簡析數(shù)字電視圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)

馮傳崗

【編者按】 2003年國家提出廣播電視數(shù)字化建設(shè)工程，并決定首先從有線電視入手，近年來，有線電視由模擬向數(shù)字化整體轉(zhuǎn)換工作也基本實(shí)現(xiàn)，這樣原有的模擬電視工程技術(shù)的測試?yán)碚摷胺椒ㄒ彩チ藨?yīng)有的意義。從2010年開始，在廣播電視一年一度的技術(shù)維護(hù)年檢工作中，有線電視傳輸?shù)臄?shù)字圖像及聲音的測試，由于缺乏數(shù)字測試儀器，依據(jù)《 GB/T22123-2008數(shù)字電視接收設(shè)備圖像和聲音主觀評(píng)價(jià)方法》（此標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部制訂、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布）進(jìn)行主觀測試。《簡析對(duì)數(shù)字電視圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)》一文，從基于人眼看到的數(shù)字電視圖像效果的質(zhì)量及主觀評(píng)價(jià)方面來細(xì)釋國家標(biāo)準(zhǔn)，以提高業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

在傳統(tǒng)的模擬電視系統(tǒng)工程技術(shù)中，有著及其規(guī)范和直觀的圖像基帶測試?yán)碚摵椭饔^評(píng)價(jià)方法，對(duì)于目前數(shù)字電視節(jié)目制作系統(tǒng)（電視臺(tái)節(jié)目制作）和傳輸系統(tǒng)（有線數(shù)字電視傳輸）來講，傳統(tǒng)的模擬電視測量方法以及主觀評(píng)價(jià)體系將失去意義，需要一套新的理論、新的測試方法和新的主觀評(píng)價(jià)體系。這些理論、測試方法和主觀評(píng)價(jià)體系，同樣是基于人眼看到的效果來評(píng)價(jià)電視節(jié)目圖像的質(zhì)量，即電視節(jié)目圖像質(zhì)量的測試標(biāo)準(zhǔn)都必須由基于從事測試的主觀評(píng)價(jià)觀看者對(duì)所看到圖像的滿意度來定量的，這一點(diǎn)極為重要，因?yàn)殡娨暤膶?duì)象是人們的雙眼，而不是人們使用的儀器。這些所定量的電視節(jié)目圖像質(zhì)量的測試標(biāo)準(zhǔn)，是基于人們主觀評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)，并非是絕對(duì)的、但它又必須是一個(gè)度量的衡值。

一. 信號(hào)對(duì)圖像質(zhì)量的影響

數(shù)字化的電視圖像不經(jīng)過壓縮，是難以傳輸和保存的，體現(xiàn)不出其價(jià)值和先進(jìn)性。隨著視頻圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字電視商用成為可能。國際上，對(duì)于經(jīng)過壓縮過的視頻圖像的測試都是用未壓縮的視頻圖像信號(hào)的質(zhì)量來參考的。

在已經(jīng)壓縮（數(shù)字）和未壓縮（模擬）視頻圖像信號(hào)的混合系統(tǒng)/環(huán)境中，視頻圖像質(zhì)量的測試包括兩個(gè)部分：即信號(hào)質(zhì)量和圖像質(zhì)量。

信號(hào)質(zhì)量的測試使用一套測試的方法和信號(hào)，它們可以是全場或是垂直消隱期中的某一行。這種測試在傳統(tǒng)模擬的非壓縮視頻系統(tǒng)中是一種間接的測試方法，由于這種測試是在實(shí)際圖像之外。毫無疑問，它將對(duì)傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的圖像質(zhì)量提供了一個(gè)很好的表述。

而在壓縮（數(shù)字）的視頻系統(tǒng)中，圖像質(zhì)量的變化取決于數(shù)據(jù)率、圖像復(fù)雜性和所使用的編碼計(jì)算方法（計(jì)算機(jī)的程序），這時(shí)傳統(tǒng)測試信號(hào)的靜態(tài)特性已不能提供圖像質(zhì)量的真實(shí)描述。因此，對(duì)壓縮（數(shù)字）視頻系統(tǒng)中圖像質(zhì)量的實(shí)際測量，需要一整套的實(shí)際圖像測試信號(hào)，這要比傳統(tǒng)測試信號(hào)復(fù)雜多。這些復(fù)雜序列導(dǎo)致的編碼過程的非線性失真是圖像內(nèi)容的函數(shù)。

然而，這并不能排除對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)測量的需要。對(duì)于大多數(shù)有效的壓縮方法，輸入視頻信號(hào)應(yīng)盡可能地干凈。

幅度或直流電平等等的問題將會(huì)導(dǎo)致圖像信號(hào)被切割或不能充分利用8bit，255級(jí)信號(hào)電平。如果輸入的視頻信號(hào)分辨率很低，編碼會(huì)更容易，然而它可能并不代表所需要的圖像質(zhì)量。任何使圖像更復(fù)雜的干擾都會(huì)在壓縮圖像的質(zhì)量上有所反映。這包括振鈴、抖動(dòng)、噪聲和復(fù)合到分量處理的產(chǎn)物。因此，這些干擾應(yīng)當(dāng)在壓縮編碼前去掉。

數(shù)字視頻壓編編碼處理對(duì)圖像材料十分敏感。壓縮碼率的設(shè)定（通常表示成Mb/s）就是通知編碼器有多少數(shù)據(jù)或有多少比特?cái)?shù)可用來對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理。目前使用MPEG的重要優(yōu)勢就是它采用時(shí)間壓縮，編碼器可以通過大量的圖像幀來決定分配的比特?cái)?shù)。這樣，就可以在給定的圖像組序列編碼時(shí)，給復(fù)雜的圖像分配較多的比特?cái)?shù)，給簡單的圖像分配較少的比特?cái)?shù)。一般情況下，可視細(xì)節(jié)直接依賴于分配給編碼器的碼率。如果一個(gè)圖像由于包含高速的運(yùn)動(dòng)或有大量的空間細(xì)節(jié)將需要大量的比特?cái)?shù)，編碼器將丟掉一些圖像細(xì)節(jié)。這些信息的丟棄應(yīng)盡量減少可覺察的圖像質(zhì)量損失。如果大量的細(xì)節(jié)被丟棄，損傷會(huì)非常明顯，失真或損傷將在許多方面表現(xiàn)出來。

二. 壓縮導(dǎo)致了電視圖像質(zhì)量的損失

對(duì)于從事數(shù)字電視節(jié)目制作系統(tǒng)（電視臺(tái)節(jié)目制作）和傳輸系統(tǒng)（有線數(shù)字電視傳輸）的廣大工程技術(shù)人員來講，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的圖像質(zhì)量失真的問題是完全不同的，在數(shù)字信號(hào)中有如下六種關(guān)于視頻損傷的類型。

1. 塊

數(shù)字電視圖像信號(hào)在編碼/壓縮時(shí)，是將圖像分割一個(gè)個(gè)塊來進(jìn)行的，由于基本塊編碼結(jié)構(gòu)將使通過傳輸接收（解碼/解壓）到的圖像有很明顯的變形。

2. 錯(cuò)誤的塊

如果接收（解碼/解壓）到的數(shù)字電視圖像與當(dāng)前或前一場沒有一點(diǎn)相似處，一旦其中一個(gè)或多個(gè)塊產(chǎn)生失真，就會(huì)在相鄰的塊之間產(chǎn)生較大的對(duì)比差異，屏幕上將出現(xiàn)明顯的與周圍不協(xié)調(diào)的錯(cuò)誤的塊。

3. 邊緣忙亂

失真主要集中在物體的邊緣，表現(xiàn)為時(shí)域中變化的尖峰或空域的不同噪聲。

4. 模糊或輪廓不清

在單個(gè)幀中（空間域?yàn)槔?，以減少每個(gè)水平掃描線的像素?cái)?shù)來減少帶寬，這將導(dǎo)致圖像模糊或輪廓不清。

5. 蚊子噪聲

這產(chǎn)生于相鄰像素之間的量化錯(cuò)誤，是由編碼/壓縮引起的。由于場景內(nèi)容的不同，量化間隔的尺度會(huì)有變化，產(chǎn)生的量化錯(cuò)誤像微微發(fā)光的閃爍亮塊或眾多的亮點(diǎn)，就像“蚊子”一樣在一幅場景中隨時(shí)閃現(xiàn)在物體的周圍。

6. 量化噪聲

對(duì)于模擬信號(hào)的不精確的數(shù)字標(biāo)示將出現(xiàn)在模擬到數(shù)字的信號(hào)處理過程中，很明顯，視頻分辨率的數(shù)字化描述對(duì)于輸入的經(jīng)過數(shù)字采樣的模擬視頻信號(hào)是有限的。

三. 模擬和數(shù)字電視圖像質(zhì)量換算

我國的廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了模擬和數(shù)字電視圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)方法。

國家《數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法》（中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T134-1999/4）中，規(guī)定了我國數(shù)字電視圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)方法是在“一般要求”的條件下，采用“兩種評(píng)價(jià)方法”進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。

“一般要求”包括七個(gè)方面：觀看條件、評(píng)價(jià)系統(tǒng)、信號(hào)源、測試素材的選擇、觀看員、評(píng)價(jià)測試階段和結(jié)果表達(dá)。

“兩種評(píng)價(jià)方法”即：雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度法和雙刺激損傷標(biāo)度法。

但這種主觀評(píng)價(jià)方法需要有一定數(shù)目的靜止和運(yùn)動(dòng)的物體圖像序列，加之需要許多人（其中并非全部是電視專業(yè)人士），并耗上很長的時(shí)間、精力，不很適應(yīng)實(shí)際工作的需要。

在實(shí)際的工作中，電視工程技術(shù)人員通過日常的主觀評(píng)價(jià)，已經(jīng)逐漸明白在不同比特率下，以及在不同壓縮格式下的所能得到的圖像質(zhì)量換算，見“不同比特率、不同壓縮格式下能得到同等的圖像質(zhì)量換算參考表”。這樣電視工程技術(shù)人員只要按照具體的應(yīng)用，選擇一個(gè)合適的壓縮格式和比特率即可獲得所需要的電視節(jié)目的圖像質(zhì)量。B&P

參考文獻(xiàn)

1.中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GY/T 134-1998 數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法》

2.中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GY/T134-1999/4數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法》

3.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 22123-2008數(shù)字電視接收設(shè)備圖像和聲音主觀評(píng)價(jià)方法》