不同量化比特數對超高清圖像質量損傷的影響研究

許江波，姜秀華

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

不同量化比特數對超高清圖像質量損傷的影響研究

許江波，姜秀華

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

通過挑選比較嚴格的超高清視頻測試序列，采用x264壓縮編碼軟件，計算量化比特數為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數對超高清圖像質量損傷的影響。由實驗數據得出，同一序列在同一碼率下，量化比特數為10相比量化比特數為8的序列的PSNR高0.7 dB左右，也即量化比特數為10的序列相對量化比特數為8的序列碼率節省5%～20%左右。

超高清圖像;PSNR;量化比特數

1 UHDTV及其技術參數

人們對高質量圖像和聲音的追求是永無止境的。近年來，隨著視頻編碼和網絡技術的快速發展，人們已不滿足于HDTV的圖像質量，轉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°。實驗表明，為了給觀眾提供真實的臨場感體驗，觀看電視的視角應大于100°，觀看距離應為圖像高度的0.75倍［1］。要滿足上述條件，分辨率大約為8k×4k，因而產生了比HDTV具有更大視角更高分辨率的電視標準——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的環繞立體聲效果的系統。其目標是為觀眾提供提高的真實感和臨場感。

2006年發布的ITU-R BT.1769建議書《Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange(適用于節目制作和國際節目交換的、對應于經過擴展的大屏幕數字化成像體系結構的影像格式的一些參數值)》［2］對超高清晰度系統的圖像格式進行了標準化。2012年5月28日ITU-R負責廣電業務系統標準擬定的第6研究組下設的擬定基帶信號規范的工作組WP6C發布了關于超高清電視的建議書《Parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange(適用于節目制作和國際節目交換的、超高清電視系統的一些參數值)》［3］，規定了兩個層級的超高清電視——UHDTV1 (3 840×2 160)與UHDTV2(7 680×4 320)。UHDTV的主要技術參數參見表1［3］。

表1 UHDTV主要技術參數

從表1可知，超高清圖像要求其量化比特數為10或者12，而之前實際的HD及SD系統中，普遍采用的量化比特數為8，基于此，本文采用標準的UHDTV1測試序列，采用x264壓縮編碼軟件，計算量化比特數為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數對超高清圖像質量損傷的影響。

2 峰值信噪比

在圖像質量客觀評價算法中，PSNR在實際工作中得到廣泛應用。主要是由于其計算公式簡單，便于理解和實現。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一樣的廣泛認同。其計算公式如式(1)所示

式中:bits表示量化比特數;MSE為均方誤差，其計算公式如式(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 實驗內容

本次實驗共用了4個超高清視頻信號源，分別是ParkJoy，DucksTakeOff，CrowdRun和InToTree，如圖1所示。每個序列長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］的建議計算了空間信息(Spatial perceptual Information，SI)和時間信息(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雜度，如ParkJoy和CrowdRun，而左下方圖像的復雜度較低，如InToTree。

圖1 超高清信號源的第一幀截圖

圖2 序列SI和TI均值的分布

本文采用x264對量化比特數為8和10的信號源進行壓縮得到不同碼率的測試序列，其相關參數及最終選定碼率如表2所示。

表2 x264 encoding settings

4 實驗結果及分析

圖3為每個序列量化比特數分別為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，量化比特數為10比量化比特數為8的序列高0.75～0.8 dB。對于DucksTakeOff序列，相同碼率下，量化比特數為10比量化比特數為8的序列高0.7～0.75 dB。對于CrowdRun序列，相同碼率下，量化比特數為10比量化比特數為8的序列高0.7～0.8 dB。對于InToTree序列，相同碼率下，量化比特數為10比量化比特數為8的序列高0.68～0.77 dB。

圖4為4個序列量化比特數分別為8和10的PSNR均值對比圖。從圖中可以看出，相同碼率下，量化比特數為10比量化比特數為8的4個序列的PSNR均值高0.71～0.77 dB。由此可以看出，對于不同復雜度的測試序列，量化比特數為10的各序列相對量化比特數為8有5%～20%左右的碼率節省。分析其原因，主要是因為在H.264/AVC壓縮編碼算法中，量化比特數為10相對于量化比特數為8，在運動補償，幀內預測等方面能提供更高的匹配精度，從而減小其匹配誤差，即在相同的目標碼率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特數為10，在相同的目標碼率下，可以采用更小的QP(Quantization Parameter，量化參數)值，等到更好的圖像質量，即PSNR值更大。

圖3 量化比特數為8和10的各序列PSNR對比圖

圖4 四個序列量化比特數分別為8和10的各碼率PSNR均值對比圖

5 小結

本文采用x264對量化比特數分別為10和8的超高清視頻序列進行壓縮編碼，計算并比較其PSNR值。由實驗數據得出，同一序列在同一碼率下，量化比特數為10比量化比特數為8的序列的PSNR值高0.7 dB左右，也即量化比特數為10的序列相對量化比特數為8有5%～20%左右的碼率節省。這主要是因為在H.264/AVC壓縮編碼算法中，量化比特數為10相對于量化比特數為8，在運動補償，幀內預測等方面能提供更高的匹配精度，從而減小其匹配誤差，即在相同的目標碼率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特數為10，在相同的目標碼率下，可以采用更小的QP值，得到更好的圖像質量，即PSNR值更大。

［1］孫樂民，薛永林.超高清數字電視關鍵技術研究［J］.電視技術，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，從事數字電視技術、視頻圖像質量評價和數字視頻壓縮編碼等教學和科研工作;

?? 雯

2013－08－21

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

姜秀華(1955— )，教授，博士生導師，從事數字電視技術、數字視頻信號處理和數字視頻壓縮編碼等教學和科研工作。