运动图像清晰度测试序列设计及发生技术研究

殷玉喆，胡菊萍，项道才

（工业和信息化部电子工业标准化研究所 计量与检测中心，北京 100176）

责任编辑:孙 卓

0 引言

以液晶显示、有机光电显示（OLED）为代表的平板显示器由于体积小、重量轻、清晰度高，已经取代传统显像管而成为消费类电子主流显示器。但液晶等平板显示器由于物理机理或驱动电路设计等原因，显示动态图像时的清晰度与静态图像相比存在一定的恶化现象[1]。例如，液晶显示器静态分辨力可以达到1000线以上，但在显示每场5像素的运动图像时，通常动态清晰度不足700线。显示器动态清晰度的降低会产生“拖尾”等运动伪像，严重影响主观图像质量。运动图像清晰度测试早期与静态图像清晰度一样采用主观评价方法，但在实践的过程中发现，主观评价结果由于受到评价者个体因素影响而有比较大的不确定度，而且评价过程不够快速方便。因此，国内外一直在研究可靠的客观测试技术。近年来，多种评估平板显示器运动图像质量的技术被提出[2]，例如，国内牡丹视源提出的运动图像拖尾响应时间测试法[3]，东南大学提出的“运动图像响应时间”测试法，工业和信息化部电子工业标准化研究所计量检测中心提出的动态调制度及动态清晰度测试方法[4-5]，以及日韩等企业提出的追踪相机、高速相机等测试方法。目前在该领域国内和国际的标准制订时往往采用多种测试方法并存的策略。但无论采用何种测试方法，运动图像清晰度测试序列的设计及实时播放都是基础性技术。本文采用Matlab设计了主观评价及客观测试通用的动态清晰度测试序列，并通过优化Canopus HD storm非线性编辑系统来实现了序列的实时播出，通过与泰克的VM5000以及TG700的比对试验，分析了该视频测试序列发生装置的误差。

1 动态清晰度测量序列的设计技术

清晰度的测试通常采用等间隔的黑白条纹作为测试信号[6]。按照目前的国家标准及电子行业标准，静态清晰度的测试采用0～100%满幅的10黑9白的测试条纹，而动态清晰度的测试采用5黑4白的测试条纹[7-8]。动态清晰度测试目前主要针对水平方向，测试时该条纹按照一定的运动速度“像素/场”在显示器上运动。日本芝测设计的测试序列如图1所示。

该测试序列在300～1000线间按照50线的间隔设置测试点，外加1080线。借鉴灰阶响应时间的测试方法，芝测的序列将背景亮度及清晰度条纹中的“黑”和“白”条纹都做了3阶处理，比0～100%满幅调制的传统的静态清晰度测试条纹设计更加合理，最终的动态清晰度测试结果由以上9种情况的测试结果平均而得。本文设计的清晰度测试序列的目标及特点包括以下几个方面:

1）主观评价及客观测试通用。即该序列可以同时应用于主观评价与客观测试，加入了追踪相机或高速相机定标用的交叉十字。

2）静态图像清晰度及动态图像清晰度测试通用。即静态或不同运动速度的动态测试，采用的序列结构基本相同。

3）复合测试能力。测试序列的每一帧都包括水平清晰度、垂直清晰度、重显率、单色场、灰度阶梯、彩条、灰度小斜坡、多波群、灰度极限8阶梯等常用测试信号，同时还有标注运动速度的标记。

本文采用Matlab作为编程平台，通过A（i，j，k）三维数组来对目标帧的每一个像素进行设定，例如对于1920×1080/50 Hz高清视频，i维对应1080行方向，j维对应1920列方向，k维对应RGB每个像素。计算设置好每个像素的RGB值之后，再通过imwrite（A，name，‘BMP’）函数来生成完整的一帧。其中，name是文件名，考虑到测试序列播出平台的要求，可以将name设定为一个连续序列，BMP是无损压缩帧图像，保证测试序列从设计到播出的过程没有任何压缩损伤。

清晰度测试信号采用满幅度调制的10黑9白正弦波，则沿该运动方向在待分析区域的第j个像素的亮度数值满足

式中:W0是该方向物理分辨力；WL是该黑白条纹对应的电视线；测试条纹以v像素/场运动时，如果某场时位置j的像素的亮度是G（j），则下一场时，位置j+v处像素的亮度也是 G（j）。

75/0/100/0彩条信号需要将YPbPr的电平信号空间变换成RGB色度空间，变换公式为

多波群信号的每一个波包都采用满幅度调制的正弦波，该波包的第j个像素为

式中:fi是第i个波包，f0是最大带宽，对于1920×1080/50 Hz高清视频，最大带宽为37.125 MHz。

最终设计的一帧BMP图像如图2和图3所示，整个序列由200帧类似图像构成，持续时间为8 s。

每一帧BMP图像的边缘是从95%～100%的重显率测试框以及必要的Logo，上部是单色场以及灰度小斜坡，左上是极限灰度8阶梯，中部是从500～1080线的30线或40线间隔的水平及垂直清晰度测试条纹，以及定标用的交叉十字。考虑到静态测试与动态测试的一致性，本文提出的测试序列均采用10黑9白满幅度调制的设计方案。下部是75/0/100/0彩条、灰度10阶梯以及多波群信号。其中多波群波包为1 MHz，5～30 MHz（间隔5 MHz）。

2 动态清晰度测量序列的实时播放技术

本文对非线性编辑系统进行了软件设置上的优化，实现了实时播放自主设计的测试序列功能。非线性编辑系统通常由硬件及软件两个部分构成，其中硬件部分采用PCIexpress接口与宿主PC进行数据交换，从宿主机中得到待播出的视频序列的数据，然后形成视频帧，最终通过特定的视频输出接口播放。软件部分有视频序列载入接口，可以输入用户定制的BMP格式的视频帧序列，并在特定的时间线位置上播放。本文采用了Cano⁃pus公司的非线性编辑系统，其中硬件部分包括HD spark pro和HD storm，支持的接口包括YPbPr，SD/HD-SDI，HDMI，制式支持到 1080i/50 Hz/60 Hz。软件部分是Edius5.0，支持逐行/隔行、奇场/偶场在前、缓存深度等设置。由于在无压缩情况下，1080i/50 Hz的数据率达到了1.485 Gbit/s，超过了硬盘及接口的读取速度，但如果进行有损压缩又会损伤图像质量，造成测试结果的误差。Edius软件提供Canopus无损压缩模式，可以保证只压缩图像的冗余和重复部分，而不会对图像质量造成任何损伤，特别适用于帧内和帧间存在大量冗余和重复数据的测试序列的压缩。测试结果表明，无损压缩后，Edi⁃us缓存利用率可以达到127/128，几乎始终在最大缓存的状态下工作，保证测试序列的实时播放。

3 比对试验及误差分析

本文通过将上述的基于自行设计的测试序列与非线性编辑平台的视频发生系统与泰克的视频分析仪VM5000以及视频信号发生器TG700进行比对试验，测试接口为YPbPr。比对试验系统如图4所示。

比对试验结果如下:

1）本文的视频发生系统的清晰度测试条纹波形。VM5000的测试结果显示1080线的波包有比较明显的拍频现象，呈Sinc函数分布，在1000线及以下不受影响，如图5所示。

2）本文的视频发生系统的多波群测试条纹波形。VM5000的测试结果显示从1～30 MHz的各个测试频点上，该系统都具有良好的频率响应。调制波包的频率响应为1%，3 dB带宽达到了30 MHz。多波群波形如图6所示。

3）本文的视频发生系统的灰度阶梯测试条纹波形。VM5000的测试结果显示灰度10阶梯的线性最大误差限为5.2%，黑场电平要略低于消隐电平。测试结果如表1和图7所示。

表1 本文的视频发生系统的灰度阶梯电平测试结果

4）本文的视频发生系统的彩条波形。VM5000的测试结果显示本文的视频发生系统的彩条电平与标准值，以及TG700的输出值有一定偏离，而且满幅度电平要超过标准值700 mV大约10%，黑电平要低于消隐电平。但带内平坦度和噪声特性与TG700相比并无恶化，因此适当标定后，是可以作为标准彩条输出的。彩条电平测试结果如表2所示，波形如图8所示。

表2 本文的视频发生系统的彩条电平测试结果

5）本文的视频发生系统的噪声特性。通过对灰度小斜坡的比对测量，可知本文的视频发生系统的噪声系数为-50.6 dB，而TG700的噪声系数为-52.4 dB，基本相当。

4 小结

本文采用Matlab设计了主观客观通用并可以产生各种运动速度的运动图像清晰度测试序列，并采用非线性编辑平台作为视频播出平台。通过无损压缩和缓存技术，实现了1920×1080i/50 Hz序列的实时播放。通过与TG700及VM5000的比对试验发现，本文的视频发生系统的多波群频率响应达到1%，3 dB带宽达到了30 MHz，可以满足1000线以内静态及动态清晰度测试的需求。超过1000线时，清晰度测试条纹波形存在一定的Sinc变形，但仍可用于主观评价。系统的彩条电平准确性与标准值有一定偏差，可能与非线性平台的常用的亮度色度“美化”有关，但噪声特性与TG700基本相当，只要适当校准，仍然可用于测试用的视频信号发生器。

[1]宋文，李晓华，杨晓伟.平板显示器中运动模糊的测量分析[J].真空科学与技术学报，2007，27（2）:105-108.

[2]殷玉喆，徐英莹，高宏锦.平板电视图像测量装置及计量体系[J].电子测量，2007（8）:8-14.

[3]徐康兴.运动图像拖尾及拖尾时间的测量[J].电视技术，2005，29（1）:100-102.

[4]殷玉喆，胡鹏，孙齐峰，等.平板电视运动图像清晰度的测量[J].电视技术，2007，31（5）:93-96.

[5]殷玉喆，胡菊萍，项道才.一种显示设备运动图像清晰度测试方法:中国，200910091377.1[P].2010-02-17.

[6]李桂苓，李秀敏，赵希.数字电视图像清晰度[J].电视技术，2005，29（12）:80-83.

[7]数字电视接收设备测试方法标准工作组.SJ/T 11348—2006数字电视平板显示器测量方法[S].北京:中国电子技术标准化研究所，2006.

[8]孙奇峰，张素兵，刘云.等离子数字电视动态图像清晰度测量方法[EB/OL].[2010-11-16].http://www.pconline.com.cn/mall/guide/tech/0804/1276861.html.