Allion Labs / Abel Hsu

藍牙(Bluetooth)是一種現今相當普及的無線傳輸標準,是透過短波超高頻(UHF)無線技術,以2.4GHz的頻道進行無線通訊,透過這個無線技術標準連接裝置。其中,聲音傳遞在藍牙通訊中是相當重要的一部分,藍牙經過不同版本的發展,除了支援無線通話並透過A2DP等技術來來傳遞聲音外,也發展出許多應用裝置,例如藍牙耳機或喇叭等相關無線設備。

近年來平板與智慧手機的發展快速,人人都可以透過手持裝置來觀看各種不同的影音平台,也越來越多人會使用無線耳機來擺脫傳統耳機的有線束縛,讓使用者有更舒適的影片觀賞體驗。然而,在操作體驗中,影音不同步,是較為明顯的且常見的問題;原因除了可能是受到影音解碼效能的影響外,最為常見的,即是無線傳輸不良所造成。

避免影音延遲 從影音同步測試著手

影音延遲是最容易直接影響使用者感受的問題,如果影音兩者之間的延遲太過明顯,則會立即反映在使用者感受之上,甚至會比畫質與音質的感受更為強烈。

影音同步測試的概念,是要驗證影片中聲音軌與影像軌之間的相對時間。簡單來說,例如影片第5秒會出現一個擊鼓的動作,而第5秒相對應就應該同步出現鼓聲的聲音;如果第5秒擊鼓時的聲音延遲到5.1秒才發出,這就代表出現了100ms的延遲。或許有人會疑惑:影音延遲到多長的時間會感受到影響?以一般使用者來說,超過500ms(0.5s)就是一個相當大的延遲;正常狀況來說200ms(0.2s)的延遲誤差是不容易發現的。優良的延遲必須控制在100ms(0.1s)內,而找出聲音和影片的延遲就是「影音同步測試A/V Sync (Lip Sync) Test」的主要概念。

影響無線傳輸的干擾

藍牙無線技術主要透過2.4GHz~2.485GHz來進行與設備之間的通訊,由於2.4G無線同時也運用在IEEE 802.11 Wi-Fi無線技術當中,因此頻寬相近就會有互相干擾的可能。而Wi-Fi 2.4G又存在不同頻寬模式「HT (High Throughput)」,「壅塞度 (Congestion Rate)」也會影響無線傳輸。綜合以上變數可以了解,無線傳輸干擾也有著不少潛在風險。若讓無線傳輸和有線傳輸相比,無線傳輸會存在較大的延遲誤差,而新的無線傳輸技術也下了許多功夫來克服延遲;然而不諱言,這些可能的無線延遲,仍是影響影音同步的常見因素之一。

影音同步量測解決方案

量測影音同步「A/V Sync (Lip Sync)」有幾種方式,第一種是傳統的人力監測,透過人的感官去體驗是否有出現明顯的影音延遲,不過這個方式可靠度相對較低,因為透過人的感受本身就存在一定程度上的誤差。另外一個是透過高影格(幀數)錄影影片分析,來計算影音之間的誤差。這個方式具有一定的準確度與可信度,可透過解析影格來找出延遲誤差,但相對來說,也是相當耗時。

另外也有一種較為可靠的方式,即為透過透過光感應器(Light sensor)和聲音感應器(Sound sensor)來即時偵測影音延遲誤差,這也是本文後續所採用的影音分析技術與設備。

透過影格偵測設備,光感應器和聲音感應器可以偵測特定的影格同步影片,來計算出影音之間的誤差。百佳泰更透過技術優化減少人工設定所產生的架設誤差可能,並讓量測時間更加彈性,可針對不同需求,因應不同長度、影片素材和編碼來分析,使這套標準量測設備更加彈性和合乎需求。

實際藍牙音訊測試設計

因應使用者行為改變,越來越多人使用線上串流平台觀看影片,因此我們設計了一個以串流平台為主要撥放軟體的應用測試,選定播放平台並規劃撥放設備和環境。

<Streaming Service>

影響無線傳輸的成因有很多類型,此次設計我們採用幾組無線干擾來對比。第一組是無干擾環境,設備架設在屏蔽室(Shielding Room)裡面來排除無線干擾,雖然真實世界中不會有無干擾的情況,不過這樣的測試數據可做為對比基準值。

 

再來就是無線干擾的設計對照組,目前主流的Wi-Fi頻道為2.4G和5G,為考慮到符合實際狀態,我們也採用了基於這樣的頻道設定來規劃。第一種是2.4GHz搭配頻寬模式HT(High Throughput) 20,第二種是5GHz搭配頻寬模式HT(High Throughput) 40。另外,針對網路使用量升高時的壅塞度 CR(Congestion Rate),我們選定了50%這樣的範圍來,驗證實際網路壅塞時的干擾程度。這樣的測試條件,主要目的就是希望能達到使用者真實體驗的無線網路干擾環境。

<Wi-Fi mode & Congestion Rate>

 

這次的影音同步測試,我們針對不同OS平台各挑選兩隻主流手機,共四隻手機來測試。接下來就是選擇藍牙裝置,第一種選擇為藍牙耳機(BT Headsets),第二種是藍牙喇叭(BT Speaker),第三種則是支援藍牙的家庭劇院(BT Audio/video receiver (AVR)),這三種已經涵蓋到一般使用者主要會使用到的藍牙音訊設備。

<Phone and OS>

<Bluetooth Device Type>

藍牙音訊測試結果分析

從下面數據可以發現,各種不同類型的串流平台,即便是使用相同的測試影片,透過不同的手機組合和藍牙設備的搭配,影音延遲表現也不盡相同。以無干擾環境下來看,此次測試表現來說,藍牙5.0規範為主的藍牙耳機和手機之間的平均延遲表現,多半能控制在200ms當中;以一般使用來說,這是一種不容易察覺延遲的性能表現,對於高效能的低延遲要求,建議以達到100ms的低延遲做為標準。藍牙喇叭的測試結果顯示,延遲都可以控制在200ms當中,符合期待。最後是藍牙Audio/video receiver (AVR),在沒有無線干擾的環境下,也是可以控制在平均200ms延遲當中。

當我們加入干擾後,可以看出來無線環境干擾的確會對無線連接的設備產生一些相對應的影響,大部分的設備都能控制在200ms以內,也代表這些產品設計上都有程度上的抗干擾能力。不過,我們可以從數據中看到有一些設備平均延遲會大於200ms,這樣的延遲就相對容易被某一部分的使用者察覺,如果延遲超過500ms,使用者就會明顯感受到延遲,造成會不良的使用表現。

<Normal> 單位: ms (millisecond)

<2.4G / CR 50%> 單位: ms (millisecond)

<5G / CR 50%> 單位: ms (millisecond)

從藍牙應用裝置的影音同步測試結果,可以發現,真實世界的無線干擾環境是有可能會影響產品表現的關鍵因素。這次的干擾選擇設定在固定的頻寬模式HT(High Throughput)和壅塞程度(Congestion Rate),如果能透過更多樣的頻寬模式或是不同程度的網路壅塞率,則可以找出更多可能影響無線溝通連接的關鍵因素。百佳泰透過多年測試認證經驗,可以為客戶設計完善的網路測試環境,提供完整的測試服務和數據分析,讓合作的客戶能得到有效和滿意的測試結果,進而幫助產品開發和效能提升。