超低延时编解码延时测试方法研究

超低延时编解码是一种在质量、复杂度和延迟间达到均衡的浅压缩方案。本文着重对超低延时编解码系统的延迟测试方法进行探索和研究，并通过实验取得结果数据。

作者：国家广播电视总局广播电视规划院 欧臻彦 刘汉源 陈玲玉 王倩男
来源：选自2022年第9期《现代电视技术》

在以往MPEG-2、H.264、AVS系列编解码系统中，相对编解码延时，使用方更关注图像的压缩比。这些系统的编解码延时普遍在秒级别（一般是1s到5s）。

随着一些超低延时编解码方式问世后（如JPEG-XS等），使用方不再追求极限压缩比，而更倾向于在质量、复杂度和延迟间达到均衡。超低延时编解码系统的延时可以达到毫秒级别（1ms到50ms）。本文着重对超低延时编解码系统的延迟测试方法进行探索和研究，并通过实验取得结果数据。

一、利用时码信号测试编解码系统延迟的方法

在以往的编解码系统延时测试中，对系统延时的测量主要是利用时码信号来完成的。将带时码信号源输入至被测编解码系统，在显示设备上重现图像。通过截屏或是拍照的方式比较时码信号源和显示设备画面上时码之差，这个差值在去掉系统误差后即为被测编解码系统产生的延迟。

使用时码信号进行测试的优点是简单直接。一方面，时码信号源可通过非编工作站在指定视频上叠加时码信号生成，信号源简单易得。另一方面，就可以直观实时地得到被测编解码系统的延时。

使用时码信号进行编解码系统延时的单位是帧，对于1920×1080/50I高清信号，每帧对应40ms；对于3840×2160/50P超高清视频信号，此时每帧对应的信号延时为20ms。

值得注意的是，时码信号源在一些显示设备上显示也可能存在1~2帧的延迟。测试时应去除这方面的误差。另外，使用该方法进行测试，有时候会出现跳帧的情况。测试方法本身可能存在2~3帧左右的误差。对于超低延时编解码系统，利用时码信号测试系统延时，测试结果本身的不确定性已经无法满足测试需求。

二、利用AV Delay测试模块测试编解码系统延迟的方法

AV Delay测试模块本来用于测试视频和嵌入音频信号之间的时延差。在一些使用场景，如制作系统，需要先使用解嵌器将嵌入音频信号从SDI信号中分离出来，视频信号和解嵌出的音频信号（通常是AES）经过不同的信号链路处理后，使用加嵌器重新将音频AES信号嵌入视频SDI信号中。

此时视频信号和音频信号可能会出现不同步的现象，就是俗称的声画不同步。在对系统重新设计下可以利用AV Delay测试模块来测试编解码系统的延迟。

在测试前首先应对实验环境产生的延迟进行测量，视音频信号源输出带嵌入音频的视频信号并开启AV Delay模式，经解嵌器将嵌入音频信号从SDI信号中分离出来后，使用加嵌器重新将音频AES信号嵌入视频SDI信号中，在视频分析仪中使用AV Delay Measurement测试此时视频信号和音频信号的差值并记录为测试数据1。测试框图如图3所示。

将解嵌器的视频输出接入至被测编解码系统的视频信号输入端，测试此时视频信号和音频信号的差值并记录为测试数据2。测试框图如图4所示。

测试数据2与测试数据1的差值即为被测编解码系统的视频延时。测试的精度可以达到ms级别。

三、利用同步测试模块测试编解码系统延迟的方法

同步测试模块本来用于测试视频和同步信号之间的时延差。在同步信号稳定的情况下，可以利用同步测试模块来测试编解码系统的延迟。

与其他测试编解码系统延迟的方法一样，在测试前也应对实验环境产生的延迟进行测量。视频信号源输出视频信号，同时输出同步信号直接接入视频分析仪，在视频分析仪中打开同步测试模块测试视频信号与同步信号间的时延差并记为测试数据1。

将视频信号源的视频信号经过被测编解码系统后输出至视频分析仪，在视频分析仪中打开同步测试模块测试视频信号与同步信号间的时延差并记为测试数据2。测试数据2测试框图如图6所示。

测试数据2与测试数据1的差值即为被测编解码系统的视频延时。测试的精度可以达到ns级别。

四、超低延时编解码测试信号延时的现场实验

为验证测试方法的可行性，进行了现场实验。实验使用的测试设备如表1所示（注：应超低延时编解码系统提供方要求，本文不标注超低延时编解码系统的型号信息）。

类型为4×3Gbps SDI，映射格式为SQD，被测超低延时编码器与解码器间采用RJ45直连，被测超低延时解码器将SDI信号输出至视频分析仪，接口类型为4×3Gbps SDI，映射格式为SQD。

被测编码器延时参数分别设置为0μs、500μs、1000μs、2000μs、3000μs，使用上述3种方法进行测试，测试结果如表2所示。

由测试结果可发现：

◆对于超低延时编解码系统，使用时码测试方法已难以进行有效甄别，只有使用AV Delay测试模块和同步测试模块才能够对超低延时编解码系统不同的延时值进行测试；

◆使用AV Delay测试模块和同步测试模块对超低延时编解码系统测试，测试结果差别在1ms以内；

◆当系统延时参数设置为0μs时，测试结果明显不符合预期，初步推断系统被测延时参数设置为0μs时，并非为系统延时最小的情况，而是对系统延时不进行处理。

从表3可以发现，当从超低延时编解码系统延时增量设置来考虑时，使用AV Delay测试模块和同步测试模块的方法与被测设备参数设置的预期相比较，展现出了良好的一致性，这也从侧面验证了这两种测试方法的可靠性。

五、结束语

超高清视频产业在我国的应用已呈现多平台、多方向的发展势头，浅压缩技术也随着技术发展不断成熟，后续可以利用图像质量分析技术和延时测试手段在质量和延迟间找到平衡，为我国超高清视频产业的规划发展及参数设置提供帮助。

本文受国家重点研发计划资助（National Key R&D Program of China），“4K超高清电视制播系统研制”项目，项目编号：2019YFB1804300（课题一：2019YFB1804301）。