主观观感质量较高。其中在此时刻，8M-264流与12M-264流画面全灰，几乎无损失。
画面质量客观分析：参考上述PSNR与SSIM表格，8M-264码流与基带信号对比PSNR均值为46.994db，SSIM均值为0.975。12M-264码流与基带信号对比PSNR均值为47.291db，SSIM均值为0.988。
试验结论：湖南卫视编码后的264信号画面质量很高，损失较低，8M码流已经有了较高的质量还原度，而在11M码率下图像质量会略有提升。根据湖南卫视的节目的特点，一般都是综艺、电视剧、歌唱类节目为主，很具有各大卫视节目代表性。所得出的数据也比较客观的反映了码率的特性。
综上所述，IPTV直播视频码率，标清在2.5mbps比较合理，高清在8mbps情况下，可以得到优质的画质。而如果网络资源足有丰富，高清可以考虑采用11-12mbps码率编码，以得到更为优秀的画质
质量。
参考文献
[1]工信部.IPTV业务系统总体技术要求[S].2008.
[2]高小能，郭大春.IPTV技术标准及其应用现状[J].电信工程技术与标准化，2006，19（3）：10-13.
摘 要 随着网络的发展，新媒体的应用已经完全融入到我们的工作和生活。如何给全国1.2亿IPTV用户提供优质的图像服务，是广电新媒体人一直思考研究的课题。笔者通过多年的工作经验和大量的实验数据，总结和验证出一个适应于IPTV直播视频码率的标准。
关键词 编码；H.264；IPTV；码率；PQR；PSNR；SSIM；图像质量
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2018）10-0023-02
随着国务院关于三网融合政策的号召，全国IPTV产业如雨后春笋般迅猛发展。IPTV集成播控平台建设实行全国统一规划、统一标准、统一组织、统一管理。
目前IPTV视频编码格式，已经基本统一使用H.264作为基本标准，随着通信运营商的宽带大力发展，视频编码码率也会随着条件的成熟，而逐渐提升。在同样编码技术下，是不是码率越大，质量越好？什么样的码率性价比最高？如何在线测试视频质量的优劣？
按照最初的白皮书对IPTV直播编码的标准，其中编码只是笼统的规定为主流编码格式，但目前来说，绝大多数IPTV都使用H.264作为编码标准，就其历史和技术原因，在本篇论述里不做更多阐述。
编码速率模式为CBR，这点和有线电视网VBR有本质的区别。对于多频道复用一个频点或一个固定带宽情况下，VBR或ABR都有着得天独厚的优势。而IPTV刚好相反，固定一个带宽跑着一个组播频道，一定是贴近满负荷的最佳利用率为佳。所以CBR和VBR没有哪个好、哪个差的说法，刚好印证了一句话：没有绝对，只有相对的完美匹配。
频道来说，大家一般都才用Mpeg1L2，或AAC，高清有时也会采用杜比AC3或EAC3，这个要根据当地机顶盒的license是否支持来决定。采样率都默认使用48KHZ。声道标清都会选择mono，高清选择stereo或5.1。
视频编码码率作为本篇论述的点，在该标准虽然有个建议范围，标清：1.5～2.5mbps，而高清1080i：8mbps，720P：6mbps，但没有做出绝对定义。这个其实也可以理解，应该各地的网络情况不一，而IPTV本来就是一个视频可以做动态调整的开发式平台。这对各地的内容提供方来说，即是迷惑的地方，也是可以突破的地方，可以不拘一格，根据自身情况，做出最佳编码得出最佳图像质量。
现在我们就如何在现有带宽条件下，编码出最好的质量，做些测试工作。
下面我们对不同码率的表现来做下分析。
测试目标通过专用测试仪器，测试出不同编码器编码质量。
测试设备如下。测试仪器：泰克PQA500；H.264IP解码器：哈雷IRD2963；交换机：cisco2960。
通过泰克PQA500发出SD和HD-SDI标准图像帧序列，经过视分将信号分配各厂家H.264编码器，哈雷IRD2963解码器把IPH.264流解码成SDI信号，再把解出来的SDI信号 接回PQA500仪器。
PQA500会把发出和接收的图像帧同步对比，计算出之间的差异，得出最后的PQR值，0～10分值，PQR=0表示测试序列与参考序列完全相同，PQR值越大，损伤程度越大。PQR=1几乎觉察不到损伤 ；PQR=3已经可觉察到连续损伤，但不强；PQR=10明显可觉察到损伤。
本次测试有标清编码器和高清编码器，均为主流的编码器（爱立信、哈雷、Ateme等），后续数据为编码器的平均值，所呈现出来的数据不代表编码产品，只作为码率特性参考。
HD通过三类有代表的图像帧来完成测试：duckstakeoff、intotree、parkjoy。
SD通过五类有代表的图像帧来完成测试：风车、火车、足球、人脸、兵乓。
根据最终测试数据分析：
Mpeg2在17.5mbps码率下，为得出一个性价比比较高的数值，比12mbps码率质量大幅度提升，而比24mbps码率会略逊色点。
H.264高清编码在8mbps会得到一个比较优质的质量，而随着码率提升，质量也会随之增加，到12mbps情况下，就显出一个瓶颈来，更高的码率得出的图像质量不会明显。H.264 12mbps和Mpeg2 17.5mbps对比，除处理水波纹外，H.264还会略占上风。这也说明另一个问题，Mpeg2在高码率情况下，编码复杂的图像是具有一定优势的，这也是用户反映一些球赛，尤其NBA篮球等比赛转播，有线网会比IPTV效果好的原因。但在一般的场景环境下，IPTV的高压缩比优势也会体现出来，所以一般电视剧等常规节目，IPTV的图像质量还是具有优势的。
从测试的结果来看，标清编码器对色彩丰富的运动图像编码质量较差，尤其在低码率下，损伤相当严重。而对人物特写图像处理能力较强，两种码率下表现都比较好。根据数据分析，标清编码在2.5mbps情况下，可以得到一个比较优质的视频
质量。
目前IPTV标清编码以H.264使用2.5mbps作為主流，是非常合适的。而高清情况特殊，根据城市宽带接入情况的不同，一般都分为8mbps和12mbps两种码率提供服务。总体来说，现在IPTV在如此码率下，都能表现出较好的特性。
而如此在集成平台监管基带信号到IP信号的质量情况，又是一大课题，目前采用一种类似PQA对比测试机制，是非常合适的。下面我们对IPTV一路高清频道进行测试。
Prismon画面质量分析对比试验：
试验目的：验证Prismon画面质量实时打分功能（LiveQM），分析台里湖南卫视IPTV编码后信号质量。
试验对象：湖南卫视高清SDI信号，编码后H.264 TS信号，码率为8Mbit/s，编码后H.264 TS信号，码率为12Mbit/s。
工作原理：Primon能够实时检测出两个信号的PSNR（峰值信噪比）和SSIM（结构相似度）值，来实时评价信号编码后的质量。其中PSNR取值在0～100db之间，值越大，则画面损失越少，通常情况下值会在20～60之间。SSIM从亮度，对比度，结构三个方面来表征图像的相似性，取值在0～1之间，其值越大表示画面损失越小。
试验数据：根据不同类型的节目，分别取8组三个编码后信号与编码前基带信号对比的PSNR与SSIM平均值。（见表3）
画面质量主观分析：参考上述两个PSNR热导图截图，其中画面中红色部分表示PSNR较低损失较高，灰色部分表示PSNR较高损失较低，可看出两个编码后的画面中几乎没有红色，画面主观观感质量较高。其中在此时刻，8M-264流与12M-264流画面全灰，几乎无损失。
画面质量客观分析：参考上述PSNR与SSIM表格，8M-264码流与基带信号对比PSNR均值为46.994db，SSIM均值为0.975。12M-264码流与基带信号对比PSNR均值为47.291db，SSIM均值为0.988。
试验结论：湖南卫视编码后的264信号画面质量很高，损失较低，8M码流已经有了较高的质量还原度，而在11M码率下图像质量会略有提升。根据湖南卫视的节目的特点，一般都是综艺、电视剧、歌唱类节目为主，很具有各大卫视节目代表性。所得出的数据也比较客观的反映了码率的特性。
综上所述，IPTV直播视频码率，标清在2.5mbps比较合理，高清在8mbps情况下，可以得到优质的画质。而如果网络资源足有丰富，高清可以考虑采用11-12mbps码率编码，以得到更为优秀的画质
质量。
参考文献
[1]工信部.IPTV业务系统总体技术要求[S].2008.
[2]高小能，郭大春.IPTV技术标准及其应用现状[J].电信工程技术与标准化，2006，19（3）：10-13.
