CN102427551B - 数字高清源端接口传输品质测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字高清源端接口传输品质测试系统，包括具有数字高清源端接口的被测音视频设备、源端接口数据传输抖动测试装置以及源端接口信号品质测试装置，被测音视频设备的数字高清源端接口分别与源端接口数据传输抖动测试装置、源端接口信号品质测试装置连接。本发明从系统级角度对数字高清源端传输接口的传输品质进行测试，使测试结果更加符合真实使用情况，能够做到定量测试，能自动生成测试报告和自动记录历史数据，提高了测试的效率和便捷性。

Description

数字高清源端接口传输品质测试系统

技术领域

本发明涉及数字高清源端传输接口的传输品质测试技术，尤其涉及一种数字高清源端接口传输品质测试系统。

背景技术

当前平板显示传输接口正朝着数字化、高清化的方向发展，数字高清传输接口已成为当前平板显示音视频接口的发展主流。目前国内外相关厂商已提出了多种数字高清接口标准，市面上主流的数字高清接口类型包括HDMI、Displayport、DVI、DiiVa等，其中75％的数字高清产品采用的是HDMI接口标准。在数字高清传输接口不断普及的同时，数字高清接口的质量越来越引起人们的重视，尤其是在数据传输品质方面，由于数字高清传输接口的数据传输品质直接影响到高清音视频的播放的效果，因此，人们对其的关注程度最高。

数字高清传输接口有源端接口、中继端接口、终端接口三大类别。源端接口主要用于高清音视频数据的发送，如笔记本、手机、平板电脑、MP5、蓝光DVD、显卡上的数字高清传输接口；中继端接口主要用于高清音视频信号的转发和分支；终端接口主要用于高清音视频信号的显示，如高清电视上的数字高清传输接口。由此可见，源端接口产品的类别最多。

目前，针对数字高清源端传输接口的传输品质的测试技术包括：(1)源端传输误码率测试。在较长的传输距离、较高的信号传输频率、较大的数据容量、一定的工作时间条件下，使数字高清接口传输某种格式的音视频信号。在高清信号传输线缆的末端通过高性能数字示波器测量“差分信号的电平摆动”、“信号上升沿时间”、“眼图睁合度”等电气参数，若测量出的结果均在接口规范定义的正常取值围内，则说明该数字高清接口数据传输的误码率低。(2)源端接口传输流畅性测试。在较长的传输距离、较高的信号传输频率、较大的数据容量、一定的工作时间条件下，使数字高清接口传输某种格式的音视频信号。在传输线缆的末端接上数字高清显示设备。通过人眼观察显示设备上高清音视频的播放是否流畅来进行测试。

上述现有的数字高清源端传输接口的传输品质测试主要通过物理层的测试手段进行，通过观察被测传输信号的电气特性来评估高清数据的传输品质。但是这种测评方式具有一定的局限性，因为数字高清传输接口是一种嵌入式系统，在高清接口芯片上运行着传输协议、内容保护协议、控制协议等软件，所以软件数据处理也关系到数字高清接口的数据传输品质。此外，狭义范围定义的数字高清源端传输接口只包含接口本身。然而，广义范围定义的数字高清源端传输接口是指实现数字高清产品的高清数据传输的系统，该系统中既包括高清接口本身，还应包括处理器控制、高清数据编解码、数据传输线缆等。这些功能组件都将影响数字高清产品的高清接口数据传输的质量，因此，数字高清接口传输品质测试应从系统的角度考虑。

综上所述，针对数字高清传输接口的传输品质测试，传统测试技术有以下不足：(1)传统测试方法只从物理层的电气特性层面考虑，以偏盖全，软件处理对传输品质的影响无法考虑到。(2)传统的测试方法中，源端接口的传输误码率高低只通过被测信号眼图特性来间接衡量，因此只能做到定性评估。(3)传统的测试方法中，源端接口传输流畅性测试通过人眼观察视频信号的播放流畅性进行，难以定量评估分析。(4)传统的测试方法均采用人工方式，测试成本高、测量效率低，且测量历史数据难以记录。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种数字高清源端接口传输品质测试系统，从系统级角度考虑，更加全面、更加准确、更加高效地衡量数字高清源端传输接口的传输品质。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种数字高清源端接口传输品质测试系统，包括具有数字高清源端接口的被测音视频设备、源端接口数据传输抖动测试装置以及源端接口信号品质测试装置，被测音视频设备的数字高清源端接口分别与源端接口数据传输抖动测试装置、源端接口信号品质测试装置连接，源端接口数据传输抖动测试装置包括调协管理器单元、接口音视频数据采集单元、音视频筛选器单元、音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元以及综合显示单元，调协管理器单元分别与接口音视频数据采集单元、音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元、综合显示单元连接，接口音视频数据采集单元与音视频筛选器单元连接，音视频筛选器单元分别与音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元连接，音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元均与综合显示单元连接，源端接口信号品质测试装置包括源端接口视频传输信噪比测试部分、源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分。

优选地，源端接口视频传输信噪比测试部分包括数字高清接口输入视频流单元、本地原始(参考)视频流单元、视频流采样单元、采样时间触发单元、PSNR单元和结果显示单元；数字高清接口输入视频流单元将数字高清源端接口输入进来的视频流送入视频流采样单元，本地原始(参考)视频流单元将存贮在本地的原始(参考)视频流送入视频流采样单元，视频流采样单元对传输视频流和本地原始(参考)视频流进行同步采样，PSNR单元根据输入进来的传输图像信号和参考图像信号分别计算出R、G、B三色的PSNR的值，结果显示单元显示R、G、B三色信号在各个采样时间点上的PSNR曲线图并向外输出测试数据。

优选地，源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分包括接口传输音频解码单元、原始音频流解码单元、音频流采样单元、采样触发单元、WAV音频文件生成单元、音频信号时域和频率分析单元；接口传输音频解码单元对被测高清源端接口传输的音频信号进行解码，原始音频流解码单元对原始的音频信号进行解码，音频流采样单元对解码后的被测高清源端接口传输的音频流和原始的音频流进行同步采样并生产相对应的音频采样序列，采样触发单元控制音频信号采样的时间节点，WAV音频文件生成单元将解码后的两路PCM音频流分别生成无压缩的WAV格式音频文件供后续处理，音频信号时域和频率分析单元负责信号从时域到频率的转换。

优选地，源端接口音频信号传输信噪比为：

$\mathrm{SNR}={10\log }_{10}\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(X_i\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-Y_i)}^2}$

式中X_i表示原始信号采样获得的时间序列，Y_i表示经过高清接口传输后的信号的时间序列，N表示音频信号采样点的数目。

优选地，源端接口音频信号平均功率差值为：

$P_{\mathrm{avg}}=\sqrt{\frac{{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i-Y_i)}^2}{N-1}}$

式中P_avg为平均功率差值，X_i为被测音频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，Y_i为原始视频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，两个序列等长，N为序列的长度。

与现有技术相比，本发明从系统级角度对数字高清源端传输接口的传输品质进行测试，使测试结果更加符合真实使用情况，能够做到定量测试，能自动生成测试报告和自动记录历史数据，提高了测试的效率和便捷性。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图。

图2是本发明的源端接口数据传输抖动测试装置组成示意图。

图3是本发明的LabWindows综合显示单元的图形化界面示意图。

图4是本发明的LabWindows综合显示单元统计传输质量参数示意图。

图5是本发明的数字高清接口视频传输信噪比测试部分组成示意图。

图6是本发明显示的传输信噪比曲线图。

图7是本发明的源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分组成示意图。

图8是本发明的音频采样序列示意图。

图9是本发明的原始音频信号频谱图和高清接口传输的音频信号频谱图。

具体实施方式

本发明的数字高清源端接口传输品质测试系统集自动化测量、数据分析、测试报告自动生成、测试结果图形化展示等多种功能为一体，主要针对数字高清源端传输接口的传输品质评价参数进行测量。

请参阅图1，该测试系统在硬件设计方面，测试系统中集成PCI总线，可以方便地集成HDMI1.4、DVI1.0、DiiVA1.0、DisplayPort1.3等高清接口数据采集卡，从而灵活地支持不同种类的数字高清接口的测试。在软件设计方面，本系统采用了DirectX技术设计高清接口数据采集模块,因此可在操作系统中获取到从被测高清接口传输过来的高清音视频数据包。在数据的处理上，本系统使用MatlabEngine方式与函数库建立管道连接，从而可以有效利用Matlab工具自身强大的信号处理函数库。在人机交互界面的设计上，本测试系统的人机交互界面在LabWindows环境下进行设计，利用LabWindows强大的支持图形库，本测试系统具有良好的图形化显示展示效果。将用于测试的标准音视频流在被测音视频设备中播放，使被测设备上的源端接口输出音视频数据包。再将该数据包输入到测试系统中，数据包经过测试系统中“流畅性测试模块(装置)”和“信号品质测试模块(装置)”的分析和处理后，测试系统能够准确计算出一段时间内，源端接口数据输出的抖动参数、传输信噪比参数和能力衰减参数，并在人机交互界面上展示出来，这些参数将用于衡量数字高清源端接口的数据传输品质的评估。

请参阅图2，测试系统中源端接口数据传输抖动测试装置(模块)采用DirectX技术实现，DirectX是一套在Windows操作系统平台上开发高性能音视频处理软件的编程接口，DirectX已成为了一种标准，它可以方便地将音视频处理应用程序和计算机硬件建立专用的数据通道，从而达到软硬件间高速交互的目标。DirectX采用了组件对象模型(COM)标准，因此不同对象的版本可以有不同的接口。目前，DirectX主要包括以下组件：DirectX Graphics、DirectInput、DirectPlay、DirectSetup、DirectMusic、DirectSound、DirectShow、DirectXMedia Objects。源端接口数据传输抖动测试装置(模块)包括：(1)调协管理器单元。主要用于协调和同步音视频数据采集器、音视频分支器、视频帧率、吞吐量测试组件、音频帧率、吞吐量测试组件以及LabWindows综合显示组件之间的运作。它将以上组件链接成一个整个的系统模块，并控制其启动/暂停/终止、接口接入类型选择以及测试结果显示的模式。此外，调协管理器还负责向上层应用程序提供标准的控制接口，从而实现用于对数据传输流畅性测试模块的控制。(2)接口音视频数据采集单元。接口音视频数据采集单元跟其它普通的DirectShow Filter处于同一个级别，在调协管理器组件的控制下运行。该组件运行在用户模式下，通过Stream Class控制高清接口硬件驱动程序VideoInterface Capture Driver(高清接口硬件驱动程序由硬件厂商以DLL形式提供)，并向上层提供系统底层级别的数据采集服务。(3)音频/视频帧率、吞吐量测试单元(组件)。在测试音频/视频帧率和接口吞吐量时，首先通过音频/视频筛选器从被测信号中提取出音频/视频信号，再将提取出来的音频/视频信号分别送入测试通道，该通道内设计了大量的CMediaSample媒体数据承载块，CMediaSample媒体数据承载块封装了一个指向内存区域的指针，以及Sample相关的各种属性，包括Sample的内存大小、实际数据大小、时间戳、媒体类型等。在默认情况下，CMediaSample的大小设定为一帧图像数据的长度或者一帧音频数据的长度。媒体数据承载块的作用类似于“人体内的红细胞”，它可将被测视频信号从该测试通道的输入端口分块运送到测试通道的输出端口。在运送的过程中，本测试通道则可从Sample的属性中获取被测视频信号的时间戳信息、数据大小信息、媒体类型信息等，并统计出在单位时间内运输被测视频信号的Sample个数。根据上述的原理可以得出以下结论：Sample的媒体信息数据即为被传输的高清音视频格式的信息；单位时间内传通过该测试通道的Sample个数即为视频播放的帧率；单位时间内，被测高清接口的传输吞吐量为∑Size(Sample)。(4)LabWindows综合显示单元(组件)。LabWindows是NationalInstruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的图像控件和库函数大大增强了C语言的功能。本测试系统的图形用户界面采用了LabWindows进行设计，并在音频/视频帧率、吞吐量测试组件与LabWindows综合显示组件之间建立了一条通信管道用于测试信息的交互。综合显示组件能够显示的测试结果信息包括：数字高清接口传输的视频帧率；数字高清接口传输的音频帧率；数字高清接口传输的视频格式；视频高清接口传输的音频格式；数字高清源端传输接口音视频帧率变化曲线；数字高清源端传输接口音视频数据吞吐量变化曲线。

请参阅图3，为LabWindows综合显示组件的图形化界面；此外，请参阅图4，经过LabWindows综合显示组件统计，将下显示以下视频传输质量参数：总帧数、丢帧率、平均播放帧率、传输抖动、平均传输同步偏移。

源端接口中传输的主要是音视频混合信号，测试系统首先将视频信号和音频信号区分开来，然后分别测量源端接口对视频信号和音频信号品质的的影响。源端接口视频传输信噪比测试源端接口传输的视频信号可视为在时间上连续的一帧帧静态图像。通常在视频信号经过高清接口传输后，因为受到传输过程中电气干扰或数据处理误差的影响，输出的影像与原始影像相比较都会有一定的差异。为了衡量源端接口对视频信号品质的影响程度，可以采样一些特定时间点的图像信号，通过图像的PSNR的值(峰值信噪比)来评估源端接口视频传输的信噪比，具体计算方式如下：PSNR为原图像与处理图像之间均方误差相对于(2^n-1)^2的对数值，它的单位是dB，计算公式如下：

$\mathrm{PSNR}=10\·{\log }_{10}\left(\frac{{\mathrm{MAX}}_I^2}{\mathrm{MSE}}\right)=20\·{\log }_{10}\left(\frac{{\mathrm{MAX}}_I}{\sqrt{\mathrm{MSE}}}\right)$

其中，

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{\mathrm{mn}}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|I(i,j)-K(i,j)\left|\right|}^2$

测试系统将原视频信号与采样到的视频信号归一为24位RGB格式，因此，测试时应分别计算R、G、B三原色的PSNR值。公式中，MAX的值为常数，即(2⁸–1)。m，n代表被测图像的尺寸大小，即宽度像素值和高度像素值。i，j为图像中像素的索引值。I(i，j)表示原始信号中的某一帧图像信号，K(i，j)表示经高清接口传输后的与I(i,j)相对应的图像信号。请参阅图6，根据以上公式，本发明的数字高清接口视频传输信噪比测试部分包括：(1)数字高清接口输入视频流单元，将数字高清接口输入进来的视频流送入视频流采样单元。(2)本地原始视频流单元，将存贮在本地的参考视频流送入视频流采样单元。(3)采样时间触发单元，该单元中预先设置了需要采样的各个时间节点信息，根据这些时间节点信息，该单元将对传输视频流和本地参量视频流进行同步采样，已获得同一时间点上的视频图像帧。(4)PSNR单元，根据输入进来的传输图像信号和参考图像信号按照以上提出的公式进行计算，分别计算出R、G、B三色的PSNR的值。(5)结果显示单元，该单元主要负责显示R、G、B三色信号在各个采样时间点上的PSNR曲线图，同时负责向外输出测试数据。经验数据显示，源端接口视频传输信噪比一般在80dB以上可视为源端接口传输视频信号的保真度较高。

请参阅图7，本发明的源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分对数字高清接口传输的音频信号从时域和频率的角度展开分析，其内部组成包括：(1)接口传输音频解码单元(组件)，负责对被测高清接口传输的音频信号进行解码。(2)原始音频流解码单元(组件)，负责对原始的音频信号进行解码。(3)音频流采样组件，负责对高清接口传输的音频流和原始的音频流进行同步采样，并生产相对应的音频采样序列，该采样序列的图形化显示如图8所示，图中X轴表示各个不同的时间点，单位为秒；Y轴表示信号的幅度特性，该幅度统一归一化到[-1,1]的区间内。(4)采样触发单元，负责控制音频信号采样的时间节点。(5)WAV音频文件生成单元：该单元负责将解码后的两路PCM音频流分别生成无压缩的WAV格式音频文件，供后续处理。(6)音频频率分析单元，音频信号最主要的特性为频率和强度特性，在对被测音频信号进行处理前，使用FFT算法将信号从时域转移到频域进行分析，该单元主要负责信号从时域到频率的转换，图8和9为音频频率分析单元音频信号分析的一个示例。图中X轴表示音频信号的频率，单位为Hz，Y轴表示音频信号在某个频率点上的强度，单位为dB。若在数字高清接口传输的过程中，音频信号发生信号衰减、频率偏移、数据异变等现象或者受到噪音，则被测信号的与原始信号将在以下几个方面出现差异：时域上，音频信号的波形出现一定的差异；频率上，音频信号各个频点的强度改变。

对源端接口音频传输信噪比和功率衰减的测试分别通过以下公式进行计算：

(1)源端接口音频信号传输SNR测试：

$\mathrm{SNR}={10\log }_{10}\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(X_i\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-Y_i)}^2}$

该公式中X_i表示原始信号采样获得的时间序列，Y_i表示经过高清接口传输后的信号的时间序列，N表示音频信号采样点的数目。SNR信噪比的值越大，表示音频信号音质越保真，高清接口传输过程的信号衰减越小，抗干扰性越强。目前，行业中普遍认为高保真音频信号的SNR值一般需要在80dB以上。

(2)源端接口音频信号平均功率衰减测试：本项测试用于衡量经过被测源端接口传输的音频信号在低频、中低频、中频、中高频、高频各个频段范围内，信号的功率强度的衰减程度。音频信号的频率范围一般可以分为五个频段：低频段(30～50Hz)，中低频段(30～150Hz)，中频段(150～500Hz)，中高频段(500～5000Hz)，高频段(5000～20000Hz)。针对以上每个频段按照以下公式进行计算：

$P_{\mathrm{avg}}=\sqrt{\frac{{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i-Y_i)}^2}{N-1}}$

公式中P_avg为平均功率差值，X_i为被测音频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，Y_i为原始视频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，两个序列等长，N为序列的长度。P_avg的值越小表示数字高清接口在传输音频信号的过程中，音频信号的衰减程度越小，因此传输质量越好。

Claims (5)

1.一种数字高清源端接口传输品质测试系统，包括具有数字高清源端接口的被测音视频设备，其特征在于，还包括源端接口数据传输抖动测试装置以及源端接口信号品质测试装置，被测音视频设备的数字高清源端接口分别与源端接口数据传输抖动测试装置、源端接口信号品质测试装置连接，所述源端接口数据传输抖动测试装置包括调协管理器单元、接口音视频数据采集单元、音视频筛选器单元、音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元以及综合显示单元，调协管理器单元分别与接口音视频数据采集单元、音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元、综合显示单元连接，接口音视频数据采集单元与音视频筛选器单元连接，音视频筛选器单元分别与音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元连接，音频帧率吞吐量测试单元、视频帧率吞吐量测试单元均与综合显示单元连接，所述源端接口信号品质测试装置包括源端接口视频传输信噪比测试部分、源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分。

2.根据权利要求1所述的数字高清源端接口传输品质测试系统，其特征在于，所述源端接口视频传输信噪比测试部分包括数字高清接口输入视频流单元、本地原始视频流单元、视频流采样单元、采样时间触发单元、PSNR单元和结果显示单元；数字高清接口输入视频流单元将数字高清源端接口输入进来的视频流送入视频流采样单元，本地原始视频流单元将存贮在本地的原始视频流送入视频流采样单元，视频流采样单元对传输视频流和本地原始视频流进行同步采样，PSNR单元根据输入进来的传输图像信号和参考图像信号分别计算出R、G、B三色的PSNR的值，结果显示单元显示R、G、B三色信号在各个采样时间点上的PSNR曲线图并向外输出测试数据。

3.根据权利要求1所述的数字高清源端接口传输品质测试系统，其特征在于，所述源端接口音频信号传输信噪比和功率衰减测试部分包括接口传输音频解码单元、原始音频流解码单元、音频流采样单元、采样触发单元、WAV音频文件生成单元、音频信号时域和频率分析单元；接口传输音频解码单元对被测高清源端接口传输的音频信号进行解码，原始音频流解码单元对原始的音频信号进行解码，音频流采样单元对解码后的被测高清源端接口传输的音频流和原始的音频流进行同步采样并生产相对应的音频采样序列，采样触发单元控制音频信号采样的时间节点，WAV音频文件生成单元将解码后的两路PCM音频流分别生成无压缩的WAV格式音频文件供后续处理，音频信号时域和频率分析单元负责信号从时域到频率的转换。

4.根据权利要求3所述的数字高清源端接口传输品质测试系统，其特征在于，源端接口音频信号传输信噪比为：

$\mathrm{SNR}={10\log }_{10}\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(X_i\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-Y_i)}^2}$

式中X_i表示原始信号采样获得的时间序列，Y_i表示经过高清接口传输后的信号的时间序列，N表示音频信号采样点的数目。

5.根据权利要求3所述的数字高清源端接口传输品质测试系统，其特征在于，源端接口音频信号平均功率差值为：

$P_{\mathrm{avg}}=\sqrt{\frac{{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i-Y_i)}^2}{N-1}}$

式中P_avg为平均功率差值，X_i为被测音频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，Y_i为原始视频信号经过FFT运算后所获得的数值序列，两个序列等长，N为序列的长度。