高标清同播中的视频质量检测方法研究

应跃波

(浙江广播电视集团，浙江 杭州 310005)

高标清同播中的视频质量检测方法研究

应跃波

(浙江广播电视集团，浙江 杭州 310005)

在高标清系统中,视频信号需要模式转换和编解码处理，针对系统各个环节中视频信号的损伤，研究采用主客观评价结合的方式对视频质量进行综合评定。通过对不同品牌的上下变换器和编解码器输出的视频质量进行比较和分析，了解各品牌设备在信号处理中的优缺点，为今后系统应用及设备选型提出可靠的建议。

高标清; 编码; 视频质量; PQR

近年来，越来越多的电视频道进行了系统升级改造，电视播出逐步进入了从标清向高清过渡的阶段，播出系统到传输系统之间的信号上下变换及编码传输质量直接影响着整个系统链路的播出质量和观众在家中的视觉感受。为了更好地分析研究高标清同播环境中信号格式转换及视频编码后的图像质量，为今后系统建设中的设备选型提供主客观的视频质量测试数据，笔者研究设计了一套视频质量检测方法，针对一些实际应用环境进行了图像质量分析和检测。

在数字高标清同播阶段中，浙江广电集团规定标清信号经上变换后供高清频道播出的，上变换幅型模式常规为加边方式；高清信号经下变换后供标清频道播出的，常规为切边方式；传输系统为适应机顶盒用户的收视习惯,对上变换幅型模式采用拉伸方式[1]。各频道的高标清信号在电视播出中心从高标清切换台经上下幅型变换等处理后，经切换进入下一级传输中心，传输中心对接收的高标清信号进行编码后，通过主干网络进行传输。其中，对高清信号采用H.264进行编码，对于标清信号编码方式则采用MPEG-2。播出系统到传输系统之间的信号路由如图1所示。

1 测试方法和检测内容的设计

在上下变换和压缩编码过程中，图像信号的质量将会受到损伤，但对其损伤程度如何衡量，对播出效果的影响程度如何，必须依靠数据来说明问题。

参考行业内针对视频质量的评价办法，笔者采用主观评价与客观检测相结合的方式对特定的图像序列进行综合评定[2]。由于目前国标高清数字电视主观评价用测试图像还没有正式发布，所以参考使用欧洲广播联盟(EBU)的测试图像，从中挑选了3个序列——Duck，Park，Tree，作为测试序列进行主客观评价[3]。在客观检测中，采用图像质量分析仪对处理过的图像和源图像进行对比检测。此外，根据相关行业标准，还对各品牌设备的输出接口特性进行了检测，这对于数字视频系统的稳定性和可靠性也不可缺少。

图1 高标清同播视频系统架构

1.1 数字接口特性测试

数字接口特性是评价数字电视系统、设备的接口特性及通道传输特性的主要指标，包括抖动、信号幅度、上升时间、下降时间等，用来检验串行数字信号的传输质量。整个信号格式转换、编解码传输环节的数字接口特性必须满足《GY/T 157—2000 演播室高清晰度电视数字视频信号接口》、《GY/T 243—2010标准清晰度电视数字视频通道技术要求和测量方法》和《GY/T 212—2005标准清晰度数字电视编码器、解码器技术要求和测量方法》等行业标准[4-5]。

笔者对播出传输环节中的不同厂商的上下变换器、编解码器的高标清数字接口特性、ASI输出接口特性进行了检测，结果均符合国家和行业标准的要求。

1.2 图像质量客观分析(PQR值)

图像质量分析系统采用基于人类视觉系统的概念，提供了一整套可重复的、并与主观人眼视觉评估十分接近的客观图像质量测量。依据图像质量分析仪的工作原理，用PQR值来衡量3种测试序列Park，Duck，Tree的测试信号质量。PQR<3 时，图象质量很好；PQR为3～5，说明有损伤，但难于察觉；PQR在5～10间，图像有明显损伤；PQR>10图像损伤较明显。

根据实际应用，对不同厂商的上下变换器和高标清编解码器以不同的组合方式对其输出的图像质量进行检测，设计了以下5种模式的图像质量对比方案：

1)经上变换器的图像质量检测

在加边和拉伸模式下，采用源标清序列输出给上变换器；在信箱模式下，采用源高清序列经过图像质量分析仪内部下变换输出标清信号给上变换器，上变换后得到的高清图像与源高清图像比较。在加边模式下，以标清模式比较；在信箱和拉伸模式下，以高清模式比较。

2)上变换器后经高清编码器的图像质量检测

在加边和拉伸模式下，采用源标清序列输出给上变换器；在信箱模式下，采用源高清序列经过图像质量分析仪内部下变换输出标清信号给上变换器，上变换后再经过高清编解码器，并配以不同的码率，得到的高清图像与源高清图像比较；在加边模式下，以标清模式比较；在信箱和拉伸模式下，以高清模式比较。

3)经下变换器的图像质量检测

在所有下变换模式下，采用源高清序列输出给下变换器，下变换后得到的标清图像与源标清图像以标清模式比较。

4)下变换器后经标清编解码器的图像质量检测

在所有下变换模式下，采用源高清序列输出给下变换器，下变换后再经过标清编解码器，并配以不同的码率，得到的标清图像与源标清图像以标清模式比较。

5)经高标清编码器的图像质量检测

采用源标清序列输出给标清编码器，以不同码率编码后经标清解码器得到的标清图像与源标清图像以标清模式比较；采用源高清序列输出给高清编码器，以不同码率编码后经高清解码器得到的高清图像与源高清图像以高清模式比较。

1.3 主观评价

在图像质量测试中，观察者的主观评价是最常用、也是最直接的图像质量评价方法，由观察者根据事先规定的评价尺度或自己的经验对图像做出判断和评价。也可提供一组标准图像作为参照系，帮助观察者对图像质量做出合适的评价。

为了获取主观评价数据，笔者利用图像分析仪的测试图像序列Park，Duck，Tree制作了高标清共50组对比视频。主观测试的内容和客观测试的内容相对应，利用评审室3个65 in(1 in=2.54 cm)大屏，以原始序列视频为参照，对比经过不同上下变换器或编解码器后的图像，以同样的画面和画幅播放进行主观评价打分，每组视频播放2遍。

评委由不同年龄、不同性别的30位人员组成，工作岗位有剪辑、技术、摄像、编导等，专业技术人员与非专业技术人员各占一半，组织大家针对图像细节、亮度层次、色彩还原、运动特性等方面对大屏播放的图像进行不记名主观评价打分。

评分标准参考CCIR建议书500/3的评分标准：5分：觉察不到；4分：可觉察到，但不明显，不使人讨厌；3分：有轻微损伤，使人略感讨厌；2分：有明显损伤，使人讨厌；1分：损伤很明显，非常讨厌。

以原始图像为5分满分，其余2组测试视频根据个人主观评价打分结果，去除最高分和最低分，平均后得到最终主观评价分。

2 测试结果比较和分析

2.1 不同品牌上下变换器在变换过程中的图像质量

在这个环节的测试中，笔者选取了A、B两种品牌的上下变换器，测试了切边/加边、信箱、压缩/拉伸3种模式下高标清变换后的图像质量。其中图像序列Tree的上下变换器客观测试数据见表1，主观评价得分见表2。

表1 不同品牌变换器在上下变换过程中PQR值

表2 不同品牌变换器在上下变换器主观评价得分

从数据可以看出，高标清信号经上、下变换后信号质量有较大损伤，下变换后的切边模式对信号的损伤相对较小，信箱模式对信号的损伤相对较大；上变换后的信箱模式对信号的损伤相对较小，加边模式对信号的损伤相对较大；不同品牌设备在不同的序列中测试数据各有优劣。

2.2 不同品牌高标清编码器在不同码率下的测试对比

在传输系统中，不同的编码码率对信号的传输质量有着重要影响，同样，不同品牌的编码器由于各个厂家的具体算法不同，对编码后图像质量的呈现也存在差异。笔者选取了传输系统中常用的编码码率，对不同品牌高标清编码器在不同码率下的测试数据进行分析。其中以序列Tree为例，高标清客观测试数据见表3，主观评价得分见表4。

表3 不同品牌高标清编码器在不同码率下的PQR数据

表4 不同品牌高标清编码器在不同码率主观评价得分

从测试数据中可以看出， C品牌高标清编码设备的编码质量略优于D品牌编码设备。

2.3 同一下变换器后接不同标清编码器,选择不同变换模式、不同码率时的图像质量

为对比传输域不同品牌标清编码器在各种变换模式下选取不同码率时的编码质量，选择了同一下变换器(品牌A、B)后接C、D品牌编码器，以Duck和Park序列为例，选取3种变换模式在固定码率6 Mbit/s下进行比较，分析标清编码器的编码质量。客观测试数据见表5，主观评价得分见表6。

表5 同一下变换器接不同标清编码器不同码率PQR数据

表6 同一下变换器接不同标清编码器不同码率主观评价得分

从测试结果来看，C品牌的表现总体略好于D品牌，且原始图像序列经过变换、编码压缩之后，图像质量比单独的变换或单独的编码压缩，质量都有所下降。

同一品牌编码器在不同测试序列下测试结果也不尽相同，说明不同品牌的编码器算法存在差异，针对性不同。

2.4 同一上变换器后接不同高清编码器,选择不同变换模式时的图像质量

与2.3小节相同，也选择了同一上变换器(品牌A、B)后接不同品牌编码器，以Duck和Park序列为例，选取在3种变换模式在固定码率11 Mbit/s下进行比较。客观测试数据见表7，主观评价得分见表8。

表7 同一上变换器接不同高清编码器不同码率PQR数据

表8 同一上变换器接不同高清编码器不同码率主观评价

从测试的数据看出，同一变换器下，C品牌总体表现好于D品牌。

综合所有测试数据，标清信号上变换后的信号质量损伤，会进而影响到后续的高清编解码信号质量，与高清信号直接编解码相比存在较大差距。在码率选取方面，同一模式下，不同的码率对信号编码质量有较大的影响，但往往实际应用中经常受信号传输带宽所限，就需要根据实际情况在图像质量与带宽之间进行取舍和折中。此外，评委们还对任意组合的A、B变换器与C、D高标清编码器，针对不同变换模式、不同编码码率的图像进行了对比主观评分。主观评价的结果与客观测试的情况基本相符。

在客观检测中值得注意的是：1)由于信号经过上下变换器,对原始图像进行切边、加边等处理后，输出图像与原始图像序列存在像素上的位差，所以导致一些测试值偏高，需要对测试软件的功能选项设置进行调整，对测试数据要进行合理的评估和筛选；2)在测试编码器时配合使用了同一品牌的解码器，用于把编码器编码输出信号还原成基带信号和原始图像序列进行对比。

3 结束语

面对不同的信号源，如何提升高标清同播期间信号图像质量是笔者今后一段时期内要着重考虑的问题。通过大量的图像检测和主观评价数据，在播出域和传输域，全面了解系统中图像经过不同变换模式和不同码率的真实质量，有利于在播出中选取适当的模式转换信号；在传输中综合考虑当前有线前端带宽资源紧张的状态，根据编码器输入信号源的性质来源，选取适当的码率及编码格式进行编码传输；在设计方案中选择合适的产品，实现信号格式转换和编码传输最优化，力求最好的图像质量。

[1] 王国忠,程红阳,谢百治,等.高清与标清视频之间的上下变换[J].电视技术,2013,37(14)；39-42.

[2] 杨勇强，梁志强. 高、标清上下变换器选用中的若干问题[J]. 现代电视技术，2007(1)：60-66.

[3] ITU-R BT.500-11，Methodology for the subjective assessment of the quality of television picture[S].2002.

[4] GY/T 157—2000，演播室高清晰度电视数字视频信号接口[S].2000.

[5] GY/T 212—2005，标准清晰度数字电视编码器、解码器技术要求和测量方法[S].2005.

Research on Methodology of Video Quality Measurement in HD&SD Broadcasting

YING Yuebo

(ZhengjiangRadio&TVGroup，Hangzhou310005，China)

In HD&SD system, video signal needs processing such as pattern transformation, encoding and decoding. In the view of the loss during video signal processing, the combination of subjective and objective evaluation is used for comprehensive assessment of the video quality. With comparison and analysis of the video quality from up/down converter and encoder/decoder output, advantages and disadvantages of different devices in signal processing can be understood and useful suggestions can be made for system application and device choosing afterwards.

HD&SD；encoding；video quality；PQR

【本文献信息】应跃波.高标清同播中的视频质量检测方法研究[J].电视技术,2015，39(13).

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.13.022

责任编辑：闫雯雯

2015-04-17

应跃波(1960— )，高级工程师，主要从事广播电视测试工作。