关于光源色度参数对体育比赛电视转播图像质量影响的研究

李兴林 李炳华 董青 杨庆伟 刘娜 张巧玲

(中建国际设计顾问有限公司，北京 100013)

1 引言

根据原建设部建标2008［102］号文件，有作者单位主编的《体育建筑电气设计规范》编写组针对目前国内外关于体育场馆照明设计中，光源色温、显色指数选择的争议确立了《关于光源色度参数对体育比赛电视转播图像质量影响的研究》的科研课题，现在课题研究已完成。现把研究成果汇报如下:

2 课题背景

随着广播电视技术的发展，电视机由黑白电视、彩色电视、数字电视发展到今天的高清数字电视。由于竞技体育的观赏性，到比赛现场或通过电视转播观看大型赛事的人群众多，体育赛事的转播越来越受到人们的喜爱。众多商家也借助大型赛事进行广告宣传。而商家的广告又成为大型赛事的主要经济来源。因此在体育场馆设计中，体育比赛电视转播图像质量必须保证满足运动员、裁判员、现场观众、电视观众以及商业广告的需要。体育照明设计在体育场馆的设计中占据着越来越重要的位置。

现在国内很多规范对具有电视转播要求的体育场馆照明都有规定，比如按照《电视演播室灯光系统设计规范》的规定，彩色电视照明要求光源的显色指数不低于85。《体育场馆照明设计及检测标准》中对于有重大电视转播要求的场馆照明也要求光源的显色指数不低于80。这就导致现在国内的设计师普遍认为如果光源的显色指数低于80，电视转播彩色画面的色彩质量就会受到较大影响。然而现在国际上高清电视转播对体育场馆照明显色指数与色温的要求也是不一致的，出现了欧美两大流派，一些国际组织相关文件对这一问题也存在着争议。一方认为显色指数不小于65就可满足电视转播图像质量的要求，而另一方认为显色指数不小于80才满足电视转播图像质量的要求。

基于以上问题的争议，我们特别邀请了国内在光源、灯具、照明设计、体育工艺、电视摄像与灯光等各方面的专家共同参与课题的试验、研究，得出了比较准确、合理的试验结论。

3 课题的研究方法

该课题的研究内容是研究体育场馆光源的色度参数色温、显色指数对电视转播图像质量的影响，其中主要是电视图像色彩还原质量的影响。既不单纯是体育场馆光环境的主观评价，也不单纯是电视图像质量的主观评价。而是通过评价电视转播图像质量来评价光源色温、显色指数对电视转播图像色彩还原质量的影响。所以根据现有的评价光环境、评价图像质量的方法标准，确定合适的评价方法，是课题必须解决的首要问题。

3.1 电视图像质量标准及其评价方法

电视转播图像质量的评价方法分为主观评价方法与客观评价方法。客观评价又分为画面质量评价与声音质量评价。由于电视转播声音效果与场馆照明无关，所以本课题不予研究。

3.1.1 电视图像主观评价方法

由于电视面向观众，电视观众群体的心理感受是检验电视图像质量的基础。实验心理学指出，在感觉测试中，相对判断比绝对判断更加稳定、可信度更高，所以图像质量的评价主要采用主观评价。

主观评价分为质量等级评定和损伤等级评定两种方式。它们都是针对图像的逼真度、可懂度和总体感觉等3个方面来进行评价。这3个方面能够涵盖图像信号的亮度、对比度、清晰度、颜色平滑度、实时性等指标。高清数字电视图像质量分为5级，优、良、可、差、劣。图像质量损伤标度分为五级:不察觉，可察觉、但不讨厌，稍有讨厌，讨厌，非常讨厌。主观评价方法主要有双刺激连续质量标度法 (DSCQS)、双刺激损伤标度法 (DSIS)，还有单刺激方法、刺激比较法和单刺激连续质量评价法等方法。这些主观评价方法都有其各自的优点和局限性，目前还没有一种公认的、通用性强的主观评价方法。在实际应用中，可以针对不同的评价目的选择不同的评价方法。双刺激测试方法采用了原始基准图像，可获取更为准确的主观评价结果，因此，在数字电视图像质量的主观评价中，一般多采用DSCQS和DSIS作为评价方法。

(1)双刺激连续质量标度法 (DSCQS)

在这种评价方法中，需要对每个测试图像两种状态进行评分。其中一个来自信号源的基准图像，另一个是被测的图像。基准图像与被测图像先后次序以伪随机方式变动，观看员只对图像的总体质量评分，评价两次或多次。

(2)双刺激损伤标度法 (DSIS)

在这种评价方法中，把被测图像与基准图像混合排序，观看员根据基准图像对被测图像的损伤情况进行评价。

3.1.2 电视图像客观评价方法

客观评价主要是使用一些仪表或工具来对图像清晰度、帧速率、延时、运动补偿等指标进行定量评价。

由于主观评价结果容易受测试环境、观看员、评价方法等多方面因素的影响，实施过程比较复杂，影响了其在实际中的广泛应用，更无法实现实时在线的视频质量测量，所以对电视图像质量除了需要进行主观评价外，一般还可进行客观评价。

客观评价方法大致可以分为:传统的客观评价方法与基于视觉感知模型的客观评价方法。电视图像质量客观评价方法还处于进一步研究过程中，目前还没有一个国际公认的、通用的客观评价方法。

(1)传统的客观评价方法:传统的客观评价方法主要以均方误差 (MSE)、峰值信噪比 (PSNR)、加权均方误差 (wMSE)等方法为代表。虽然在某些测试环境下，上述算法所获取的评价结果与主观感受并不完全一致，但在大多数情况下，其测量结果还是比较可信的。更由于这些算法计算简单，结果直观，因此至今仍被广泛采纳。

(2)基于视觉感知模型的客观评价方法:要想获得与主观评价有较高相关性的客观评价结果，在客观评价算法的设计中必须考虑人眼视觉系统(HVS)的感知特性和视觉心理特性。在目前的客观评价研究中，根据对无失真原始视频基准图像的依赖程度，可以大致将算法分为以下3类:

① 全参考视频质量评价 (FR—VQM):在受损视频图像序列和原始图像序列之间进行逐帧逐像素的比较，将得到的差值数据进行视觉滤波和统计分析，由此确定受损图像的损伤程度。Sarnoff实验室提出的JND模型是这种方法的典型代表。FR—VQM算法评价结果相对准确，但运算时空代价大，因此不适合实时的质量测量。

② 缩减参考视频质量评价 (RR—VQM):不需要全部的原始图像作为参考，只定义并提取原始图像序列的指定特征参数，对受损图像序列也提取同样的特征参数，通过特征参数的统计分析来获取受损视频的评价结果。NTIA开发的标准清晰度视频序列的VQM模型是这种方法的典型代表。

③ 无参考视频质量评价 (NR—VQM):无需任何原始图像的信息，直接对被测视频图像进行分析和评价。实际应用中可以将NR—VQM分为两类:

a.不需要解码，直接分析传输流中的压缩码流，通过提取指定特征参数，来分析和评价图像质量。

b.对解压缩后的视频图像进行分析 (即基于像素的分析)，寻找诸如块边缘，水平和垂直边缘能量或图像模糊等技术指标，进行质量评价。NR—VQM具有速度快、可实现实时在线评价等优点。

3.1.3 主观评价与客观评价

客观评价方法结果只有在与主观评价结果有较高一致性的情况下，才有可能取代主观评价过程。目前对电视图像质量的评价主要采用主观评价方法。

3.2 影响电视转播图像质量的因素

电视图像质量可分为清晰度与色彩还原两方面。

(1)影响电视转播图像质量的因素

从电视转播信号流程来分析，从摄像机、转播车、电视台、电视卫星、地面站、空中及地面信号的传输、一直到电视接收机，对于后续播放的体育比赛电视节目还有录制设备，这些设备都可能影响电视转播图像的质量。

(2)影响电视转播图像色彩还原质量的因素

这其中对电视信号色彩还原影响比较大的技术环节有体育场馆的光环境、摄像机的色彩还原性能、电视机的显示元件及屏幕的色彩还原性能。工程经验证明信号传输对色彩还原影响不大，可以忽略。如果我们采用色彩还原性能符合要求的摄像机、电视接收机，就可忽略摄像机、电视接收机对电视转播图像色彩还原的影响，就可通过电视图像来评价场馆的光环境对图像质量包括色彩还原质量的影响。

(3)场馆照明光源色度参数对电视图像色彩还原的影响

体育场馆照明光源的色度参数包括色表、色温(相对色温)、显色指数，对场馆电视转播图像色彩还原影响的主要是光源的色温 (相关色温)、显色指数。

3.3 课题研究方法的确定

通过以上分析可以得出以下结论:

(1)评价电视转播图像质量，包括评价色彩还原质量，需要通过评价电视观众的总体感受即评价电视图像的总体质量来实现。

(2)评价电视转播图像色彩还原质量需要采用主观评价方法。

(3)可以通过评价采用不同色温、显色指数光源场馆的电视转播图像质量来评价光源色温、显色指数对电视转播图像色彩还原质量的影响。

4 课题对电视转播图像质量的评价方法

4.1 参考标准

由于本课题中的评价方法尚无标准可依，故本课题试验主要参考、借鉴以下标准:

(1)GY/T134—1998《数字电视图像质量主观评价方法》

(2)GB/T22123—2008《数字电视接收设备图像和声音主观评价方法》

(3)GB/T12454—2008《视觉环境评价方法》

(4)ITU—R BT500—11《电视图像质量主观评价方法》

(5)ITU—R BT710—4《高清晰度电视图像质量的评价》

(6)ISO/IEC13660—2001《信息技术、办公设备、硬拷贝输出图象质量属性的测量二进制单色文本和图象》

4.2 节目源

由有关电视台提供的电视转播录像片段共10段，其中1段录像用于演示，给观看者讲解评价方法、要求和注意事项;其余9段录像用于评价。这10段录像分别为不同显色指数和色温条件下的录像。这些录像节目拍摄的光环境既有色温5500K、显色指数90的场馆，也有拍摄的光环境为色温4000K、显色指数65的场馆。由于电视录像由国际知名电视台所直播，且为职业性比赛，场地照明的照度、照度均匀度均满足电视转播要求。录像片段只提供画面，不提供场馆任何光环境参数，以便观看者客观评价。

运动项目有足球、篮球、橄榄球、冰球等。

4.3 观看者

(1)与会专家15名，包括:光源、灯具、照明设计、体育工艺、电视摄像与灯光等各方面的专家。

(2)非专业人员，共计55人，包含各年龄段、不同学历人员。

(3)观看者对各段录像节目拍摄场地的光环境并不了解。

观看者总计70人，具有相当的广泛性和代表性。其中专家15人，占21.4%;非专业人士，即普通观众55人，占78.6%。男性观看者37人，占近53%;女性过47%，达33人。30岁及以下的青少年共计40人，占绝大多数，符合年轻人热爱体育运动的特点，达到58%;30～40岁的中青年共计17人，占24.6%;40～60岁的中老年群体也有7人，占10%强;60岁以上的老年人共5人。详见图1。

4.4 播放系统

一个节目源，两台液晶电视机、两台液晶显示器，同时播放，如图2所示。电视机用于观看者观看，显示器用于工作人员观看。

4.5 观看环境与距离

观看者垂直距离显示屏的距离为4～6倍图像高度，观看员的座位布置在电视机中垂线±30°的水平方向内。观看录像节目时关灯 (见图3)。

4.6 评价程序

4.6.1 专家评价程序

① 播放一段录像做演示;

② 播放第一次录像，共9段。各位专家按逐段录像分别评价。专家按自己的主观感觉对9段录像分别进行评价。评价分为5级:优、良、一般、较差、差;

图1 观看者人员构成

图2 播放系统框图

图3 观看者位置示意图

③播放第2次录像，各位专家按照上一步方法逐段评价。

4.6.2 非专业人员评价程序

① 播放演示录像;

② 逐段播放其余9段录像，并按照专家评价的方法和步骤逐段评价;

③ 播放第2次录像，进行第二次逐段评价。

4.7 数据处理

4.7.1 汇总统计

① 等级分值:优 100，良 80，一般 60，较差40，差 20;

② 按录像段分别统计计算分值;

③ 同一观看者对同一段录像前后两次评价差两级 (即差40分)时，该观看者的评价作废;

④ 按显色指数为65、色温4000K与显色指数90、色温5500K分别统计计算。

4.7.2 计算

(1)每一段录像图像质量的平均值:

式中 U——每一段录像图像质量评分;

n——有效问卷的数量;

P—— 评价次数;

ui——第i个观看者评价分值。

(2)光源显色指数为65、色温4000K的录像图像质量的平均值U65:

式中 U65——光源显色指数为65、色温4000K时的图像质量评分;

Ui—— 第 i段显色指数为65、色温4000K的图像质量评分;

n——光源显色指数为65、色温4000K的录像段数;

(3)光源显色指数为90、色温5500K的录像图像质量的平均值U90:

计算过程同 (3)，得出U90。

(4)综合专家主观评价和非专业人员主观评价，电视图像质量的主观评价值按公式3计算:

式中 U—— 电视画面质量的主观评价的加权平均值;

k——权重系数，0～100%，由专家各自打分计算得出;

Us——专家主观评价平均值，由公式(1)和公式(2)计算得出;

Ua——非专业人员主观评价平均值，也由公式(1)和公式(2)计算得出。

(5)权重系数k的确定

权重系数由专家组专家各自填写，见表1，并由公式 (4)计算得出:

式中 ki——第 i位专家的权重系数，0～100%;

n——参与投票的专家数量;

k——最终权重系数。

表1 权重系数投票表

根据专家投票，得出专家权重系数的统计结果为60%。

4.8 评价结论

专家组根据专家评价结果与非专业人士评价结果进行综合评价，做出评价结论。

5 课题对电视转播图像质量主观评价的结果及其分析

5.1 初步结论

本次试验按照上述评价方法得出下列数据，表2所示。

表2 主观评价分数

5.2 综合结论

综合专家主观评价和非专业人员主观评价，考虑权重系统，得出的最终结果如表3。

表3 综合权重系数评价分数

5.3 评价数据分析

根据现场情况及对1300多数据的分析，可得出以下结论:

(1)专业人士评价平均分数比非专业人士评价平均分数高。

(2)同年龄段人士中，女士评价平均分数比男士评价平均分数高。

(3)文化背景大体相同的人士中，年龄大的评价平均分数比年龄小的评价平均分数高。

6 课题研究结论

根据专家组与非专业人士对电视录像片段的评价及对其试验数据的分析，本课题最终得出结论:在《体育建筑电气设计规范》中，关于体育场馆比赛电视转播对照明光源的要求，可以参照CIE标准的规定，显色指数≥65、色温3500K～6500K。

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