Как добиться эталонного качества передачи голоса через интернет

Голосовая связь с нами давно: первые телефоны изобрели ещё в конце 19-го века, а мобильные — в середине 20-го. В начале 2000-х начал набирать популярность ещё один способ связи — интернет-звонки. Идея по сути та же — общаться на расстоянии, только ещё проще и дешевле. Плюс онлайн-звонки дают много дополнительных функций: от возможности видеть собеседников по видеосвязи до формата, когда вы вместе смотрите кино, находясь в разных точках планеты. Технологии идут вперёд, и тем не менее мы снова и снова переспрашиваем: «Слышно меня?».

Разберёмся в статье с вопросами качества передачи голоса в звонках. Например, почему может быть плохо слышно того, кто звонит из автомобиля? В чём особенность использования динамиков вместо наушников? Что происходит со звуком участника звонка, если у него плохой интернет? Можно ли измерить качество звука в цифрах?

Меня зовут Алексей Шпагин, я более десяти лет занимаюсь VoIP-телефонией и сейчас руковожу командой бэкенда VK Звонков. Наш сервис — это бесплатное средство видеосвязи для всех пользователей ВКонтакте и не только. За день в нём проходит примерно шесть миллионов онлайн-встреч, а количество одновременных звонков достигает 15 000. Расскажу, как мы улучшаем качество звука.

Из чего складывается качество звука

Когда все собирались в переговорных, общались в коридорах или на своих рабочих местах, никаких преград для разговора не было — каждого хорошо видно и слышно. Но за последнее время общение мигрировало в онлайн, и совещания перешли в сервисы видеоконференций.

Если система видеосвязи нормально работает, мы разговариваем с людьми так же, как в жизни, ощущаем эффект присутствия. Если же при общении в звонке нам что-то мешает и эффекта присутствия нет, значит, у системы недостаточно высокое качество.

Требования к передаче звука в системе видеозвонков

Рассмотрим требования к звуку в системе для видеозвонков.

• Непрерывность звукового потока. Если звук прерывается или сильно искажается — это уже некомфортно, нет ощущения живого общения. Звук должен быть непрерывным.

• Минимальная latency. В жизни скорость распространения звука в воздухе достаточно высокая: нет задержки, которую мог бы заметить человек. Но если людей разделяет электронная система, то неизбежно возникает некоторое отставание между сказанным и услышанным — это называется latency. Latency в пределах 200 мс почти незаметна, а вот задержка в секунду и больше делает общение в режиме диалога практически невозможным.

• Отсутствие артефактов в звуке — для сохранения эффекта присутствия система не должна вносить каких-то дополнительных щелчков, треска или клиппинга.

• Достаточный частотный диапазон. Человек в среднем воспринимает звук в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. По теореме Котельникова, для адекватной передачи непрерывного сигнала частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше верхней границы нужного диапазона. Поэтому для VK Звонков мы выбрали частоту 48 кГц — используемый нами WebRTC её поддерживает.

Исторически в IP-телефонии применялась частота дискретизации 8 кГц. При такой частоте аудио звучит не очень и добиться эффекта присутствия невозможно.

Измерение качества передачи речи

Как работать с качеством и разборчивостью голоса в системе для аудио- или видеосвязи?

Мы используем оценку MOS (mean opinion score) для измерения качества звука. Это метрика от 1 до 5.

Иллюстрации в третьем столбце показывают, сколько усилий требуется слушающему для восприятия того или иного фрагмента речи. При максимальном качестве звука нужно меньше сил и энергии на расшифровку сказанного. При минимальном качестве понимать слова и смысл становится очень трудно.

Однако MOS, равный 5, недостижим — это как КПД 100%.

В системах видеоконференций и IP-телефонии аудиокодеки сжимают данные с потерями: закодировали фрагмент аудио, декодировали — и уже потеряли в качестве. И это ещё даже через интернет не передавали. 

Методики и алгоритмы измерения качества речи

В классическом варианте оценка MOS основывается на опросе людей, которых просят оценить фрагмент записи по пятибалльной шкале. У нас вкалывают роботы: автоматизированные алгоритмы предсказывают, что бы сказал живой человек, услышав тот или иной отрывок речи.

Рассмотрим, какие бывают алгоритмы и как устроено автоматическое измерение качества речи.

Первый вариант:

• достаточно высококачественный референсный сигнал подаётся в звонок; 

• выполняются процедуры кодирования и декодирования, производится передача через интернет; 

• получается искажённый сигнал; 

• референсный и искажённый сигнал сравниваются алгоритмом, предсказывающим оценку MOS. 

Второй вариант — это безреференсные метрики. Всё примерно то же самое, но алгоритм работает только с искажённым сигналом и пытается оценить его качество, не используя исходный сигнал. 

Мы ВКонтакте применяем референсную метрику ViSQOL и безреференсную метрику NISQA. Специально комбинируем эти подходы для большей объективности оценки.

Есть и другие метрики. POLQA — стандарт для оценки качества звука в системах WebRTC и им подобных, но это закрытое вендорское решение. AQuA — позиционируется как аналог POLQA. Но наши тесты показали, что на определённых кейсах AQuA ведёт себя хуже, чем POLQA. 

Также упомяну PESQ — устаревшую метрику, которая очень широко применяется в VoIP-телефонии. Но, к сожалению, она применима только на 8 и 16 кГц частоты дискретизации — нам это не подходит.

Стенд для измерения качества звука в VK Звонках

Вот так устроен наш стенд для изменения качества звука:

• слева пользователь — это разработчик или QA-инженер, который хочет измерить качество звука;

• инженер запускает job в TeamCity;

• TeamCity дёргает двух ботов — тестовых клиентов в облаке. Первый бот делает звонок, второй его принимает;

• звонок проходит через наш сервис, и первый бот, который делал звонок, начинает проигрывать референсный файл; 

• этот сигнал, проходя через интернет и VK Звонки, претерпевает какие-то искажения; 

• бот, который принимает звонок, записывает принятый искажённый сигнал;

• затем референсный и искажённый сигналы подаются на алгоритм оценки, полученная метрика попадает обратно в TeamCity, в котором наш пользователь наблюдает результат измерения в терминах MOS. 

Важный момент: в схеме есть облачко, обозначающее интернет. Это действительно честный интернет, то есть тестовые клиенты отделены от сервиса интернетом, они не находятся в одном и том же дата-центре и не ходят в сервис по локальным IP-адресам. При тестировании на стенде с интернетом проявляются все связанные с ним проблемы.

Примеры проблем при передаче звука

Рассмотрим две группы: проблемы, связанные с особенностью передачи данных через интернет, и проблемы акустического характера.

Сетевые проблемы

Данные по сети передаются пакетами: мы получаем звук с микрофона пользователя, нарезаем на небольшие кусочки, как правило, по 20 мс, которые пакетизируются и отправляются в виде UDP-пакета. Ниже на схеме передатчик последовательно отправляет пакеты: P1, P2, P3 и так далее.

Обратите внимание, что передатчик отправляет данные равномерно, поэтому на схеме слева расстояние между пакетами одинаковое. Дальше пакеты попадают в интернет — и приходят к приёмнику не так гладко, как нам бы хотелось.

• Пакеты могут теряться. На схеме пакет P4 помечен как потерянный.

• Пакеты могут «дрожать», то есть приходить через неравные промежутки времени. Например, пакеты Р1 и Р2 практически слиплись. Р3 от них отстаёт, а Р5 за счёт потерянного Р4 отстаёт ещё больше.

• Пакеты могут задерживаться или меняться местами. Например, на схеме пакеты Р1 и Р2 переставлены местами, сначала пришёл P2. 

Если мы используем мобильный интернет, то проблемы усиливаются. При хорошем Wi-Fi перебоев меньше, на проводе — ещё лучше. Поэтому качество связи в интернет-звонках напрямую зависит от типа выбранного соединения. 

Как компенсировать сетевые проблемы

Первый, самый базовый механизм — это Jitter Buffer. Jitter Buffer выравнивает трафик, накапливает некоторое количество пакетов и компенсирует дрожание. Он может подождать какой-то пакет, если тот задерживается или переставлен местами с другим пакетом и так далее.

Но есть нюанс: слишком большой Jitter Buffer увеличивает задержку. Поэтому мы вынуждены держать баланс между размером Jitter Buffer и latency.

Вторая, менее стандартная техника — это NACK (negative acknowledgment). Мы привыкли к acknowledgment’ам, подтверждающим, что данные получены. В этом случае на каждый пакет в обратную сторону отправляется acknowledgment. Однако в real-time коммуникации мы не можем себе такого позволить, так как это будет тормозить трафик и бесконтрольно увеличивать latency. Потому вместо обычного ACK применяем NACK — отправляем обратно запрос, только когда недосчитались какого-то пакета. Ниже на схеме иллюстрация механизма negative acknowledgment.

Что видим на схеме:

• от передатчика последовательно идут пакеты Р1, Р2, Р3. Но Р4 потерялся; 

• приёмник понимает, что Р4 потерялся, только когда получил следующий пакет Р5; 

• как только приёмник получил Р5 и увидел пробел в последовательности, он отправляет NACK; 

• тем временем передатчик продолжает отправлять пакеты Р6, Р7, Р8;

• передатчик принимает NACK, понимает, что нужно заново отправить P4, и делает ретрансмит.

Отличная схема, но она будет хорошо работать только на коротких RTT. Не всегда возможно дождаться ретрансмита из-за ограничений на latency и Jitter Buffer — мы не можем вечно ждать потерянный пакет.

Третья технология — это FEC (forward error correction). При кодировании в bitstream добавляется дополнительная информация, которая позволит компенсировать небольшие потери. FEC, в отличие от NACK, хорошо работает и на больших RTT. 

Из таблицы с результатами эксперимента видно, что в условиях packet loss = 5% и без FEC оценка MOS = 3,94, с включённым FEC — MOS = 4,19. Конечно, мы вывели эту фичу в продакшен.

Ещё один способ борьбы с сетевыми проблемами — это RED (Reduandancy). Он чем-то похож на FEC, но они работают на разных уровнях. FEC — на уровне кодека, а RED — на уровне RTP. В один RTP-пакет помещается 2 или более аудиокадров.  

Профит RED проверяли на большем проценте потерь пакетов, который эмулирует неважную сеть: packet loss = 10%, delay = 200 мс. С включённым RED оценка MOS существенно выросла — с 3,6 до 4,14. Естественно, это тоже вывели в продакшен.

И последний из инструментов компенсации сетевых эффектов — это PLC (packet loss concealment). Он приходит на помощь, когда с точки зрения сети уже сделать ничего нельзя: пакет окончательно потерялся и образовался разрыв в данных. Алгоритмы PLC позволяют достроить недостающий фрагмент — по сути, придумать, какой звук там мог бы быть. На иллюстрации это пунктирная линия.

Если пропусков мало и они недлинные, то мы даже не услышим PLC. Но если packet loss большой, то работа PLC проявляется в виде металлического призвука в голосе.

Акустические проблемы

Прежде всего, это внешние шумы. Они повсюду.

Например, вы звоните из транспорта, из офиса, когда рядом кто-то разговаривает, из автомобиля, с шумной улицы или даже из дома, где сосед что-то сверлит. Сервису конференц-связи нужно уметь подавлять шумы и оставлять только полезный сигнал — голос. Для этого мы используем в VK Звонках свой шумодав, основанный на machine learning. 

Шумоподавление

Качество шумоподавления мы проверяем таким экспериментом: 

• сначала берём качественный референс без шумов, прогоняем через нашу систему и получаем некоторую оценку MOS = 3,91;

• потом к исходному сигналу подмешиваем шум — например, лай собаки. Причём по громкости сопоставимый с полезным сигналом, то есть достаточно навязчивый. Прогоняем через систему, получаем MOS = 1, т. е. самый плохой звук, в котором практически невозможно разобрать речь; 

• далее берём референс, шум и прогоняем через нашу систему, но с включённым шумоподавлением. Получаем MOS = 2,79.

По абсолютному значению MOS ≈ 3. Конечно, не идеально, но это качественно лучше, чем без шумоподавления — из неразборчивого сигнала мы сделали вполне разборчивый.

Voice activity detection

Voice activity detection, или VAD — детектор речи, позволяющий отдельно обрабатывать речевой и неречевой сигнал. Например, не отправлять в сеть тишину. Мы имплементировали собственный VAD на базе machine learning некоторое время назад, и его обновления также проверяем на тестах. 

Результат тестированияВ этот раз оценка MOS с VAD получилась немного хуже, чем без него. Поэтому решили ещё доработать модель и новую версию в продакшен не пустили.

Signal to Noise Ratio

Примерно такая же ситуация с SNR (Signal to Noise Ratio). Дело в том, что шумоподавление не только отрезает шум, но и немного ухудшает качество исходного сигнала, даже если в нём не было исходного шума. Если человек сидит в тихом помещении и с хорошим микрофоном, то шумоподавление для него может быть избыточным и в итоге негативно скажется на качестве звука.

SNR оценивает соотношение сигнала и шума, а затем решает, надо включать для этого пользователя шумоподавление или нет.

Мы включили SNR вместе с VAD, и измерения показали, что стало немного хуже. Поэтому ей тоже пока дали красный свет. Будем дорабатывать и дообучать модель.

Акустическое эхо

Вот как появляется эхо в звонке: пользователь слушает собеседников через динамики, и всё, что ему говорят во время звонка, попадает в микрофон. Кроме того, сигнал от динамиков переотражается в комнате и также попадает в микрофон. Сам пользователь тоже может при этом что-то говорить. Таким образом, микрофон принимает смесь сигнала из динамиков, отражённого сигнала и того, что человек говорит. Если не применять каких-то специальных средств, вся эта смесь попадёт в звонок, и другие участники будут слышать себя через первого пользователя. Мы боремся с этим эффектом с помощью эхоподавления.

Используем стандартное эхоподавление от WebRTC, плюс у нас есть фишка: когда первый пользователь начинает что-то говорить, мы немного приглушаем его динамик. Так уменьшается громкость попадания сигнала в микрофон, и переотражение может затухнуть, не дойдя до микрофона (или дойти с очень слабой амплитудой).

В целом проблема double talk, когда два человека пытаются поговорить одновременно и сидят с динамиками, актуальна в мировом масштабе. Для нас это пока тоже некоторый челлендж, но мы с этим работаем.

Применение инструментов измерения качества голоса

Мы можем использовать описанный выше стенд для измерений в разных окружениях — лабораторном, на стейджинге или в продакшене: 

• при разработке какой-то фичи мы можем на dev-окружении измерить качество звука и сделать объективные выводы; 

• можем в рамках регрессионного тестирования перед релизом прогнать измерения и убедиться, что качество аудио стало лучше или как минимум не упало;

• можем сравнить две версии продукта, например, если есть подозрение на деградацию, начиная с какого-то релиза;

• можем оценить эффект от новой фичи на продакшене: с помощью фича-тоггла включать и выключать какую-то фичу, делать измерения и выводы, помогает нам она или нет, делает ли качество звука выше;

• мониторим продакшен: регулярно запускаются два тестовых клиента, через продакшен-окружение один звонит другому, происходит оценка качества звука, за которой мы постоянно следим.

Итоги

• В интернет-звонках важно в первую очередь качество передачи речи. Чтобы его оценить, используется метрика MOS, основанная на опросах, и алгоритмические метрики, позволяющие программно оценить MOS. Существуют референсные и безреференсные метрики — в VK Звонках мы используем оба варианта: ViSQOL и NISQA.

• Проблемы, связанные с особенностью передачи данных через интернет, помогают компенсировать технологии: Jitter Buffer, PLC, NACK, FEC и RED.

• Проблемы акустического характера нивелируем с помощью VAD, SNR, нейросетевого шумо- и эхоподавления. 

• Инструменты измерения качества голоса можно применять на всех этапах разработки, на dev-, staging- и production-окружениях. Это позволяет оценить результаты от внедрения каждой фичи, провести регрессионное тестирование, сравнить разные версии продукта и мониторить качество звонков на продакшене.

Эта статья написана по мотивам доклада на HighLoad++ в ноябре в Москве. На следующей конференции — Saint HighLoad++ 2023, 26–27 июня в Санкт-Петербурге — выступлю с продолжением истории и расскажу о способах объективной оценки качества видео. Пишите в комментариях, что вам было бы интереснее всего узнать по теме, и приходите слушать :)