基于PQA600的電視節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

呼 倩

（西北大學(xué) 文學(xué)院，陜西 西安 710061）

0 引 言

圖像質(zhì)量測(cè)試是利用觀看者對(duì)于圖像質(zhì)量的主觀反應(yīng)確定系統(tǒng)性能。當(dāng)前，許多國(guó)家的電視測(cè)試中心均對(duì)于數(shù)字圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法進(jìn)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(xù)質(zhì)量評(píng)分方法DSCQS和雙刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)分方法DSCQS1。單刺激方法代表單刺激11級(jí)質(zhì)量評(píng)分方法（簡(jiǎn)稱SSQS11方法）[1]。在本文中，PQA600用于分析電視節(jié)目從輸出到解碼器輸出的圖像質(zhì)量，以提高節(jié)目的最終圖像質(zhì)量。電視節(jié)目制作和傳播的全過(guò)程包括節(jié)目采集、編輯、編碼和傳播。因?yàn)槿搜劬哂兄饔^性和單體差異，所以會(huì)對(duì)于圖像產(chǎn)生不同的感受。另外，觀看距離、燈光、電視等因素也是導(dǎo)致觀眾評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異的主要原因。為了避免這一問(wèn)題，需要利用專用設(shè)備進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，排除主觀評(píng)價(jià)時(shí)外在條件和人員主觀差異的影響[2]。PQA600是基于人類視覺(jué)系統(tǒng)概念的圖像質(zhì)量測(cè)量方法，能夠?qū)τ陔娨暪?jié)目直播的全鏈路實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量分析。

1 PQA600的圖像質(zhì)量測(cè)量原理

PQA600對(duì)于未處理的原始視頻序列播出時(shí)，PQA采集經(jīng)被測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)處理之后的視頻序列。PQA以兩個(gè)視頻文件為輸入，在時(shí)間域、空間域下，將選擇的兩個(gè)視頻序列進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)幀同步。利用儀器分析對(duì)依據(jù)提示模型（attention models）和人類視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）視頻質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，輸出結(jié)果與主觀評(píng)測(cè)之間具有高度相關(guān)（PQR，DMOS），包括總體圖像質(zhì)量累計(jì)度量值、每幀損傷映射圖示以及逐幀測(cè)量度量值。

（1）圖像質(zhì)量評(píng)分（Picture Quality Rating，PQR）。PQR基于JND（Just Noticeable Difference）視覺(jué)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(jìn)行對(duì)比，尋找存在的差異。這一差異就是圖像質(zhì)量損失。PQR值的范圍為0～25 s，值越高表示失真情況越嚴(yán)重[3]。PQR值和主觀評(píng)價(jià)得到的值具有一定關(guān)聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，主觀評(píng)價(jià)得分較高的序列，客觀圖像質(zhì)量分析的PQR值也相對(duì)較小。另外，PQR值要比觀眾肉眼觀看的效果更為準(zhǔn)確，所以能夠檢測(cè)出低于視覺(jué)門限的圖像損傷。基于人眼視覺(jué)模型的測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 基于人眼視覺(jué)模型的測(cè)試原理

（2）差異平均主觀分（Differential Mean Opinion Score，DMOS），根據(jù)主管電視質(zhì)量評(píng)價(jià)的ITU-R BT.5600技術(shù)，同時(shí)考慮觀眾視覺(jué)，顯示測(cè)試序列和參考序列之間的差異[4]。這一方式是測(cè)量觀眾看到測(cè)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(hào)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(lǐng)域中，信號(hào)重建質(zhì)量的測(cè)量采用PSNR方法。該方法是一種評(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)。圖像壓縮后，參考PSNR值，能夠判斷某一個(gè)程序是否可以獲得滿意結(jié)果。

在主觀評(píng)價(jià)與PQR值之間，可以用PQR值為刻度顯示與主觀評(píng)價(jià)相關(guān)的兩個(gè)尺度。其中，DSCQS尺度，其值為0～100；五級(jí)損傷尺度，值為1～5。不同的測(cè)試序列得到的測(cè)試結(jié)果不同，但這三個(gè)度量能夠定義廣泛的一般關(guān)系。DSCQS結(jié)果為0，代表存在可見(jiàn)損傷，對(duì)應(yīng)于五個(gè)損傷級(jí)別中的第五個(gè)，相應(yīng)的PQR值介于3和5。

2 全鏈路圖像質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)分析

利用PQA600對(duì)制播鏈路上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖像質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)圖像質(zhì)量損失節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，基于此提出處理措施。

2.1 測(cè)試鏈路

DNXHD 120 Mb·s-1編碼方法用于在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)收集測(cè)試圖像序列，將其打包并轉(zhuǎn)碼為MPEG2-IBP 50 Mb·s-1硬件文件，并將其發(fā)送到廣播系統(tǒng)。發(fā)送硬盤驅(qū)動(dòng)服務(wù)器將硬件文件解碼后，恢復(fù)為HD-SDI信號(hào)。播出后經(jīng)過(guò)總控系統(tǒng)中的基帶光端機(jī)將其發(fā)送到有線電視網(wǎng)絡(luò)和地球站，經(jīng)過(guò)編碼傳輸，形成標(biāo)清信號(hào)[5]。高清信號(hào)和電視傳輸使用H.264 8 Mb·s-1編碼方式，高清衛(wèi)星信號(hào)采用AVS+12 Mb·s-1。

2.2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)

選取9個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)格式包括標(biāo)清信號(hào)和高清信號(hào)，其中6個(gè)高清信號(hào)，3個(gè)標(biāo)清信號(hào)。測(cè)試信號(hào)格式與測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。

表1 測(cè)試內(nèi)容

2.3 測(cè)試設(shè)備儀器

測(cè)試所需要的儀器如表2所示。

表2 測(cè)試儀器

3 測(cè)試結(jié)果

在電視節(jié)目的制作與播出過(guò)程中，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來(lái)分析圖像質(zhì)量。電視節(jié)目制播全鏈路PQR值測(cè)試結(jié)果如表3所示。

4 結(jié)果分析

4.1 高清節(jié)目直播前鏈路圖像質(zhì)量分析

從表3的結(jié)果可以看出，制作系統(tǒng)使用DNXHD 120 Mb·s-1編碼方法。這一方法收集的文件對(duì)程序的圖像質(zhì)量的損傷非常小，幾乎沒(méi)有損壞。經(jīng)過(guò)制作系統(tǒng)轉(zhuǎn)碼生成的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件會(huì)影響圖像質(zhì)量，但觀眾很難用肉眼感知[6]。對(duì)于相同的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件，非可編程卡的圖像質(zhì)量輸出相對(duì)低于硬盤廣播服務(wù)器的輸出，但差距較小。而衛(wèi)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?yàn)樾l(wèi)星使用的方式具有較高的編碼碼率，因此圖像質(zhì)量損失要更低。家用高清機(jī)頂盒和廣播級(jí)別的解碼器相對(duì)來(lái)說(shuō)，機(jī)頂盒因?yàn)槭褂妹裼眉?jí)別的解碼芯片，所以圖像質(zhì)量損失大約在10%。

表3 電視節(jié)目直播全鏈路PQR值

4.2 高清標(biāo)清同播電視節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

衛(wèi)星傳輸和有線電視傳輸?shù)木幋a方式、碼率相同，測(cè)試結(jié)果也非常相似。而高標(biāo)清同播的電視節(jié)目與高清電視節(jié)目對(duì)比，可以看出前者的可見(jiàn)圖像質(zhì)量損失主要發(fā)生在處理過(guò)程中，但當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)清晰度程序更改為高清程序時(shí)，由于圖像分辨率和振幅比的原因，測(cè)試結(jié)果不能簡(jiǎn)單地用于評(píng)估圖像質(zhì)量的損失。測(cè)試中使用的HD解碼器的HDMI輸出信號(hào)為HD格式，所以標(biāo)清頻道機(jī)頂盒輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果存在不確定性，未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[7]。

4.3 PQR的測(cè)試數(shù)據(jù)注意事項(xiàng)

首先，PQR的測(cè)試數(shù)據(jù)不是線性疊加的，最后的測(cè)試結(jié)果并不是將各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試結(jié)果相加即可。其次，PQR值較低時(shí)，其具有更高的可信度。但是當(dāng)PQR值＞9時(shí)，可信度大幅下降。最后，在測(cè)試過(guò)程中，由于信號(hào)問(wèn)題，當(dāng)比較圖像時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀和邊緣圖像像素。如果無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于本文研究結(jié)果來(lái)看，電視節(jié)目的制播全鏈路，可以使用更好的編碼方法、廣播級(jí)設(shè)備和更高的編碼速度來(lái)減少圖像質(zhì)量損失。然而，這些方法涉及生產(chǎn)和傳輸效率、編碼和存儲(chǔ)帶寬利用率等，需要進(jìn)一步投資。電視節(jié)目最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是觀眾滿意度，節(jié)目的內(nèi)容等是最終影響圖像質(zhì)量的主要因素。