IPTV高清頻道視頻質(zhì)量提升研究*

羅傳飛，張 瑋

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.上海交通大學(xué)圖像通信與信息處理研究所 上海200240）

1 引言

隨著用戶對(duì)視聽娛樂要求的不斷提高，高清晰度電視步入全面發(fā)展階段。與標(biāo)準(zhǔn)清晰度的節(jié)目相比，高清晰度的節(jié)目能給觀眾提供更為震撼的視聽體驗(yàn)。中國電信股份有限公司上海分公司（以下簡稱中國電信上海公司）把高清IPTV業(yè)務(wù)當(dāng)作其進(jìn)入市場的優(yōu)勢戰(zhàn)略決策。截至2011年，已經(jīng)提供11路高清直播頻道、3 000 h以上的高清點(diǎn)播內(nèi)容。對(duì)于IPTV業(yè)務(wù)運(yùn)營商來說，在寬帶網(wǎng)絡(luò)的支持下如何提供更好的視頻質(zhì)量服務(wù)是對(duì)運(yùn)營商的軟實(shí)力和硬實(shí)力的一種挑戰(zhàn)。本文針對(duì)影響用戶體驗(yàn)質(zhì)量最重要因素之一的視頻質(zhì)量，研究如下問題：IPTV高清頻道的視頻質(zhì)量與數(shù)字電視頻道相比處于什么水平？能否滿足觀眾對(duì)視頻質(zhì)量的要求？為了滿足用戶日益增長的視聽娛樂需求和提升IPTV高清頻道的核心競爭力，需要在目前的視頻質(zhì)量情況下如何持續(xù)演進(jìn)提升？

過去的20年，視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)很活躍的研究領(lǐng)域。研究表明，人眼感知的視頻質(zhì)量與眾多因素有關(guān)，在不考慮傳輸過程的情況下最具代表性的是編碼器類型、視頻圖像內(nèi)容、編碼碼率、幀率和空間分辨率5個(gè)因素[1]。國際視頻質(zhì)量專家組（VQEG）對(duì)視頻質(zhì)量與碼率、分辨率等因素做了大量的研究工作，針對(duì)H.264編碼方式在不同的分辨率下MOS值與編碼碼率的關(guān)系給出了如圖1所示的一般性結(jié)論。

本文主要針對(duì)中國電信上海公司現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)營的IPTV高清業(yè)務(wù)，首先以有線數(shù)字電視為對(duì)標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了整體的視頻質(zhì)量評(píng)測，然后針對(duì)編解碼器的參數(shù)設(shè)置和視頻源的處理提出了改善視頻質(zhì)量的若干建議，最后在現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下驗(yàn)證了建議的可行性和有效性。

2 現(xiàn)網(wǎng)IPTV高清頻道的視頻質(zhì)量

人作為視頻圖像信息的最終接收者，對(duì)視頻的主觀評(píng)價(jià)具有最高的合理性和準(zhǔn)確度。但是其過程耗時(shí)長、代價(jià)高、過程繁瑣且容易受外界條件干擾，在實(shí)際運(yùn)用中通常用客觀評(píng)價(jià)方法模擬主觀評(píng)價(jià)。本文分別用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)IPTV高清頻道的視頻質(zhì)量有一個(gè)整體的評(píng)定。一方面，可以通過主觀評(píng)價(jià)對(duì)視頻質(zhì)量有一個(gè)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)；另一方面，通過客觀評(píng)價(jià)全面獲取IPTV高清頻道視頻質(zhì)量的客觀數(shù)據(jù)，并通過主觀評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證客觀評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，為定量分析視頻質(zhì)量提供數(shù)據(jù)。作為對(duì)比，本文對(duì)有線數(shù)字電視高清頻道也進(jìn)行了相同的視頻質(zhì)量評(píng)測。

在主觀評(píng)價(jià)中，使用ITU-R BT.500-12[3]中規(guī)定的5級(jí)評(píng)價(jià)質(zhì)量尺度和妨礙尺度，表1列出了推薦的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

常用的主觀評(píng)價(jià)方法有雙刺激損傷標(biāo)度法（DSIS）和單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)法（SSCQE）等。本文在主觀評(píng)價(jià)中采用單激勵(lì)連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)法對(duì)有線數(shù)字電視和IPTV的6個(gè)高清頻道進(jìn)行評(píng)分。選用16位不同知識(shí)背景的人參加了評(píng)價(jià)，整個(gè)主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)按照ITU-T BT500-12中的方法進(jìn)行。

在客觀評(píng)價(jià)中，使用法國Witbe公司的Robots進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。Robots模擬人眼對(duì)視頻質(zhì)量的評(píng)測，通過對(duì)模糊度、塊效應(yīng)和抖動(dòng)進(jìn)行評(píng)測，綜合出MOS評(píng)分。本文針對(duì)每個(gè)高清頻道隨機(jī)測試8次，每次測試時(shí)間30 min。表2列出了主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，對(duì)每個(gè)參與評(píng)測的人打出的MOS值進(jìn)行平均得到此頻道最終的MOS值。表3列出了與主觀評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)頻道的客觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，最終的MOS值由8次的測試數(shù)據(jù)平均得到。

表2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

從表2、表3中的結(jié)果可以看出：無論是主觀評(píng)價(jià)還是客觀評(píng)價(jià)，高清IPTV頻道的MOS值與數(shù)字電視高清頻道的MOS值非常接近，而且主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)相一致，在客觀評(píng)價(jià)中，統(tǒng)計(jì)平均所有IPTV高清頻道的MOS值為4.46分，數(shù)字電視高清頻道的MOS也是4.46分，這可以得出現(xiàn)網(wǎng)高清IPTV的視頻圖像質(zhì)量與高清數(shù)字電視的質(zhì)量基本一致的結(jié)論。同時(shí)，客觀評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性也在其中得到了證實(shí)。然而，在一些視頻圖像相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)場景相對(duì)激烈的序列里，IPTV高清視頻的細(xì)節(jié)表現(xiàn)還是不如有線數(shù)字電視高清，因此考慮到編碼技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，已具備對(duì)現(xiàn)有編碼器參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的條件，IPTV高清視頻質(zhì)量還有待提升的空間。

3 編碼技術(shù)和優(yōu)化建議

IPTV高清頻道采用數(shù)字電視節(jié)目作為信號(hào)源，按H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻編碼。H.264/AVC[4]作為先進(jìn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的許多特性。與MPEG-2相比，H.264/AVC有以下特性。

·將編碼分為視頻編碼層(video coding layer，VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(network Abstraction layer，NAL)，將視頻編碼層和網(wǎng)絡(luò)提取層分離，有利于H.264/AVC的擴(kuò)展。

·采用了空域內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測，共兩種預(yù)測模式：幀內(nèi)16×16和幀內(nèi) 4×4，其中幀內(nèi) 16×16有 4種預(yù)測方式，幀內(nèi)4×4有9種預(yù)測方式。

·對(duì)于幀間預(yù)測，增加了預(yù)測模式，共7種預(yù)測模式，預(yù)測塊可從16×16細(xì)分到最小4×4。另外還增加了參考幀的數(shù)目，使預(yù)測更為準(zhǔn)確。

·采用更精細(xì)化的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法；將去塊效應(yīng)濾波放在編碼環(huán)內(nèi)，提高了圖像的主觀質(zhì)量；B幀可以作為參考幀。

·采用整系數(shù)變換，提高變換速度和精度；采用CAVLC、CABAC等新的熵編碼方法以提高編碼效果。

除了以上這些技術(shù)特性，針對(duì)特定應(yīng)用的不同要求和限制，H.264/AVC規(guī)定了 4個(gè)檔次[5]：基本檔次（Baseline Profile）、擴(kuò)展檔次（Extend Profile）、主要檔次（Main Profile）和高級(jí)檔次（High Profile）。高級(jí)檔次囊括了主要檔次的所有編碼工具和性能。與主要檔次相比，高級(jí)檔次添加了自適應(yīng)的8×8宏塊的整數(shù)變換、8×8宏塊的幀內(nèi)預(yù)測、自定義量化、無損視頻編碼等。研究表明，高級(jí)檔次特有的針對(duì)8×8宏塊的編碼工具對(duì)大分辨率視頻有更好的編碼性能，新增的高效編碼特性可以使編碼效率提高達(dá)30%。

中國電信上海公司目前運(yùn)營的IPTV視頻按H.264/AVC Main Profile標(biāo)準(zhǔn)編碼。隨著編解碼器的計(jì)算能力和執(zhí)行能力的提高，穩(wěn)定運(yùn)行高級(jí)檔次的編解碼工具的條件已經(jīng)具備，筆者建議選用High Profile以及相匹配的級(jí)別。除此以外，諸如添加自適應(yīng)的圖像組（GOP）、增加圖像組的長度[6]和B幀劃分層次等工具也建議使用，這樣對(duì)不同的視頻內(nèi)容進(jìn)行編碼時(shí)，編碼器在匹配幀的類型時(shí)有更大的自由度，在沒有犧牲視頻圖像質(zhì)量的情況下能減少比特率的要求。

另外，隨著顯示屏尺寸的擴(kuò)大，顯像管類的傳統(tǒng)顯示器件已讓位給等離子顯示屏（PDP）和液晶顯示屏（LCD）等平板顯示器件，PDP、LCD采用XY尋址的顯示方式需要逐一驅(qū)動(dòng)每個(gè)像素單元，不論輸入信號(hào)的掃描方式和清晰度高低，輸入信號(hào)都要被轉(zhuǎn)換成與顯示面板物理像素?cái)?shù)量相同的清晰度顯示。因此，平板顯示器件更適于顯示逐行掃描信號(hào)。高清節(jié)目采用1080P逐行掃描方式，可以避免信號(hào)的隔行、逐行轉(zhuǎn)換帶來的質(zhì)量損失，進(jìn)一步提高視頻質(zhì)量。為此，除了編碼器參數(shù)的優(yōu)化外，筆者建議把1080P的視頻格式加入IPTV高清點(diǎn)播節(jié)目中來。

4 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

4.1 優(yōu)化編碼器改善視頻質(zhì)量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證提出的關(guān)于優(yōu)化編碼器參數(shù)等建議對(duì)IPTV高清視頻質(zhì)量提升的有效性，本文從IPTV高清頻道中選取了3段不同的視頻序列 （節(jié)目信號(hào)源源均為采用16.5 Mbit/s的MPEG-2數(shù)字電視高清節(jié)目），如圖2所示。

然后解碼為SDI信號(hào)，再設(shè)置成與現(xiàn)網(wǎng)Main Profile編碼參數(shù)一致進(jìn)行編碼測試，其中每一段視頻序列分別編碼為8 Mbit/s和12 Mbit/s不同碼率的兩段碼流。為了比較，按照建議中的優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，用相同的編碼器對(duì)同樣視頻源進(jìn)行編碼。如表4所示，分別為兩組編碼器參數(shù)設(shè)置，對(duì)應(yīng)于中國電信上海公司現(xiàn)網(wǎng)IPTV高清頻道編碼參數(shù)和建議優(yōu)化的編碼器參數(shù)。

本文對(duì)兩組編碼視頻質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)?？紤]到節(jié)目信號(hào)源來自于MPEG-2編碼的數(shù)字電視，因此選取結(jié)構(gòu)相似度[7]（SSIM）作為全參考的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)和模糊度[8]作為無參考的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，SSIM是目前公認(rèn)的最接近人眼主觀評(píng)價(jià)的方法之一，其值越高說明視頻質(zhì)量越好，越與原始視頻相似。另外，模糊度（BLUR）的評(píng)測是一種無參考的視頻評(píng)價(jià)，能較真實(shí)地反映視頻的圖像質(zhì)量情況，模糊度是影響人眼主觀評(píng)價(jià)（評(píng)MOS分）的最重要因素。表5是在兩種編碼設(shè)置下視頻數(shù)據(jù)的SSIM和BLUR測試結(jié)果。

表4 視頻編碼器主要參數(shù)

4.2 1080P視頻編碼質(zhì)量評(píng)定實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證1080P對(duì)IPTV高清視頻質(zhì)量提升的有效性，本文進(jìn)行了1080P與1080i兩種高清格式的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。采用如圖3所示的4個(gè)常用的場景復(fù)雜度有高有低的視頻測試序列，原始序列是1080P25格式。為了更具普遍性，采用x264編碼器進(jìn)行編碼，一組編碼碼流采用逐行掃描，High Profile編碼設(shè)置；與之對(duì)應(yīng)另一組編碼碼流采用隔行掃描，High Profile編碼設(shè)置。每組包含6 Mbit/s、8 Mbit/s、10 Mbit/s、12Mbit/s和 14Mbit/s不同編碼碼率的數(shù)據(jù)。為了比較1080i和1080P兩組編碼碼流的視頻質(zhì)量，本文選用結(jié)構(gòu)相似度（SSIM）和泰克公司PQR（picture quality rating）[9]作為全參考的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，PQR值與人眼評(píng)分之間的具體對(duì)應(yīng)表見參考文獻(xiàn)[9]，研究表明，PQR值在視頻質(zhì)量較高時(shí)與人眼評(píng)測有很高的相關(guān)度，其值越低說明視頻質(zhì)量越好。圖4所示是4個(gè)視頻序列在1080i和1080P編碼設(shè)置下，PQR和SSIM與編碼碼率之間的關(guān)系。

5 結(jié)果分析

首先，對(duì)于優(yōu)化編碼器改善視頻質(zhì)量實(shí)驗(yàn)，在表5中可以看到，按第二組參數(shù)編碼（High Profile）的視頻在相同碼率下SSIM值要比按第一組編碼 （Main Profile）的視頻高，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來，SSIM值平均提高1.5%～5%；同時(shí)第二組視頻在相同碼率下BLUR值要比按第一組視頻低，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來，BLUR值平均降低0.18%～2.4%；需要特別說明的是，由于節(jié)目源采用16.5 Mbit/s的MPEG-2高清節(jié)目，已經(jīng)被編碼壓縮過，損傷不可避免，把其作為信號(hào)源再次編碼時(shí)，編碼后視頻的SSIM值相對(duì)較高。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在相同碼率下High Profile視頻編碼的視頻質(zhì)量要優(yōu)于Main Profile，對(duì)于綜合節(jié)目視頻，8 Mbit/s High Profile甚至比12 Mbit/s Main Profile的視頻質(zhì)量還要好。

其次，對(duì)于1080P與1080i視頻格式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在圖4中可以看到，不管是 PQR還是SSIM值，所有4個(gè)視頻場景復(fù)雜度不同的序列按1080P格式編碼的視頻質(zhì)量結(jié)果均比同碼率下按1080i格式編碼的視頻質(zhì)量結(jié)果要好，其中與按照1080i格式編碼相比，按1080P格式編碼碼流的PQR值更低，SSIM值更高。而且，隨著編碼碼率的增大，按照1080P格式編碼相對(duì)按照1080i格式編碼的質(zhì)量越有優(yōu)勢。

表5 優(yōu)化編碼器參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)中國電信上海公司現(xiàn)網(wǎng)IPTV高清頻道的視頻質(zhì)量，經(jīng)過H.264編碼參數(shù)優(yōu)化和采用1080P格式可以進(jìn)一步提升其視頻質(zhì)量。

6 結(jié)束語

在中國電信“光速寬帶”的普及下，IPTV高清業(yè)務(wù)飛速發(fā)展，通過對(duì)視頻編碼器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置和視頻節(jié)目源的改善后，視頻質(zhì)量乃至用戶體驗(yàn)質(zhì)量都將得到進(jìn)一步的改善。

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