數(shù)字視頻系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試方法研究

■ 王志麟 錢偉勇

王志麟：中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，上海，200436

錢偉勇：中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海電信測(cè)試中心，高級(jí)工程師，上海，200436

隨著數(shù)字通信媒體技術(shù)在有線電視、衛(wèi)星、因特網(wǎng)、3G通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，MPEG-4與H.264壓縮格式成為當(dāng)前主流視頻壓縮技術(shù)，并在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用，在保證圖像質(zhì)量前提下，可大大降低通道帶寬和存儲(chǔ)空間容量要求。由于數(shù)字視頻壓縮技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)模擬視頻技術(shù)，壓縮視頻質(zhì)量測(cè)試遠(yuǎn)比模擬視頻質(zhì)量測(cè)試復(fù)雜得多，因而對(duì)數(shù)字視頻壓縮系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試提出了全新的挑戰(zhàn)。

1 視頻系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的差異性

在傳統(tǒng)模擬視頻中，圖像質(zhì)量客觀測(cè)試一般采用信號(hào)質(zhì)量測(cè)試評(píng)估技術(shù)，主要測(cè)試方法是輸出一系列的測(cè)試指標(biāo)，包括信號(hào)幅度、頻率響應(yīng)、信噪比、K系數(shù)評(píng)估、微分增益失真（常稱作DG）、微分相位失真（常稱作DP）等。

用一組標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)模擬視頻系統(tǒng)圖像質(zhì)量客觀評(píng)估得出的指標(biāo)結(jié)果與人眼主觀MOS（Mean Opinion Score）評(píng)估的測(cè)試結(jié)果存在很強(qiáng)的數(shù)字相關(guān)性。這種數(shù)字相關(guān)性可達(dá)到95%以上，但信號(hào)質(zhì)量測(cè)試技術(shù)只適用于線性模擬視頻系統(tǒng)。隨著壓縮視頻技術(shù)的出現(xiàn)，系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，信號(hào)質(zhì)量測(cè)試技術(shù)已無(wú)法滿足圖像經(jīng)過(guò)系統(tǒng)編解碼模數(shù)轉(zhuǎn)化后的測(cè)試要求。信號(hào)質(zhì)量評(píng)估法與主觀MOS評(píng)估法對(duì)壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)圖像質(zhì)量測(cè)試結(jié)果的數(shù)字相關(guān)性小于50%（見圖1）。因此，壓縮數(shù)字視頻圖像質(zhì)量測(cè)試必須采用更復(fù)雜的測(cè)試場(chǎng)景和全新的客觀質(zhì)量評(píng)估手段。

2 壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)客觀測(cè)試方法

2.1 基本碼流分析測(cè)試

選擇專用視頻壓縮分析工具如MTS4000等對(duì)各類保存的壓縮流媒體文件進(jìn)行分析，可查驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)編碼器的全部語(yǔ)法是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。基本碼流部分是傳輸流應(yīng)當(dāng)透明送交的有效載荷。傳輸流在傳送基本碼流時(shí)，不考慮被傳送的基本碼流是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。即對(duì)傳輸流順應(yīng)性測(cè)試只意味著檢驗(yàn)該傳輸流能否不失真地傳送基本碼流，并不能說(shuō)明基本碼流在其構(gòu)建之初是否有正確的組成。基本碼流的結(jié)構(gòu)或句法是由壓縮器決定的。因此對(duì)基本碼流的測(cè)試實(shí)質(zhì)上是壓縮器測(cè)試的一種形式。應(yīng)當(dāng)注意，某一壓縮器雖能產(chǎn)生順應(yīng)性句法，仍可能出現(xiàn)較差的視頻質(zhì)量。由于壓縮器是基于算法規(guī)則而不具有確定性，如果壓縮器工作于通用性較差的運(yùn)行模式，那么基本碼流就可能表現(xiàn)為時(shí)好時(shí)差的不順應(yīng)性。

2.2 客觀圖像質(zhì)量測(cè)試方法

客觀圖像質(zhì)量測(cè)試包括完整源視頻（也稱圖像差值法）、簡(jiǎn)化源視頻（也稱特征抽取法）和無(wú)源視頻（也稱單端式測(cè)試）3種測(cè)試方法。前兩種方法是雙端的，即有實(shí)際源視頻的精確復(fù)制品，或是從源視頻中抽取出來(lái)的某種簡(jiǎn)化信息。圖像差值法利用完整的源視頻和經(jīng)過(guò)被測(cè)系統(tǒng)處理后的視頻進(jìn)行圖像質(zhì)量（劣化）測(cè)試（見圖2），使用基于數(shù)學(xué)計(jì)算矩陣處理各種圖像或圖像序列。所得到的數(shù)據(jù)代表過(guò)濾的圖像版本，該圖像包含相當(dāng)數(shù)量與原始圖像類似的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，像素與像素在源視頻過(guò)濾版本和劣化圖像之間的差別可用來(lái)測(cè)定客觀質(zhì)量評(píng)分，它具有與圖像變化有關(guān)的完整信息，是最精確的方法。通常使用一套十分復(fù)雜的計(jì)算方法，是基于包括暫態(tài)和彩色響應(yīng)的人眼視覺系統(tǒng)的模型。由于圖像差值法使用了復(fù)雜的處理算法，其精度優(yōu)于另外兩種方法，可作為數(shù)字視頻系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估的主要手段。

由于完整的源視頻是可以利用的，從而能進(jìn)行另一類不太復(fù)雜的計(jì)算，例如傳統(tǒng)上使用峰值信號(hào)與噪聲之比來(lái)評(píng)估源圖像與被處理圖像之間的差別。由于圖像在空間和時(shí)間上的復(fù)雜程度不同，因而會(huì)產(chǎn)生有關(guān)序列不一致的結(jié)果，但它仍然是有用的基準(zhǔn)，并可用來(lái)檢測(cè)圖像之間人眼不一定能察覺的細(xì)微差別。采用圖像客觀評(píng)估系統(tǒng)處理問(wèn)題是人類感知圖像質(zhì)量的過(guò)程，但人類視覺響應(yīng)具有高度非線性特征，由于壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多圖像具有非線性特征，圖像客觀評(píng)估系統(tǒng)并不一定能完全替代感知。因此，當(dāng)圖像客觀評(píng)估系統(tǒng)輸出的各類客觀評(píng)估參數(shù)值與主觀MOS評(píng)估數(shù)據(jù)相近時(shí)，圖像客觀評(píng)估系統(tǒng)方可采信。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字視頻系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試與評(píng)估方法將隨著各類新技術(shù)發(fā)展而逐漸成熟，對(duì)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的客觀評(píng)估必將成為數(shù)字視頻系統(tǒng)評(píng)估的主要手段。