基于PQA600的電視節目制播全鏈路圖像質量分析

呼 倩

（西北大學 文學院，陜西 西安 710061）

0 引 言

圖像質量測試是利用觀看者對于圖像質量的主觀反應確定系統性能。當前，許多國家的電視測試中心均對于數字圖像質量主觀評價方法進行了深入研究，提出了單刺激法、雙刺激法。其中，雙刺激法包括雙刺激連續質量評分方法DSCQS和雙刺激連續質量評分方法DSCQS1。單刺激方法代表單刺激11級質量評分方法（簡稱SSQS11方法）[1]。在本文中，PQA600用于分析電視節目從輸出到解碼器輸出的圖像質量，以提高節目的最終圖像質量。電視節目制作和傳播的全過程包括節目采集、編輯、編碼和傳播。因為人眼具有主觀性和單體差異，所以會對于圖像產生不同的感受。另外，觀看距離、燈光、電視等因素也是導致觀眾評價結果出現差異的主要原因。為了避免這一問題，需要利用專用設備進行圖像質量評價，排除主觀評價時外在條件和人員主觀差異的影響[2]。PQA600是基于人類視覺系統概念的圖像質量測量方法，能夠對于電視節目直播的全鏈路實現圖像質量分析。

1 PQA600的圖像質量測量原理

PQA600對于未處理的原始視頻序列播出時，PQA采集經被測設備或系統處理之后的視頻序列。PQA以兩個視頻文件為輸入，在時間域、空間域下，將選擇的兩個視頻序列進行對準，以此實現幀同步。利用儀器分析對依據提示模型（attention models）和人類視覺系統（HVS）視頻質量進行測試，輸出結果與主觀評測之間具有高度相關（PQR，DMOS），包括總體圖像質量累計度量值、每幀損傷映射圖示以及逐幀測量度量值。

（1）圖像質量評分（Picture Quality Rating，PQR）。PQR基于JND（Just Noticeable Difference）視覺判斷模型。利用PQA600將處理之后的圖像序列素材和源圖像序列素材進行對比，尋找存在的差異。這一差異就是圖像質量損失。PQR值的范圍為0～25 s，值越高表示失真情況越嚴重[3]。PQR值和主觀評價得到的值具有一定關聯。一般來說，主觀評價得分較高的序列，客觀圖像質量分析的PQR值也相對較小。另外，PQR值要比觀眾肉眼觀看的效果更為準確，所以能夠檢測出低于視覺門限的圖像損傷。基于人眼視覺模型的測試原理如圖1所示。

圖1 基于人眼視覺模型的測試原理

（2）差異平均主觀分（Differential Mean Opinion Score，DMOS），根據主管電視質量評價的ITU-R BT.5600技術，同時考慮觀眾視覺，顯示測試序列和參考序列之間的差異[4]。這一方式是測量觀眾看到測試序列和參考序列之間的差異程度。感官差異顯示出了觀眾肉眼中可以觀察到的序列中的差異位置。

（3）峰值信噪比（Peak Signal Noise Ratio，PSNR），意味著信號有效功率和影響自身表示精度的破壞性噪聲功率的比值。圖像壓縮領域中，信號重建質量的測量采用PSNR方法。該方法是一種評價圖像的客觀標準。圖像壓縮后，參考PSNR值，能夠判斷某一個程序是否可以獲得滿意結果。

在主觀評價與PQR值之間，可以用PQR值為刻度顯示與主觀評價相關的兩個尺度。其中，DSCQS尺度，其值為0～100；五級損傷尺度，值為1～5。不同的測試序列得到的測試結果不同，但這三個度量能夠定義廣泛的一般關系。DSCQS結果為0，代表存在可見損傷，對應于五個損傷級別中的第五個，相應的PQR值介于3和5。

2 全鏈路圖像質量測試數據分析

利用PQA600對制播鏈路上各個節點的圖像質量進行檢測，并對圖像質量損失節點進行分析，基于此提出處理措施。

2.1 測試鏈路

DNXHD 120 Mb·s-1編碼方法用于在生產結束時收集測試圖像序列，將其打包并轉碼為MPEG2-IBP 50 Mb·s-1硬件文件，并將其發送到廣播系統。發送硬盤驅動服務器將硬件文件解碼后，恢復為HD-SDI信號。播出后經過總控系統中的基帶光端機將其發送到有線電視網絡和地球站，經過編碼傳輸，形成標清信號[5]。高清信號和電視傳輸使用H.264 8 Mb·s-1編碼方式，高清衛星信號采用AVS+12 Mb·s-1。

2.2 測試節點

選取9個節點進行測試，信號格式包括標清信號和高清信號，其中6個高清信號，3個標清信號。測試信號格式與測試項目如表1所示。

表1 測試內容

2.3 測試設備儀器

測試所需要的儀器如表2所示。

表2 測試儀器

3 測試結果

在電視節目的制作與播出過程中，根據關鍵節點來分析圖像質量。電視節目制播全鏈路PQR值測試結果如表3所示。

4 結果分析

4.1 高清節目直播前鏈路圖像質量分析

從表3的結果可以看出，制作系統使用DNXHD 120 Mb·s-1編碼方法。這一方法收集的文件對程序的圖像質量的損傷非常小，幾乎沒有損壞。經過制作系統轉碼生成的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件會影響圖像質量，但觀眾很難用肉眼感知[6]。對于相同的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件，非可編程卡的圖像質量輸出相對低于硬盤廣播服務器的輸出，但差距較小。而衛星使用的AVS+12 Mb·s-1編碼方式與有線電視傳輸用的H.264編碼方式相比較，因為衛星使用的方式具有較高的編碼碼率，因此圖像質量損失要更低。家用高清機頂盒和廣播級別的解碼器相對來說，機頂盒因為使用民用級別的解碼芯片，所以圖像質量損失大約在10%。

表3 電視節目直播全鏈路PQR值

4.2 高清標清同播電視節目制播全鏈路圖像質量分析

衛星傳輸和有線電視傳輸的編碼方式、碼率相同，測試結果也非常相似。而高標清同播的電視節目與高清電視節目對比，可以看出前者的可見圖像質量損失主要發生在處理過程中，但當標準清晰度程序更改為高清程序時，由于圖像分辨率和振幅比的原因，測試結果不能簡單地用于評估圖像質量的損失。測試中使用的HD解碼器的HDMI輸出信號為HD格式，所以標清頻道機頂盒輸出信號測試結果存在不確定性，未進行統計[7]。

4.3 PQR的測試數據注意事項

首先，PQR的測試數據不是線性疊加的，最后的測試結果并不是將各個環節的測試結果相加即可。其次，PQR值較低時，其具有更高的可信度。但是當PQR值＞9時，可信度大幅下降。最后，在測試過程中，由于信號問題，當比較圖像時，會出現錯誤幀和邊緣圖像像素。如果無法進行準確的比較，也會導致錯誤的測試結果。

5 結 語

基于本文研究結果來看，電視節目的制播全鏈路，可以使用更好的編碼方法、廣播級設備和更高的編碼速度來減少圖像質量損失。然而，這些方法涉及生產和傳輸效率、編碼和存儲帶寬利用率等，需要進一步投資。電視節目最重要的衡量標準是觀眾滿意度，節目的內容等是最終影響圖像質量的主要因素。