關于光源色度參數對體育比賽電視轉播圖像質量影響的研究

李興林 李炳華 董青 楊慶偉 劉娜 張巧玲

(中建國際設計顧問有限公司，北京 100013)

1 引言

根據原建設部建標2008［102］號文件，有作者單位主編的《體育建筑電氣設計規范》編寫組針對目前國內外關于體育場館照明設計中，光源色溫、顯色指數選擇的爭議確立了《關于光源色度參數對體育比賽電視轉播圖像質量影響的研究》的科研課題，現在課題研究已完成。現把研究成果匯報如下:

2 課題背景

隨著廣播電視技術的發展，電視機由黑白電視、彩色電視、數字電視發展到今天的高清數字電視。由于競技體育的觀賞性，到比賽現場或通過電視轉播觀看大型賽事的人群眾多，體育賽事的轉播越來越受到人們的喜愛。眾多商家也借助大型賽事進行廣告宣傳。而商家的廣告又成為大型賽事的主要經濟來源。因此在體育場館設計中，體育比賽電視轉播圖像質量必須保證滿足運動員、裁判員、現場觀眾、電視觀眾以及商業廣告的需要。體育照明設計在體育場館的設計中占據著越來越重要的位置。

現在國內很多規范對具有電視轉播要求的體育場館照明都有規定，比如按照《電視演播室燈光系統設計規范》的規定，彩色電視照明要求光源的顯色指數不低于85。《體育場館照明設計及檢測標準》中對于有重大電視轉播要求的場館照明也要求光源的顯色指數不低于80。這就導致現在國內的設計師普遍認為如果光源的顯色指數低于80，電視轉播彩色畫面的色彩質量就會受到較大影響。然而現在國際上高清電視轉播對體育場館照明顯色指數與色溫的要求也是不一致的，出現了歐美兩大流派，一些國際組織相關文件對這一問題也存在著爭議。一方認為顯色指數不小于65就可滿足電視轉播圖像質量的要求，而另一方認為顯色指數不小于80才滿足電視轉播圖像質量的要求。

基于以上問題的爭議，我們特別邀請了國內在光源、燈具、照明設計、體育工藝、電視攝像與燈光等各方面的專家共同參與課題的試驗、研究，得出了比較準確、合理的試驗結論。

3 課題的研究方法

該課題的研究內容是研究體育場館光源的色度參數色溫、顯色指數對電視轉播圖像質量的影響，其中主要是電視圖像色彩還原質量的影響。既不單純是體育場館光環境的主觀評價，也不單純是電視圖像質量的主觀評價。而是通過評價電視轉播圖像質量來評價光源色溫、顯色指數對電視轉播圖像色彩還原質量的影響。所以根據現有的評價光環境、評價圖像質量的方法標準，確定合適的評價方法，是課題必須解決的首要問題。

3.1 電視圖像質量標準及其評價方法

電視轉播圖像質量的評價方法分為主觀評價方法與客觀評價方法。客觀評價又分為畫面質量評價與聲音質量評價。由于電視轉播聲音效果與場館照明無關，所以本課題不予研究。

3.1.1 電視圖像主觀評價方法

由于電視面向觀眾，電視觀眾群體的心理感受是檢驗電視圖像質量的基礎。實驗心理學指出，在感覺測試中，相對判斷比絕對判斷更加穩定、可信度更高，所以圖像質量的評價主要采用主觀評價。

主觀評價分為質量等級評定和損傷等級評定兩種方式。它們都是針對圖像的逼真度、可懂度和總體感覺等3個方面來進行評價。這3個方面能夠涵蓋圖像信號的亮度、對比度、清晰度、顏色平滑度、實時性等指標。高清數字電視圖像質量分為5級，優、良、可、差、劣。圖像質量損傷標度分為五級:不察覺，可察覺、但不討厭，稍有討厭，討厭，非常討厭。主觀評價方法主要有雙刺激連續質量標度法 (DSCQS)、雙刺激損傷標度法 (DSIS)，還有單刺激方法、刺激比較法和單刺激連續質量評價法等方法。這些主觀評價方法都有其各自的優點和局限性，目前還沒有一種公認的、通用性強的主觀評價方法。在實際應用中，可以針對不同的評價目的選擇不同的評價方法。雙刺激測試方法采用了原始基準圖像，可獲取更為準確的主觀評價結果，因此，在數字電視圖像質量的主觀評價中，一般多采用DSCQS和DSIS作為評價方法。

(1)雙刺激連續質量標度法 (DSCQS)

在這種評價方法中，需要對每個測試圖像兩種狀態進行評分。其中一個來自信號源的基準圖像，另一個是被測的圖像。基準圖像與被測圖像先后次序以偽隨機方式變動，觀看員只對圖像的總體質量評分，評價兩次或多次。

(2)雙刺激損傷標度法 (DSIS)

在這種評價方法中，把被測圖像與基準圖像混合排序，觀看員根據基準圖像對被測圖像的損傷情況進行評價。

3.1.2 電視圖像客觀評價方法

客觀評價主要是使用一些儀表或工具來對圖像清晰度、幀速率、延時、運動補償等指標進行定量評價。

由于主觀評價結果容易受測試環境、觀看員、評價方法等多方面因素的影響，實施過程比較復雜，影響了其在實際中的廣泛應用，更無法實現實時在線的視頻質量測量，所以對電視圖像質量除了需要進行主觀評價外，一般還可進行客觀評價。

客觀評價方法大致可以分為:傳統的客觀評價方法與基于視覺感知模型的客觀評價方法。電視圖像質量客觀評價方法還處于進一步研究過程中，目前還沒有一個國際公認的、通用的客觀評價方法。

(1)傳統的客觀評價方法:傳統的客觀評價方法主要以均方誤差 (MSE)、峰值信噪比 (PSNR)、加權均方誤差 (wMSE)等方法為代表。雖然在某些測試環境下，上述算法所獲取的評價結果與主觀感受并不完全一致，但在大多數情況下，其測量結果還是比較可信的。更由于這些算法計算簡單，結果直觀，因此至今仍被廣泛采納。

(2)基于視覺感知模型的客觀評價方法:要想獲得與主觀評價有較高相關性的客觀評價結果，在客觀評價算法的設計中必須考慮人眼視覺系統(HVS)的感知特性和視覺心理特性。在目前的客觀評價研究中，根據對無失真原始視頻基準圖像的依賴程度，可以大致將算法分為以下3類:

① 全參考視頻質量評價 (FR—VQM):在受損視頻圖像序列和原始圖像序列之間進行逐幀逐像素的比較，將得到的差值數據進行視覺濾波和統計分析，由此確定受損圖像的損傷程度。Sarnoff實驗室提出的JND模型是這種方法的典型代表。FR—VQM算法評價結果相對準確，但運算時空代價大，因此不適合實時的質量測量。

② 縮減參考視頻質量評價 (RR—VQM):不需要全部的原始圖像作為參考，只定義并提取原始圖像序列的指定特征參數，對受損圖像序列也提取同樣的特征參數，通過特征參數的統計分析來獲取受損視頻的評價結果。NTIA開發的標準清晰度視頻序列的VQM模型是這種方法的典型代表。

③ 無參考視頻質量評價 (NR—VQM):無需任何原始圖像的信息，直接對被測視頻圖像進行分析和評價。實際應用中可以將NR—VQM分為兩類:

a.不需要解碼，直接分析傳輸流中的壓縮碼流，通過提取指定特征參數，來分析和評價圖像質量。

b.對解壓縮后的視頻圖像進行分析 (即基于像素的分析)，尋找諸如塊邊緣，水平和垂直邊緣能量或圖像模糊等技術指標，進行質量評價。NR—VQM具有速度快、可實現實時在線評價等優點。

3.1.3 主觀評價與客觀評價

客觀評價方法結果只有在與主觀評價結果有較高一致性的情況下，才有可能取代主觀評價過程。目前對電視圖像質量的評價主要采用主觀評價方法。

3.2 影響電視轉播圖像質量的因素

電視圖像質量可分為清晰度與色彩還原兩方面。

(1)影響電視轉播圖像質量的因素

從電視轉播信號流程來分析，從攝像機、轉播車、電視臺、電視衛星、地面站、空中及地面信號的傳輸、一直到電視接收機，對于后續播放的體育比賽電視節目還有錄制設備，這些設備都可能影響電視轉播圖像的質量。

(2)影響電視轉播圖像色彩還原質量的因素

這其中對電視信號色彩還原影響比較大的技術環節有體育場館的光環境、攝像機的色彩還原性能、電視機的顯示元件及屏幕的色彩還原性能。工程經驗證明信號傳輸對色彩還原影響不大，可以忽略。如果我們采用色彩還原性能符合要求的攝像機、電視接收機，就可忽略攝像機、電視接收機對電視轉播圖像色彩還原的影響，就可通過電視圖像來評價場館的光環境對圖像質量包括色彩還原質量的影響。

(3)場館照明光源色度參數對電視圖像色彩還原的影響

體育場館照明光源的色度參數包括色表、色溫(相對色溫)、顯色指數，對場館電視轉播圖像色彩還原影響的主要是光源的色溫 (相關色溫)、顯色指數。

3.3 課題研究方法的確定

通過以上分析可以得出以下結論:

(1)評價電視轉播圖像質量，包括評價色彩還原質量，需要通過評價電視觀眾的總體感受即評價電視圖像的總體質量來實現。

(2)評價電視轉播圖像色彩還原質量需要采用主觀評價方法。

(3)可以通過評價采用不同色溫、顯色指數光源場館的電視轉播圖像質量來評價光源色溫、顯色指數對電視轉播圖像色彩還原質量的影響。

4 課題對電視轉播圖像質量的評價方法

4.1 參考標準

由于本課題中的評價方法尚無標準可依，故本課題試驗主要參考、借鑒以下標準:

(1)GY/T134—1998《數字電視圖像質量主觀評價方法》

(2)GB/T22123—2008《數字電視接收設備圖像和聲音主觀評價方法》

(3)GB/T12454—2008《視覺環境評價方法》

(4)ITU—R BT500—11《電視圖像質量主觀評價方法》

(5)ITU—R BT710—4《高清晰度電視圖像質量的評價》

(6)ISO/IEC13660—2001《信息技術、辦公設備、硬拷貝輸出圖象質量屬性的測量二進制單色文本和圖象》

4.2 節目源

由有關電視臺提供的電視轉播錄像片段共10段，其中1段錄像用于演示，給觀看者講解評價方法、要求和注意事項;其余9段錄像用于評價。這10段錄像分別為不同顯色指數和色溫條件下的錄像。這些錄像節目拍攝的光環境既有色溫5500K、顯色指數90的場館，也有拍攝的光環境為色溫4000K、顯色指數65的場館。由于電視錄像由國際知名電視臺所直播，且為職業性比賽，場地照明的照度、照度均勻度均滿足電視轉播要求。錄像片段只提供畫面，不提供場館任何光環境參數，以便觀看者客觀評價。

運動項目有足球、籃球、橄欖球、冰球等。

4.3 觀看者

(1)與會專家15名，包括:光源、燈具、照明設計、體育工藝、電視攝像與燈光等各方面的專家。

(2)非專業人員，共計55人，包含各年齡段、不同學歷人員。

(3)觀看者對各段錄像節目拍攝場地的光環境并不了解。

觀看者總計70人，具有相當的廣泛性和代表性。其中專家15人，占21.4%;非專業人士，即普通觀眾55人，占78.6%。男性觀看者37人，占近53%;女性過47%，達33人。30歲及以下的青少年共計40人，占絕大多數，符合年輕人熱愛體育運動的特點，達到58%;30～40歲的中青年共計17人，占24.6%;40～60歲的中老年群體也有7人，占10%強;60歲以上的老年人共5人。詳見圖1。

4.4 播放系統

一個節目源，兩臺液晶電視機、兩臺液晶顯示器，同時播放，如圖2所示。電視機用于觀看者觀看，顯示器用于工作人員觀看。

4.5 觀看環境與距離

觀看者垂直距離顯示屏的距離為4～6倍圖像高度，觀看員的座位布置在電視機中垂線±30°的水平方向內。觀看錄像節目時關燈 (見圖3)。

4.6 評價程序

4.6.1 專家評價程序

① 播放一段錄像做演示;

② 播放第一次錄像，共9段。各位專家按逐段錄像分別評價。專家按自己的主觀感覺對9段錄像分別進行評價。評價分為5級:優、良、一般、較差、差;

圖1 觀看者人員構成

圖2 播放系統框圖

圖3 觀看者位置示意圖

③播放第2次錄像，各位專家按照上一步方法逐段評價。

4.6.2 非專業人員評價程序

① 播放演示錄像;

② 逐段播放其余9段錄像，并按照專家評價的方法和步驟逐段評價;

③ 播放第2次錄像，進行第二次逐段評價。

4.7 數據處理

4.7.1 匯總統計

① 等級分值:優 100，良 80，一般 60，較差40，差 20;

② 按錄像段分別統計計算分值;

③ 同一觀看者對同一段錄像前后兩次評價差兩級 (即差40分)時，該觀看者的評價作廢;

④ 按顯色指數為65、色溫4000K與顯色指數90、色溫5500K分別統計計算。

4.7.2 計算

(1)每一段錄像圖像質量的平均值:

式中 U——每一段錄像圖像質量評分;

n——有效問卷的數量;

P—— 評價次數;

ui——第i個觀看者評價分值。

(2)光源顯色指數為65、色溫4000K的錄像圖像質量的平均值U65:

式中 U65——光源顯色指數為65、色溫4000K時的圖像質量評分;

Ui—— 第 i段顯色指數為65、色溫4000K的圖像質量評分;

n——光源顯色指數為65、色溫4000K的錄像段數;

(3)光源顯色指數為90、色溫5500K的錄像圖像質量的平均值U90:

計算過程同 (3)，得出U90。

(4)綜合專家主觀評價和非專業人員主觀評價，電視圖像質量的主觀評價值按公式3計算:

式中 U—— 電視畫面質量的主觀評價的加權平均值;

k——權重系數，0～100%，由專家各自打分計算得出;

Us——專家主觀評價平均值，由公式(1)和公式(2)計算得出;

Ua——非專業人員主觀評價平均值，也由公式(1)和公式(2)計算得出。

(5)權重系數k的確定

權重系數由專家組專家各自填寫，見表1，并由公式 (4)計算得出:

式中 ki——第 i位專家的權重系數，0～100%;

n——參與投票的專家數量;

k——最終權重系數。

表1 權重系數投票表

根據專家投票，得出專家權重系數的統計結果為60%。

4.8 評價結論

專家組根據專家評價結果與非專業人士評價結果進行綜合評價，做出評價結論。

5 課題對電視轉播圖像質量主觀評價的結果及其分析

5.1 初步結論

本次試驗按照上述評價方法得出下列數據，表2所示。

表2 主觀評價分數

5.2 綜合結論

綜合專家主觀評價和非專業人員主觀評價，考慮權重系統，得出的最終結果如表3。

表3 綜合權重系數評價分數

5.3 評價數據分析

根據現場情況及對1300多數據的分析，可得出以下結論:

(1)專業人士評價平均分數比非專業人士評價平均分數高。

(2)同年齡段人士中，女士評價平均分數比男士評價平均分數高。

(3)文化背景大體相同的人士中，年齡大的評價平均分數比年齡小的評價平均分數高。

6 課題研究結論

根據專家組與非專業人士對電視錄像片段的評價及對其試驗數據的分析，本課題最終得出結論:在《體育建筑電氣設計規范》中，關于體育場館比賽電視轉播對照明光源的要求，可以參照CIE標準的規定，顯色指數≥65、色溫3500K～6500K。

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