簡析數字電視圖像質量的主觀評價

馮傳崗

【編者按】 2003年國家提出廣播電視數字化建設工程，并決定首先從有線電視入手，近年來，有線電視由模擬向數字化整體轉換工作也基本實現，這樣原有的模擬電視工程技術的測試理論及方法也失去了應有的意義。從2010年開始，在廣播電視一年一度的技術維護年檢工作中，有線電視傳輸的數字圖像及聲音的測試，由于缺乏數字測試儀器，依據《 GB/T22123-2008數字電視接收設備圖像和聲音主觀評價方法》（此標準由中華人民共和國信息產業部制訂、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局 中國國家標準化管理委員會發布）進行主觀測試。《簡析對數字電視圖像質量的主觀評價》一文，從基于人眼看到的數字電視圖像效果的質量及主觀評價方面來細釋國家標準，以提高業內人士的關注。

在傳統的模擬電視系統工程技術中，有著及其規范和直觀的圖像基帶測試理論和主觀評價方法，對于目前數字電視節目制作系統（電視臺節目制作）和傳輸系統（有線數字電視傳輸）來講，傳統的模擬電視測量方法以及主觀評價體系將失去意義，需要一套新的理論、新的測試方法和新的主觀評價體系。這些理論、測試方法和主觀評價體系，同樣是基于人眼看到的效果來評價電視節目圖像的質量，即電視節目圖像質量的測試標準都必須由基于從事測試的主觀評價觀看者對所看到圖像的滿意度來定量的，這一點極為重要，因為電視的對象是人們的雙眼，而不是人們使用的儀器。這些所定量的電視節目圖像質量的測試標準，是基于人們主觀評價的統計，并非是絕對的、但它又必須是一個度量的衡值。

一. 信號對圖像質量的影響

數字化的電視圖像不經過壓縮，是難以傳輸和保存的，體現不出其價值和先進性。隨著視頻圖像壓縮技術的發展，使數字電視商用成為可能。國際上，對于經過壓縮過的視頻圖像的測試都是用未壓縮的視頻圖像信號的質量來參考的。

在已經壓縮（數字）和未壓縮（模擬）視頻圖像信號的混合系統/環境中，視頻圖像質量的測試包括兩個部分：即信號質量和圖像質量。

信號質量的測試使用一套測試的方法和信號，它們可以是全場或是垂直消隱期中的某一行。這種測試在傳統模擬的非壓縮視頻系統中是一種間接的測試方法，由于這種測試是在實際圖像之外。毫無疑問，它將對傳統模擬系統的圖像質量提供了一個很好的表述。

而在壓縮（數字）的視頻系統中，圖像質量的變化取決于數據率、圖像復雜性和所使用的編碼計算方法（計算機的程序），這時傳統測試信號的靜態特性已不能提供圖像質量的真實描述。因此，對壓縮（數字）視頻系統中圖像質量的實際測量，需要一整套的實際圖像測試信號，這要比傳統測試信號復雜多。這些復雜序列導致的編碼過程的非線性失真是圖像內容的函數。

然而，這并不能排除對傳統信號測量的需要。對于大多數有效的壓縮方法，輸入視頻信號應盡可能地干凈。

幅度或直流電平等等的問題將會導致圖像信號被切割或不能充分利用8bit，255級信號電平。如果輸入的視頻信號分辨率很低，編碼會更容易，然而它可能并不代表所需要的圖像質量。任何使圖像更復雜的干擾都會在壓縮圖像的質量上有所反映。這包括振鈴、抖動、噪聲和復合到分量處理的產物。因此，這些干擾應當在壓縮編碼前去掉。

數字視頻壓編編碼處理對圖像材料十分敏感。壓縮碼率的設定（通常表示成Mb/s）就是通知編碼器有多少數據或有多少比特數可用來對圖像進行壓縮處理。目前使用MPEG的重要優勢就是它采用時間壓縮，編碼器可以通過大量的圖像幀來決定分配的比特數。這樣，就可以在給定的圖像組序列編碼時，給復雜的圖像分配較多的比特數，給簡單的圖像分配較少的比特數。一般情況下，可視細節直接依賴于分配給編碼器的碼率。如果一個圖像由于包含高速的運動或有大量的空間細節將需要大量的比特數，編碼器將丟掉一些圖像細節。這些信息的丟棄應盡量減少可覺察的圖像質量損失。如果大量的細節被丟棄，損傷會非常明顯，失真或損傷將在許多方面表現出來。

二. 壓縮導致了電視圖像質量的損失

對于從事數字電視節目制作系統（電視臺節目制作）和傳輸系統（有線數字電視傳輸）的廣大工程技術人員來講，數字信號和模擬信號的圖像質量失真的問題是完全不同的，在數字信號中有如下六種關于視頻損傷的類型。

1. 塊

數字電視圖像信號在編碼/壓縮時，是將圖像分割一個個塊來進行的，由于基本塊編碼結構將使通過傳輸接收（解碼/解壓）到的圖像有很明顯的變形。

2. 錯誤的塊

如果接收（解碼/解壓）到的數字電視圖像與當前或前一場沒有一點相似處，一旦其中一個或多個塊產生失真，就會在相鄰的塊之間產生較大的對比差異，屏幕上將出現明顯的與周圍不協調的錯誤的塊。

3. 邊緣忙亂

失真主要集中在物體的邊緣，表現為時域中變化的尖峰或空域的不同噪聲。

4. 模糊或輪廓不清

在單個幀中（空間域為例），以減少每個水平掃描線的像素數來減少帶寬，這將導致圖像模糊或輪廓不清。

5. 蚊子噪聲

這產生于相鄰像素之間的量化錯誤，是由編碼/壓縮引起的。由于場景內容的不同，量化間隔的尺度會有變化，產生的量化錯誤像微微發光的閃爍亮塊或眾多的亮點，就像“蚊子”一樣在一幅場景中隨時閃現在物體的周圍。

6. 量化噪聲

對于模擬信號的不精確的數字標示將出現在模擬到數字的信號處理過程中，很明顯，視頻分辨率的數字化描述對于輸入的經過數字采樣的模擬視頻信號是有限的。

三. 模擬和數字電視圖像質量換算

我國的廣播電影電視行業標準已經定義了模擬和數字電視圖像質量的主觀評價方法。

國家《數字電視圖像質量主觀評價方法》（中華人民共和國廣播電影電視行業標準GY/T134-1999/4）中，規定了我國數字電視圖像質量的主觀評價方法是在“一般要求”的條件下，采用“兩種評價方法”進行主觀評價。

“一般要求”包括七個方面：觀看條件、評價系統、信號源、測試素材的選擇、觀看員、評價測試階段和結果表達。

“兩種評價方法”即：雙刺激連續質量標度法和雙刺激損傷標度法。

但這種主觀評價方法需要有一定數目的靜止和運動的物體圖像序列，加之需要許多人（其中并非全部是電視專業人士），并耗上很長的時間、精力，不很適應實際工作的需要。

在實際的工作中，電視工程技術人員通過日常的主觀評價，已經逐漸明白在不同比特率下，以及在不同壓縮格式下的所能得到的圖像質量換算，見“不同比特率、不同壓縮格式下能得到同等的圖像質量換算參考表”。這樣電視工程技術人員只要按照具體的應用，選擇一個合適的壓縮格式和比特率即可獲得所需要的電視節目的圖像質量。B&P

參考文獻

1.中華人民共和國廣播電影電視行業標準《GY/T 134-1998 數字電視圖像質量主觀評價方法》

2.中華人民共和國廣播電影電視行業標準《GY/T134-1999/4數字電視圖像質量主觀評價方法》

3.中華人民共和國國家標準《GB/T 22123-2008數字電視接收設備圖像和聲音主觀評價方法》