AVS+压缩编码高清视频质量分析

池健晖，雷霄骅

(1.北京世纪睿科系统技术有限公司，北京 101111；2.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)



AVS+压缩编码高清视频质量分析

池健晖1，雷霄骅2

(1.北京世纪睿科系统技术有限公司，北京 101111；2.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

摘要：当代数字视频信号处理技术得到了广泛地应用。本文的课题实验搭建了基于AVS+和H.264的硬件的压缩编解码平台，对高清视频进行了不同码率的压缩编码的实验，采用了客观质量评价方法SSIM以及PSNR对解码后的视频图像质量进行客观评价，并与H.264压缩编码质量进行了比较。

关键词：视频编码；AVS+；H.264；硬件系统；客观质量评价

1引言

近年来，我国高清电视频道数量逐步增多，3D电视频道已经开播，无论是卫星、有线还是地面数字电视系统，随着开播频道的增多，传输带宽日趋紧张，所以视频图像处理技术成为多媒体中一项重要的技术[1]。AVS+视频标准的技术框架与H.264 类似[2-3]。笔者利用视频客观评价的方法，结构相似法SSIM和峰值信噪比PSNR，通过它们来比较两者编解码后的图像质量，进行结果数据的对比并同时对影响两种结果的原因进行分析。

2AVS+背景介绍

AVS+是2012年7月发布的《广播电视先进音视频编解码第1 部分：视频》行业标准。2012年7月10日，国家广播电影电视总局正式颁布了《广播电视先进音视频编解码第 1 部分：视频》行业标准，即GY/T257.1-2012，简称AVS+。在国标体系中，AVS+对应《信息技术先进音视频编码第16 部分：广播电视视频》。AVS+是我国自主创新的视频编码技术，具有更高的编码效率，与同类国际标准H.264/AVC 编码效率相当，用AVS+标准作为广播电视的视频编码，可解决广播电视行业面临的频道资源问题。

3全参考视频质量评价分析方法

3.1综述

对视频图像进行质量评价分析的研究是视频图像处理的一个基本研究。对于图像处理图像的传输链路，它的目的始终是图像的本质，视频图像的质量是判别这些信息的重要指标。它不仅有其理论意义，更重要在于实际应用，同时它也有广泛的需求。当代视频编码压缩技术的速度发展，是因为人们对多媒体信息的需要，而正是这些需求也同时促使视频图像质量评价的研究工作的迅速发展。

3.2视频图像质量评价的研究

人对视频图像的感知和获得的信息是当今社会的前沿课题之一。在视频图像质量评估的主观评价中，国际视频质量专家组(VQEG)接受的一些视频质量评估方法，主要以人类视觉系统(HVS)方面的研究为主[7-8]。

3.2.1PSNR(峰值信噪比)方法

在测试数字视频质量中，PSNR是最常用的客观测试指标。在测试过程中，按照标准，测试者使用符合标准规定范围内的多样化的测试信号，对数字电视信号进行8bit量化，各像素噪声值N(x，y)指的是解码重建图像各像素信号值Y(x，y)与源图像对应像素信号值X(x，y)之差。把各像素的噪声之和对整帧图像像素总数(M)求平均得到PSNR。

但是，PSNR方法也存在着一些不足；根据人们的视觉经验，当观察一幅图像时，人的大脑通常会受到我们感兴趣区域的影响，图像中各感兴趣区兴趣程度的差异也影响对图像的质量评价。从人物的头肩部分上来说，人脑通常对人面部的眼部区域感兴趣，对这一部分的失真度尤为敏感，而对其他部份兴趣较低，主观上允许存在较大的失真，这就对视觉感知的结果影响较小但是确对PSNR值容易造成较大的下降，这就使得主客观评价不一致。

3.2.2SSIM(基于结构失真的视频质量客观评价)方法

笔者引用Zhou Wang等人提出的结构相似性理论，他的这种理论认为：人眼的主要功能是从视野中提取结构信息，对结构信息的测量应该是对图像感知的一个近似。一般自然图像的像素与像素之间带会有很强的从属关系，图像采样之后会有一些特定的结构，这些结构关系包含了视觉场景中重要的结构信息。结构相似性理论的实现SSIM(结构相似度指数)从图像组成的角度将结构信息定义为独立于亮度、对比度的，反映场景中物体结构的属性，并将失真建模为亮度、对比度和结构三个不同因素的组合，它的实现如图1所示。Wang提出了一种新的视频质量客观评价方法：基于结构失真的图像和视频质量评价方法——结构相似(structural similarity，SSIM)法[9-10]。

SSIM法的核心函数定义为：

S(x，y)=f(l(x，y)，c(x，y)，s(x，y))

图1　SSIM实现框图

(1)根据框图中“综合考虑”的结果就成为笔者用软件分析的测试序列评价值，它来自逐帧测试结果的取平均值。

4AVS+和H.264压缩视频质量评价实验及分析

4.1视频序列准备

本次实验选择的4个序列属性特征如表1。

表1　测试序列的属性参数

(3) Park_joy　　　　　　　　　　　　　　　　　(4) In_to_tree图2　实验用的4个测试序列

所选的测试序列在时间和空间上都有各自的特性。视频序列截图如图2，测试序列的特征如表2。

表2　测试序列的时域与空域特征

4.2实验方法

笔者分别采用的专业编解码器如表3所列。

图3所示为系统结构图，两组硬件系统分部对上述4个视频序列进行了压缩编码和解码。在对视频序列进行AVS+或H.264 编码时，保持AVS+和H.264两组硬件配置结构相关参数一致从而使本文客观实验结果具有可比性。

表3　AVS+及H.264编解码器及编码参数

图3　系统结构图

4.3实验结果

实验结果整理成表格如表4、表5：

表4　AVS+的SSIM实验结果

表5　H.264的SSIM实验结果

分析得到表4和表5分别是AVS+标准下的SSIM值以及H.264标准下的SSIM值。为了更加直观方便的对比它们两种评价值的特征差异等，用折线图的方式把它们绘制出来，如图4。

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree图4　不同特征序列下的SSIM值与码率的关系图

图4由a、b、c、d四个折线图组成，分别表示了4个不同序列在两种编码标准下的对比。将在实验结果分析中阐述笔者根据实验结果折线图得到的结论和分析。

表6　AVS+的PSNR实验结果

表7　H.264的PSNR实验结果

表6和表7分别是AVS+标准下的PSNR值以及H.264标准下的PSNR值。同理为了直观方便地对比它们两种评价值的特征差异等，用折线图把它们绘制出来，如图5所示。

图5由a、b、c、d四个折线图组成，分别表示了4个不同序列在两种编码标准下的比较。笔者也将在实验结果分析中阐述根据实验结果折线图得到的结论和分析。

4.4实验结果分析

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree图5　不同特征序列下的PSNR值与码率的关系图

AVS和H.264在编码框架上大体上是相似的。首先根据图4以及图5来看，4条序列在两种编码标准下的评测对比图能反应出，两种标准下的质量评价结果都非常的接近，相差并不大。而通过SSIM和PSNR单个的比较分析说明，对于运动平缓、细节比较少的图像之间的相关性较大的视频序列(如Ducks_take_off、Park_joy序列)，H.264与AVS+的差别不大，甚至在10M的码率时第2个测试序列AVS+下的SSIM实验质量结果比H.264的更好一点，而在大于11M码率时第3个测试序列AVS+下的PSNR质量评价结果已经超过了H.264；对于纹理比较多、运动比较随机而且繁富的视频序列(例如Crowd_run序列)，H.264的客观性能比AVS+要优越。

考虑到实验中对于帧间图像类似差别不明显，细节相对较少运动平缓的视频序列如In_to_tree，H.264与AVS+的差别是不大的。而所使用的视频Crowd_run，这个序列共同具备运动中细节元素较多，在高码率逐渐升高的情形下对比，两种编码标准在硬件上反应出来的编码质量越来越接近；在低码率的情况下，对于运动细节多或图案纹理较复杂的视频序列H.264的编码质量优于AVS+。

在广播电视节目业务运营中，节目信号不可能一直保持高运动细节或者一直保持低图案纹理，所以需要对4种序列进行一次平均值评估分析。取用SSIM的评测数据统计如表8，对平均值进行罗列。

表8　4条序列的SSIM平均值结果对比

根据表8可以绘制出折线图6。

图6　4条序列的SSIM平均值结果对比图

4条序列的SSIM平均值对比图折线图，可以得出结论：两种标准下的质量评价结果都非常的接近，H.264的评价结果略优于AVS+。

AVS的标准的算法复杂度和实现成本相对H.264而言都比较低，2014至2015年间AVS标准还在不断的完善过程中。由此可以认为，在将来AVS的发展目标，是进一步提高编码质量和效率但是又不提高复杂度，以满足国内外市场更为广泛的要求。

5结语

在本文和实验中，笔者的主要搭建基于AVS+和H.264的硬件平台，采用了两方面的客观评价算法比较了AVS+和H.264的编解码性能。因此，对于客观的视觉评价标准，它的算法一直也是视频编码评价标准的一个难点，今后还可以结合当代研发出来的其他的结构算法。建立更加精确的模型，能够快速的对视频的质量进行响应，并能起到反馈厂家的作用，指导对视频编解码系统的优化，达到广电用户对其系统优化判断的作用。

随着无线通信网络和多媒体技术的快速发展，中国在近两年发放第三代和第四代移动通信牌照，由于客户端应用的需要，视频编解码技术将会得到更加广泛的应用。我国自主的AVS标准必然的趋势使得它在从影像存储、数字电视等领域迅速扩展到各种通信网络。

参考文献

[1]毕厚杰.新一代视频压缩编码标准[J].2005.

[2]高文，黄铁军，吴枫.信息技术-先进音视频编码：第2部分：视频(GB/T 20090.2-2006)[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3]广播电视先进音视频编解码：第1部分(GY/T 257.1-2012)：视频[EB/OL].

[4]黄铁军.AVS标准的背景、进展与产业应用展望[J].信息技术与标准化，2003(9)：4-8.

[5]梁凡.AVS视频标准的技术特点[D].中山大学电子与通信工程系，AVS 工作组，2005(07).

[6]尹芝，潘华.AVS+视频压缩技术及其应用[J].南京财经大学图书馆，2013(12).

[7]ITU R BT 500-10.Methodology for the subjective assessment of the quality of television picture[R/OL].2006，10.

[8]姜秀华.数字电视图像质量评价方法[J].2008，32(6).

[9]Wang Zhou，Lu Liang，Alan C Bovik.Video quality assessment using structural distortion measurement[J].2004(04).

[10]邹钧，姜秀华，杨爽.基于边缘结构相似性的视频质量客观评价[D].中国传媒大学信息工程学院，2011，35(17).

(责任编辑：宋金宝)

Video Quality Evaluation Based on AVS+

CHI Jian-hui1，LEI Xiao-hua2

(1.Times Sage(Beijing) Tech Ltd，Beijing 101111；

2.School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024)

Abstract：The digital video signal processing technology has been widely used these days.The subject of this paper is based on AVS+ and H.264 compression coding hardware，to do an experiment of different bit rate of high-definition video compression，we use the objective quality evaluation methods of SSIM and PSNR to evaluate the quality of video images，at the same time it is compared with the H.264 compression quality.

Keywords：video coding；AVS+；H.264；hardware system；objective quality evaluation

作者简介：池健晖(1989-)，男(汉族)，湖南衡阳人，北京世纪睿科系统技术有限公司工程师.E-mail：chijay@163.com

收稿日期：2015-03-12

中图分类号：TN943.1

文献标识码：A

文章编号：1673-4793(2015)03-0046-07