Как устранить ошибки при передаче 4K и HEVC по цифровым сетям

MPEG-2 и H.264 используют блоки, макроблоки и плоскости. В HEVC они заменены элементами кодирования (Coding Units, CU) размером до 64х64

Для тестирования и устранения неполадок при передаче контента от источника к зрителю нужно оценить два фактора:

• соответствие синтаксиса и семантики, необходимое для воспроизведения потока;
• качество видео и звука, обеспечивающее наилучшее восприятие зрителем.

Общество инженеров кино и телевидения (SMPTE) определяет UHDTV1 как формат 4K, а UHDTV2 как 8K . В этой статье, основанной на электронной книге «A Brief Guide to Ensuring Quality & Compliance While Delivering 4K/UHD», речь пойдет о 4K.

Большинство контента качества UHDTV1 кодируется с помощью H.265/HEVC для линейного вещания и доставки с адаптивной скоростью потока с разными скоростями. Стандарт HEVC (ITU-Т H.265) в настоящий момент — наиболее эффективный в доставке контента 4К зрителям и подписчикам. Кодер HEVC не требует всех команд HEVC, но те, которые он использует, должны соответствовать утвержденному стандарту H.265.

Стандарт HEVC включает множество уровней, от 6.2 для 4К (3840х2160) при 300 Гц и вплоть до уровня 1 с разрешением 128х96 при 15 Гц. Каждый из этих уровней определяет максимальную скорость потока и максимальную частоту дискретизации сигнала яркости. На рисунке 1 показаны все возможные уровни кодека HEVC.

Рисунок 1. Слои и уровни с максимальными значениями форматов видеокадров H.265

Элементы кодирования

HEVC почти вдвое эффективнее, чем видеокодек стандарта ITU-T H.264. Одно из его ключевых достоинств ― снижение скорости потока за счет переопределения блоков. Там, где в MPEG-2 и H.264 использовали блоки, макроблоки и плоскости, в HEVC их заменили элементами кодирования (Coding Units, CU). Максимальный размер такого элемента — 64×64.
Для статичных изображений или видеокадров с большими однотонными областями это нововведение позволяет существенно снизить скорость потока. В HEVC также используются более точные векторы движения. Новый размер CU 64×64, пожалуй, вносит наибольший вклад. Первое фото в этой статье показывает разницу в размере между блоком и CU на одном и том же видеокадре.

Рисунок 2. Поддержка функций в некоторых профилях HEVC

Перекодированное видео часто используется для масштабирования или экономии ширины канала. В случае с OTT и адаптивной скоростью потока (ABR) одна видеопрограмма будет перекодирована во множество выходных. Каждая выходная программа кодируется с собственной скоростью потока и/или в своем формате. Таким образом у удаленных клиентов появляется возможность мгновенно менять скорость. Эта функция требует точной синхронизации кадров Instantaneous Decoder Refresh (IDR) и Encoder Boundary Point (EBP).

Контроль и устранение ошибок

В случае выявления провайдером, зрителем или подписчиком ошибок или проблем QoS/QoE, контроль и устранение ошибок часто требуют более глубокого анализа потоков компрессированного видео или звука. Лучше, чтобы запись транспортного потока при обнаружении таких ошибок или проблем включалась автоматически. Файл записи транспортного потока затем можно будет подвергнуть более детальному анализу инструментом анализа кодека.

В каждом узле системы, где производятся манипуляции потоком (в том числе перекодирование и перемультиплексирование), поток необходимо снова верифицировать на предмет совместимости. Если результаты испытаний QoE (синтаксиса) будут неудовлетворительными или покажут превышение предельных значений, необходимо сразу связаться с производителем кодера для переналадки оборудования. В противном случае жалоб зрителей на проблемный контент не избежать. Все испытания должны показывать совместимость, прежде чем контент будет подвергнут инкапсуляции в IP либо ВЧ-модуляции для передачи зрителям.

Цифровое видео по ВЧ

Передача на ВЧ производится в основном тремя путями: по радиоканалам наземных станций, через спутники и по кабелю.  Для каждого из этих путей передачи важно поддерживать высокое значение отношения сигнала к шуму. Это залог надежной передачи цифрового сигнала. По мере снижения уровня сигнала или деградации шум вносит все больший вклад в амплитуду сигнала. В определенный момент это соотношение достигает значения, называемого пороговым отказом (“digital cliff”). Это момент, когда избыточности, заложенной в механизме прямой коррекции ошибок (forward error correction, FEC) и коде Рида-Соломона, становится недостаточно для восстановления сжатого сигнала, и декодер получает случайные значения. На изображении начинают проявляться артефакты: блочность, ошибки плоскостей, замирание изображения и, в итоге, полное исчезновение изображения.

Рисунок 3. Обратная связь между амплитудой вектора ошибки и MER иллюстрирует, как увеличение шума или снижение качества сигнала приводит к пороговому отказу

При передаче цифровых данных по ВЧ одним из показателей коэффициента ошибок модуляции несущей радиосигнала (modulation error ratio, MER) является амплитуда вектора ошибки (error vector magnitude, EVM), измеряемая в процентах. Нулевое значение свидетельствует, что принятый символ оказался точно в центре целевой области. 100% — плохая цифра, означающая, что принятый символ оказался вне целевой области символа, и, скорее всего, в области другого символа. Чем ниже значение EVM, тем выше качество сигнала. Чем выше значение, тем больше приемник полагается на прямую коррекцию ошибок для исправления проблематичных символов.

На рисунке 4 — пример сигнала DVB-S2 8PSK. Коэффициент ошибок модуляции несущей радиосигнала составляет здесь 16 дБ, что нехорошо из-за значительного  шума. Иллюстрация четко показывает, что некоторые из принимаемых сигналов не попадают в ожидаемые области (ошибка символа). Это также заметно по коэффициенту ошибок Inner FEC (BER), для которого зафиксировано значение 2,35·10-3. Это означает, что примерно 2 бита из каждых 1000 неверны, что требует прямой коррекции ошибок FEC, использующей код Рида-Соломона, для исправления ошибочных транспортных пакетов. Пока значение коэффициента остается ниже 5·10-3 можно говорить о квазисвободном от ошибок сигнале. Будь оно немного хуже — некоторые ошибки со временем проникнут в элементы изображения и звука и проявят себя.

Рисунок 4. Сигнальное созвездие DVB-S2 8PSK 

Если вы наблюдаете малое значение FEC BER, либо индикатор TR 101 290 Transport Error (приоритет 2.1) светится красным, как на рисунке 5, то прием или передача по ВЧ идт с ошибкой. Это может быть вызвано ослаблением сигнала дождем, многолучевым распространением сигнала, помехами со стороны наземных СС или любыми иными высокочастотными помехами. Определение ошибки ― только первый шаг. Устранение ошибки требует гораздо больших усилий.

Во-первых, проверьте уровни сигналов, чтобы убедиться, что уровень мощности достаточен. Во-вторых, убедитесь в целостности кабельной линии. В случае помех от наземных СС (terrestrial interference, TI) понадобится анализатор спектра реального времени для определения точного местоположения источника помехи.

Рисунок 5. Видеокадр интерфейса Tektronix Sentry TR 101 290. Интегральные значения за трое суток

Для обеспечения рабочих характеристик ВЧ-модуляции, повышающего преобразования, работы сумматора и усилителя необходим непрерывный контроль параметров ВЧ-сигнала, которые доставляется подписчикам. Ключевые значения здесь — уровень мощности ВЧ-сигнала, коэффициент ошибок модуляции несущей радиосигнала вещательного телевидения (MER) и  соответствие транспортного потока требованиям ETSI EN TR 101 290.

Цифровое видео по IP

Передача транспортных потоков по IP средствами User Datagram Protocol (UDP) почти полностью выместила все прочие способы передачи между оборудованием, зданиями и даже передачи в масштабах страны. Локальный или дистанционный контроль сеансов UDP может быть полезен при поиске места возникновения ошибки IP. Обычный обмен данными с браузером по IP происходит без потерь благодаря Transmission Control Protocol (TCP/IP), где каждый пакет проверяется и пересылается в случае ошибки.

При передаче видео транспортным потоком мы используем UDP, реализующий парадигму «отправил и забыл». Если пакет повреждается или теряется, его копия не высылается. Важно обеспечить безошибочную передачу 100% данных. Что произойдет в случае потери пакета UDP в сети IP зависит от ряда факторов. Какой тип кодека используется? Насколько мала пропускная способность? Является ли потерянный пакет частью I-кадра?

Рисунок 6. Видимое искажение при потере пакета UDP (7 пакетов TS) / Фото: Techmedia

Потеря одного пакета UDP превращается в потерю семи пакетов транспортного потока. Если потеря пришлась на I-кадр, то последствия будут наихудшими. Декодеры сильно  исказят изображение: некоторые  зальют черным нижнюю половину изображения, другие сгенерируют многочисленные причудливо раскиданные блоки, а третьи просто остановят изображение до тех пор, пока не поступит новый I-кадр.

ABR и OTT

С адаптивной скоростью потока (ABR) и технологией Over-The-Top у нас появился совершенно новый способ доставки контента подписчику. Ключевое преимущество ABR — возможность динамически изменять скорость потока видео (в большую и меньшую стороны) для предотвращения появления сообщения «Buffering…» в середине программы.

ABR использует совершенно иной способ доставки (TCP/IP), который включает повторную передачу любых недостающих или искаженных пакетов IP. Клиентское приложение на стороне зрителя обменивается данными с сервером для поддержания максимальной скорости потока. Это требует от средства ABR манипуляции несколькими экземплярами видео с различными скоростями потоков и форматами (SD, HD или 4К) таким образом, чтобы подписчику не нужно было гадать, какое качество или профиль позволит ему добиться наилучшего восприятия, и в то же время не приведет к остановкам для буферизации входных пакетов.

 

 

Источник