AVS+壓縮編碼高清視頻質(zhì)量分析

池健暉，雷霄驊

(1.北京世紀(jì)睿科系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 101111；2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

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AVS+壓縮編碼高清視頻質(zhì)量分析

池健暉1，雷霄驊2

(1.北京世紀(jì)睿科系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 101111；2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

摘要：當(dāng)代數(shù)字視頻信號處理技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。本文的課題實(shí)驗(yàn)搭建了基于AVS+和H.264的硬件的壓縮編解碼平臺，對高清視頻進(jìn)行了不同碼率的壓縮編碼的實(shí)驗(yàn)，采用了客觀質(zhì)量評價(jià)方法SSIM以及PSNR對解碼后的視頻圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評價(jià)，并與H.264壓縮編碼質(zhì)量進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：視頻編碼；AVS+；H.264；硬件系統(tǒng)；客觀質(zhì)量評價(jià)

1引言

近年來，我國高清電視頻道數(shù)量逐步增多，3D電視頻道已經(jīng)開播，無論是衛(wèi)星、有線還是地面數(shù)字電視系統(tǒng)，隨著開播頻道的增多，傳輸帶寬日趨緊張，所以視頻圖像處理技術(shù)成為多媒體中一項(xiàng)重要的技術(shù)[1]。AVS+視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架與H.264 類似[2-3]。筆者利用視頻客觀評價(jià)的方法，結(jié)構(gòu)相似法SSIM和峰值信噪比PSNR，通過它們來比較兩者編解碼后的圖像質(zhì)量，進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的對比并同時對影響兩種結(jié)果的原因進(jìn)行分析。

2AVS+背景介紹

AVS+是2012年7月發(fā)布的《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第1 部分：視頻》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2012年7月10日，國家廣播電影電視總局正式頒布了《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第 1 部分：視頻》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即GY/T257.1-2012，簡稱AVS+。在國標(biāo)體系中，AVS+對應(yīng)《信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼第16 部分：廣播電視視頻》。AVS+是我國自主創(chuàng)新的視頻編碼技術(shù)，具有更高的編碼效率，與同類國際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC 編碼效率相當(dāng)，用AVS+標(biāo)準(zhǔn)作為廣播電視的視頻編碼，可解決廣播電視行業(yè)面臨的頻道資源問題。

3全參考視頻質(zhì)量評價(jià)分析方法

3.1綜述

對視頻圖像進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)分析的研究是視頻圖像處理的一個基本研究。對于圖像處理圖像的傳輸鏈路，它的目的始終是圖像的本質(zhì)，視頻圖像的質(zhì)量是判別這些信息的重要指標(biāo)。它不僅有其理論意義，更重要在于實(shí)際應(yīng)用，同時它也有廣泛的需求。當(dāng)代視頻編碼壓縮技術(shù)的速度發(fā)展，是因?yàn)槿藗儗Χ嗝襟w信息的需要，而正是這些需求也同時促使視頻圖像質(zhì)量評價(jià)的研究工作的迅速發(fā)展。

3.2視頻圖像質(zhì)量評價(jià)的研究

人對視頻圖像的感知和獲得的信息是當(dāng)今社會的前沿課題之一。在視頻圖像質(zhì)量評估的主觀評價(jià)中，國際視頻質(zhì)量專家組(VQEG)接受的一些視頻質(zhì)量評估方法，主要以人類視覺系統(tǒng)(HVS)方面的研究為主[7-8]。

3.2.1PSNR(峰值信噪比)方法

在測試數(shù)字視頻質(zhì)量中，PSNR是最常用的客觀測試指標(biāo)。在測試過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)，測試者使用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的多樣化的測試信號，對數(shù)字電視信號進(jìn)行8bit量化，各像素噪聲值N(x，y)指的是解碼重建圖像各像素信號值Y(x，y)與源圖像對應(yīng)像素信號值X(x，y)之差。把各像素的噪聲之和對整幀圖像像素總數(shù)(M)求平均得到PSNR。

但是，PSNR方法也存在著一些不足；根據(jù)人們的視覺經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)觀察一幅圖像時，人的大腦通常會受到我們感興趣區(qū)域的影響，圖像中各感興趣區(qū)興趣程度的差異也影響對圖像的質(zhì)量評價(jià)。從人物的頭肩部分上來說，人腦通常對人面部的眼部區(qū)域感興趣，對這一部分的失真度尤為敏感，而對其他部份興趣較低，主觀上允許存在較大的失真，這就對視覺感知的結(jié)果影響較小但是確對PSNR值容易造成較大的下降，這就使得主客觀評價(jià)不一致。

3.2.2SSIM(基于結(jié)構(gòu)失真的視頻質(zhì)量客觀評價(jià))方法

筆者引用Zhou Wang等人提出的結(jié)構(gòu)相似性理論，他的這種理論認(rèn)為：人眼的主要功能是從視野中提取結(jié)構(gòu)信息，對結(jié)構(gòu)信息的測量應(yīng)該是對圖像感知的一個近似。一般自然圖像的像素與像素之間帶會有很強(qiáng)的從屬關(guān)系，圖像采樣之后會有一些特定的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)關(guān)系包含了視覺場景中重要的結(jié)構(gòu)信息。結(jié)構(gòu)相似性理論的實(shí)現(xiàn)SSIM(結(jié)構(gòu)相似度指數(shù))從圖像組成的角度將結(jié)構(gòu)信息定義為獨(dú)立于亮度、對比度的，反映場景中物體結(jié)構(gòu)的屬性，并將失真建模為亮度、對比度和結(jié)構(gòu)三個不同因素的組合，它的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。Wang提出了一種新的視頻質(zhì)量客觀評價(jià)方法：基于結(jié)構(gòu)失真的圖像和視頻質(zhì)量評價(jià)方法——結(jié)構(gòu)相似(structural similarity，SSIM)法[9-10]。

SSIM法的核心函數(shù)定義為：

S(x，y)=f(l(x，y)，c(x，y)，s(x，y))

圖1　SSIM實(shí)現(xiàn)框圖

(1)根據(jù)框圖中“綜合考慮”的結(jié)果就成為筆者用軟件分析的測試序列評價(jià)值，它來自逐幀測試結(jié)果的取平均值。

4AVS+和H.264壓縮視頻質(zhì)量評價(jià)實(shí)驗(yàn)及分析

4.1視頻序列準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)選擇的4個序列屬性特征如表1。

表1　測試序列的屬性參數(shù)

(3) Park_joy　　　　　　　　　　　　　　　　　(4) In_to_tree圖2　實(shí)驗(yàn)用的4個測試序列

所選的測試序列在時間和空間上都有各自的特性。視頻序列截圖如圖2，測試序列的特征如表2。

表2　測試序列的時域與空域特征

4.2實(shí)驗(yàn)方法

筆者分別采用的專業(yè)編解碼器如表3所列。

圖3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，兩組硬件系統(tǒng)分部對上述4個視頻序列進(jìn)行了壓縮編碼和解碼。在對視頻序列進(jìn)行AVS+或H.264 編碼時，保持AVS+和H.264兩組硬件配置結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)一致從而使本文客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

表3　AVS+及H.264編解碼器及編碼參數(shù)

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成表格如表4、表5：

表4　AVS+的SSIM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5　H.264的SSIM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析得到表4和表5分別是AVS+標(biāo)準(zhǔn)下的SSIM值以及H.264標(biāo)準(zhǔn)下的SSIM值。為了更加直觀方便的對比它們兩種評價(jià)值的特征差異等，用折線圖的方式把它們繪制出來，如圖4。

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree圖4　不同特征序列下的SSIM值與碼率的關(guān)系圖

圖4由a、b、c、d四個折線圖組成，分別表示了4個不同序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的對比。將在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中闡述筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果折線圖得到的結(jié)論和分析。

表6　AVS+的PSNR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7　H.264的PSNR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6和表7分別是AVS+標(biāo)準(zhǔn)下的PSNR值以及H.264標(biāo)準(zhǔn)下的PSNR值。同理為了直觀方便地對比它們兩種評價(jià)值的特征差異等，用折線圖把它們繪制出來，如圖5所示。

圖5由a、b、c、d四個折線圖組成，分別表示了4個不同序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的比較。筆者也將在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中闡述根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果折線圖得到的結(jié)論和分析。

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree圖5　不同特征序列下的PSNR值與碼率的關(guān)系圖

AVS和H.264在編碼框架上大體上是相似的。首先根據(jù)圖4以及圖5來看，4條序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的評測對比圖能反應(yīng)出，兩種標(biāo)準(zhǔn)下的質(zhì)量評價(jià)結(jié)果都非常的接近，相差并不大。而通過SSIM和PSNR單個的比較分析說明，對于運(yùn)動平緩、細(xì)節(jié)比較少的圖像之間的相關(guān)性較大的視頻序列(如Ducks_take_off、Park_joy序列)，H.264與AVS+的差別不大，甚至在10M的碼率時第2個測試序列AVS+下的SSIM實(shí)驗(yàn)質(zhì)量結(jié)果比H.264的更好一點(diǎn)，而在大于11M碼率時第3個測試序列AVS+下的PSNR質(zhì)量評價(jià)結(jié)果已經(jīng)超過了H.264；對于紋理比較多、運(yùn)動比較隨機(jī)而且繁富的視頻序列(例如Crowd_run序列)，H.264的客觀性能比AVS+要優(yōu)越。

考慮到實(shí)驗(yàn)中對于幀間圖像類似差別不明顯，細(xì)節(jié)相對較少運(yùn)動平緩的視頻序列如In_to_tree，H.264與AVS+的差別是不大的。而所使用的視頻Crowd_run，這個序列共同具備運(yùn)動中細(xì)節(jié)元素較多，在高碼率逐漸升高的情形下對比，兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)在硬件上反應(yīng)出來的編碼質(zhì)量越來越接近；在低碼率的情況下，對于運(yùn)動細(xì)節(jié)多或圖案紋理較復(fù)雜的視頻序列H.264的編碼質(zhì)量優(yōu)于AVS+。

在廣播電視節(jié)目業(yè)務(wù)運(yùn)營中，節(jié)目信號不可能一直保持高運(yùn)動細(xì)節(jié)或者一直保持低圖案紋理，所以需要對4種序列進(jìn)行一次平均值評估分析。取用SSIM的評測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表8，對平均值進(jìn)行羅列。

表8　4條序列的SSIM平均值結(jié)果對比

根據(jù)表8可以繪制出折線圖6。

圖6　4條序列的SSIM平均值結(jié)果對比圖

4條序列的SSIM平均值對比圖折線圖，可以得出結(jié)論：兩種標(biāo)準(zhǔn)下的質(zhì)量評價(jià)結(jié)果都非常的接近，H.264的評價(jià)結(jié)果略優(yōu)于AVS+。

AVS的標(biāo)準(zhǔn)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本相對H.264而言都比較低，2014至2015年間AVS標(biāo)準(zhǔn)還在不斷的完善過程中。由此可以認(rèn)為，在將來AVS的發(fā)展目標(biāo)，是進(jìn)一步提高編碼質(zhì)量和效率但是又不提高復(fù)雜度，以滿足國內(nèi)外市場更為廣泛的要求。

5結(jié)語

在本文和實(shí)驗(yàn)中，筆者的主要搭建基于AVS+和H.264的硬件平臺，采用了兩方面的客觀評價(jià)算法比較了AVS+和H.264的編解碼性能。因此，對于客觀的視覺評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它的算法一直也是視頻編碼評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一個難點(diǎn)，今后還可以結(jié)合當(dāng)代研發(fā)出來的其他的結(jié)構(gòu)算法。建立更加精確的模型，能夠快速的對視頻的質(zhì)量進(jìn)行響應(yīng)，并能起到反饋廠家的作用，指導(dǎo)對視頻編解碼系統(tǒng)的優(yōu)化，達(dá)到廣電用戶對其系統(tǒng)優(yōu)化判斷的作用。

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，中國在近兩年發(fā)放第三代和第四代移動通信牌照，由于客戶端應(yīng)用的需要，視頻編解碼技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。我國自主的AVS標(biāo)準(zhǔn)必然的趨勢使得它在從影像存儲、數(shù)字電視等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到各種通信網(wǎng)絡(luò)。

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(責(zé)任編輯：宋金寶)

Video Quality Evaluation Based on AVS+

CHI Jian-hui1，LEI Xiao-hua2

(1.Times Sage(Beijing) Tech Ltd，Beijing 101111；

2.School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024)

Abstract：The digital video signal processing technology has been widely used these days.The subject of this paper is based on AVS+ and H.264 compression coding hardware，to do an experiment of different bit rate of high-definition video compression，we use the objective quality evaluation methods of SSIM and PSNR to evaluate the quality of video images，at the same time it is compared with the H.264 compression quality.

Keywords：video coding；AVS+；H.264；hardware system；objective quality evaluation

作者簡介：池健暉(1989-)，男(漢族)，湖南衡陽人，北京世紀(jì)睿科系統(tǒng)技術(shù)有限公司工程師.E-mail：chijay@163.com

收稿日期：2015-03-12

中圖分類號：TN943.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4793(2015)03-0046-07