不同量化比特?cái)?shù)對超高清圖像質(zhì)量損傷的影響研究

許江波，姜秀華

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

不同量化比特?cái)?shù)對超高清圖像質(zhì)量損傷的影響研究

許江波，姜秀華

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

通過挑選比較嚴(yán)格的超高清視頻測試序列，采用x264壓縮編碼軟件，計(jì)算量化比特?cái)?shù)為10和8的各序列在不同碼率下的PSNR值，以此來研究不同量化比特?cái)?shù)對超高清圖像質(zhì)量損傷的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，同一序列在同一碼率下，量化比特?cái)?shù)為10相比量化比特?cái)?shù)為8的序列的PSNR高0.7 dB左右，也即量化比特?cái)?shù)為10的序列相對量化比特?cái)?shù)為8的序列碼率節(jié)省5%～20%左右。

超高清圖像;PSNR;量化比特?cái)?shù)

1 UHDTV及其技術(shù)參數(shù)

人們對高質(zhì)量圖像和聲音的追求是永無止境的。近年來，隨著視頻編碼和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們已不滿足于HDTV的圖像質(zhì)量，轉(zhuǎn)而追求更具臨場感及更高清晰度的下一代電視格式。高清晰度電視的分辨率為1 920×1 080，水平視角大約為30°。實(shí)驗(yàn)表明，為了給觀眾提供真實(shí)的臨場感體驗(yàn)，觀看電視的視角應(yīng)大于100°，觀看距離應(yīng)為圖像高度的0.75倍［1］。要滿足上述條件，分辨率大約為8k×4k，因而產(chǎn)生了比HDTV具有更大視角更高分辨率的電視標(biāo)準(zhǔn)——超高清晰度電視(UHDTV)。超高清晰度電視即為具有極高的圖像清晰度和極強(qiáng)的環(huán)繞立體聲效果的系統(tǒng)。其目標(biāo)是為觀眾提供提高的真實(shí)感和臨場感。

2006年發(fā)布的ITU-R BT.1769建議書《Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange(適用于節(jié)目制作和國際節(jié)目交換的、對應(yīng)于經(jīng)過擴(kuò)展的大屏幕數(shù)字化成像體系結(jié)構(gòu)的影像格式的一些參數(shù)值)》［2］對超高清晰度系統(tǒng)的圖像格式進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。2012年5月28日ITU-R負(fù)責(zé)廣電業(yè)務(wù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)擬定的第6研究組下設(shè)的擬定基帶信號(hào)規(guī)范的工作組WP6C發(fā)布了關(guān)于超高清電視的建議書《Parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange(適用于節(jié)目制作和國際節(jié)目交換的、超高清電視系統(tǒng)的一些參數(shù)值)》［3］，規(guī)定了兩個(gè)層級的超高清電視——UHDTV1 (3 840×2 160)與UHDTV2(7 680×4 320)。UHDTV的主要技術(shù)參數(shù)參見表1［3］。

表1 UHDTV主要技術(shù)參數(shù)

從表1可知，超高清圖像要求其量化比特?cái)?shù)為10或者12，而之前實(shí)際的HD及SD系統(tǒng)中，普遍采用的量化比特?cái)?shù)為8，基于此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的UHDTV1測試序列，采用x264壓縮編碼軟件，計(jì)算量化比特?cái)?shù)為10和8的各序列在不同碼率下的PSNR。以此來研究不同量化比特?cái)?shù)對超高清圖像質(zhì)量損傷的影響。

2 峰值信噪比

在圖像質(zhì)量客觀評價(jià)算法中，PSNR在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用。主要是由于其計(jì)算公式簡單，便于理解和實(shí)現(xiàn)。而且，長久以來，視頻研究者也建立了PSNR的概念，能夠立刻理解其值所代表的損傷程度。另外，目前并沒有其他的度量模型能夠得到跟PSNR一樣的廣泛認(rèn)同。其計(jì)算公式如式(1)所示

式中:bits表示量化比特?cái)?shù);MSE為均方誤差，其計(jì)算公式如式(2)所示

式中:fij，f'ij分別表示原始視頻圖像和受損視頻圖像;M、N分別表示圖像的高與寬。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)共用了4個(gè)超高清視頻信號(hào)源，分別是ParkJoy，DucksTakeOff，CrowdRun和InToTree，如圖1所示。每個(gè)序列長10 s，幀率為25 f/s(幀/秒)，共250幀，色度格式為4∶2∶0。對于序列的特性，按照ITU-R P.910［4］的建議計(jì)算了空間信息(Spatial perceptual Information，SI)和時(shí)間信息(Temporal Perceptual Information，TI)，圖2給出各視頻序列SI，TI的分布。由圖中可以看出，處于右上方的視頻有更高的復(fù)雜度，如ParkJoy和CrowdRun，而左下方圖像的復(fù)雜度較低，如InToTree。

圖1 超高清信號(hào)源的第一幀截圖

圖2 序列SI和TI均值的分布

本文采用x264對量化比特?cái)?shù)為8和10的信號(hào)源進(jìn)行壓縮得到不同碼率的測試序列，其相關(guān)參數(shù)及最終選定碼率如表2所示。

表2 x264 encoding settings

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為每個(gè)序列量化比特?cái)?shù)分別為8和10的PSNR對比圖。從圖中可以看出，對于ParkJoy序列，相同碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的序列高0.75～0.8 dB。對于DucksTakeOff序列，相同碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的序列高0.7～0.75 dB。對于CrowdRun序列，相同碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的序列高0.7～0.8 dB。對于InToTree序列，相同碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的序列高0.68～0.77 dB。

圖4為4個(gè)序列量化比特?cái)?shù)分別為8和10的PSNR均值對比圖。從圖中可以看出，相同碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的4個(gè)序列的PSNR均值高0.71～0.77 dB。由此可以看出，對于不同復(fù)雜度的測試序列，量化比特?cái)?shù)為10的各序列相對量化比特?cái)?shù)為8有5%～20%左右的碼率節(jié)省。分析其原因，主要是因?yàn)樵贖.264/AVC壓縮編碼算法中，量化比特?cái)?shù)為10相對于量化比特?cái)?shù)為8，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，幀內(nèi)預(yù)測等方面能提供更高的匹配精度，從而減小其匹配誤差，即在相同的目標(biāo)碼率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特?cái)?shù)為10，在相同的目標(biāo)碼率下，可以采用更小的QP(Quantization Parameter，量化參數(shù))值，等到更好的圖像質(zhì)量，即PSNR值更大。

圖3 量化比特?cái)?shù)為8和10的各序列PSNR對比圖

圖4 四個(gè)序列量化比特?cái)?shù)分別為8和10的各碼率PSNR均值對比圖

5 小結(jié)

本文采用x264對量化比特?cái)?shù)分別為10和8的超高清視頻序列進(jìn)行壓縮編碼，計(jì)算并比較其PSNR值。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，同一序列在同一碼率下，量化比特?cái)?shù)為10比量化比特?cái)?shù)為8的序列的PSNR值高0.7 dB左右，也即量化比特?cái)?shù)為10的序列相對量化比特?cái)?shù)為8有5%～20%左右的碼率節(jié)省。這主要是因?yàn)樵贖.264/AVC壓縮編碼算法中，量化比特?cái)?shù)為10相對于量化比特?cái)?shù)為8，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，幀內(nèi)預(yù)測等方面能提供更高的匹配精度，從而減小其匹配誤差，即在相同的目標(biāo)碼率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特?cái)?shù)為10，在相同的目標(biāo)碼率下，可以采用更小的QP值，得到更好的圖像質(zhì)量，即PSNR值更大。

［1］孫樂民，薛永林.超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(6):17-20.

［2］ITU-R BT.1769，Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange［S］.2006.

［3］ ITU-R BT.2020，Draft new recommendation--parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange［S］.2012.

［4］ITU-R P.910，Subjective video quality assessmentmethods formultimedia applications［S］.1992.

Research on Influence of Different Bit Depth for Ultra High Definition Image Quality

XU Jiangbo，JIANG Xiuhua
(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

In this paper，the PSNR value of the same Ultra High Definition video sequenceswith the bit depth of10 and 8 are computed and compared for researching on the influence of different bit depth for Ultra High Definition image quality.Firstly，four 4k-Ultra High Definition video sequences are chosen as test sequences.Then they are encoded to different targetbitrates using x264 compression encoding software，and after that the PSNR values are obtained.The experiment results show that the achieved PSNR using10 bitencoding is almost0.7 dB higher than using8 bitencodingwith the same sequence at the same bitrate.This translates to an average bit-rate saving of about5%and up to 20%，while retaining the same video quality.

ultra high definition image;PSNR;bit depth

TN949.6

A

許江波(1983— )，女，講師，博士生，從事數(shù)字電視技術(shù)、視頻圖像質(zhì)量評價(jià)和數(shù)字視頻壓縮編碼等教學(xué)和科研工作;

?? 雯

2013－08－21

【本文獻(xiàn)信息】許江波，姜秀華.不同量化比特?cái)?shù)對超高清圖像質(zhì)量損傷的影響研究［J］.電視技術(shù)，2014，38(13).

姜秀華(1955— )，教授，博士生導(dǎo)師，從事數(shù)字電視技術(shù)、數(shù)字視頻信號(hào)處理和數(shù)字視頻壓縮編碼等教學(xué)和科研工作。