AVS+壓縮編碼高清視頻質(zhì)量分析

池健暉，雷霄驊

(1.北京世紀(jì)?？葡到y(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 101111；2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

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AVS+壓縮編碼高清視頻質(zhì)量分析

池健暉1，雷霄驊2

(1.北京世紀(jì)?？葡到y(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 101111；2.中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

摘要：當(dāng)代數(shù)字視頻信號(hào)處理技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。本文的課題實(shí)驗(yàn)搭建了基于AVS+和H.264的硬件的壓縮編解碼平臺(tái)，對(duì)高清視頻進(jìn)行了不同碼率的壓縮編碼的實(shí)驗(yàn)，采用了客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法SSIM以及PSNR對(duì)解碼后的視頻圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，并與H.264壓縮編碼質(zhì)量進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：視頻編碼；AVS+；H.264；硬件系統(tǒng)；客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)

1引言

近年來，我國高清電視頻道數(shù)量逐步增多，3D電視頻道已經(jīng)開播，無論是衛(wèi)星、有線還是地面數(shù)字電視系統(tǒng)，隨著開播頻道的增多，傳輸帶寬日趨緊張，所以視頻圖像處理技術(shù)成為多媒體中一項(xiàng)重要的技術(shù)[1]。AVS+視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架與H.264 類似[2-3]。筆者利用視頻客觀評(píng)價(jià)的方法，結(jié)構(gòu)相似法SSIM和峰值信噪比PSNR，通過它們來比較兩者編解碼后的圖像質(zhì)量，進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比并同時(shí)對(duì)影響兩種結(jié)果的原因進(jìn)行分析。

2AVS+背景介紹

AVS+是2012年7月發(fā)布的《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第1 部分：視頻》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2012年7月10日，國家廣播電影電視總局正式頒布了《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第 1 部分：視頻》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即GY/T257.1-2012，簡(jiǎn)稱AVS+。在國標(biāo)體系中，AVS+對(duì)應(yīng)《信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼第16 部分：廣播電視視頻》。AVS+是我國自主創(chuàng)新的視頻編碼技術(shù)，具有更高的編碼效率，與同類國際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC 編碼效率相當(dāng)，用AVS+標(biāo)準(zhǔn)作為廣播電視的視頻編碼，可解決廣播電視行業(yè)面臨的頻道資源問題。

3全參考視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)分析方法

3.1綜述

對(duì)視頻圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)分析的研究是視頻圖像處理的一個(gè)基本研究。對(duì)于圖像處理圖像的傳輸鏈路，它的目的始終是圖像的本質(zhì)，視頻圖像的質(zhì)量是判別這些信息的重要指標(biāo)。它不僅有其理論意義，更重要在于實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)它也有廣泛的需求。當(dāng)代視頻編碼壓縮技術(shù)的速度發(fā)展，是因?yàn)槿藗儗?duì)多媒體信息的需要，而正是這些需求也同時(shí)促使視頻圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究工作的迅速發(fā)展。

3.2視頻圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究

人對(duì)視頻圖像的感知和獲得的信息是當(dāng)今社會(huì)的前沿課題之一。在視頻圖像質(zhì)量評(píng)估的主觀評(píng)價(jià)中，國際視頻質(zhì)量專家組(VQEG)接受的一些視頻質(zhì)量評(píng)估方法，主要以人類視覺系統(tǒng)(HVS)方面的研究為主[7-8]。

3.2.1PSNR(峰值信噪比)方法

在測(cè)試數(shù)字視頻質(zhì)量中，PSNR是最常用的客觀測(cè)試指標(biāo)。在測(cè)試過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試者使用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的多樣化的測(cè)試信號(hào)，對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行8bit量化，各像素噪聲值N(x，y)指的是解碼重建圖像各像素信號(hào)值Y(x，y)與源圖像對(duì)應(yīng)像素信號(hào)值X(x，y)之差。把各像素的噪聲之和對(duì)整幀圖像像素總數(shù)(M)求平均得到PSNR。

但是，PSNR方法也存在著一些不足；根據(jù)人們的視覺經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)觀察一幅圖像時(shí)，人的大腦通常會(huì)受到我們感興趣區(qū)域的影響，圖像中各感興趣區(qū)興趣程度的差異也影響對(duì)圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)。從人物的頭肩部分上來說，人腦通常對(duì)人面部的眼部區(qū)域感興趣，對(duì)這一部分的失真度尤為敏感，而對(duì)其他部份興趣較低，主觀上允許存在較大的失真，這就對(duì)視覺感知的結(jié)果影響較小但是確對(duì)PSNR值容易造成較大的下降，這就使得主客觀評(píng)價(jià)不一致。

3.2.2SSIM(基于結(jié)構(gòu)失真的視頻質(zhì)量客觀評(píng)價(jià))方法

筆者引用Zhou Wang等人提出的結(jié)構(gòu)相似性理論，他的這種理論認(rèn)為：人眼的主要功能是從視野中提取結(jié)構(gòu)信息，對(duì)結(jié)構(gòu)信息的測(cè)量應(yīng)該是對(duì)圖像感知的一個(gè)近似。一般自然圖像的像素與像素之間帶會(huì)有很強(qiáng)的從屬關(guān)系，圖像采樣之后會(huì)有一些特定的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)關(guān)系包含了視覺場(chǎng)景中重要的結(jié)構(gòu)信息。結(jié)構(gòu)相似性理論的實(shí)現(xiàn)SSIM(結(jié)構(gòu)相似度指數(shù))從圖像組成的角度將結(jié)構(gòu)信息定義為獨(dú)立于亮度、對(duì)比度的，反映場(chǎng)景中物體結(jié)構(gòu)的屬性，并將失真建模為亮度、對(duì)比度和結(jié)構(gòu)三個(gè)不同因素的組合，它的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。Wang提出了一種新的視頻質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法：基于結(jié)構(gòu)失真的圖像和視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方法——結(jié)構(gòu)相似(structural similarity，SSIM)法[9-10]。

SSIM法的核心函數(shù)定義為：

S(x，y)=f(l(x，y)，c(x，y)，s(x，y))

圖1　SSIM實(shí)現(xiàn)框圖

(1)根據(jù)框圖中“綜合考慮”的結(jié)果就成為筆者用軟件分析的測(cè)試序列評(píng)價(jià)值，它來自逐幀測(cè)試結(jié)果的取平均值。

4AVS+和H.264壓縮視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及分析

4.1視頻序列準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)選擇的4個(gè)序列屬性特征如表1。

表1　測(cè)試序列的屬性參數(shù)

(3) Park_joy　　　　　　　　　　　　　　　　　(4) In_to_tree圖2　實(shí)驗(yàn)用的4個(gè)測(cè)試序列

所選的測(cè)試序列在時(shí)間和空間上都有各自的特性。視頻序列截圖如圖2，測(cè)試序列的特征如表2。

表2　測(cè)試序列的時(shí)域與空域特征

4.2實(shí)驗(yàn)方法

筆者分別采用的專業(yè)編解碼器如表3所列。

圖3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，兩組硬件系統(tǒng)分部對(duì)上述4個(gè)視頻序列進(jìn)行了壓縮編碼和解碼。在對(duì)視頻序列進(jìn)行AVS+或H.264 編碼時(shí)，保持AVS+和H.264兩組硬件配置結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)一致從而使本文客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

表3　AVS+及H.264編解碼器及編碼參數(shù)

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成表格如表4、表5：

表4　AVS+的SSIM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5　H.264的SSIM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析得到表4和表5分別是AVS+標(biāo)準(zhǔn)下的SSIM值以及H.264標(biāo)準(zhǔn)下的SSIM值。為了更加直觀方便的對(duì)比它們兩種評(píng)價(jià)值的特征差異等，用折線圖的方式把它們繪制出來，如圖4。

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree圖4　不同特征序列下的SSIM值與碼率的關(guān)系圖

圖4由a、b、c、d四個(gè)折線圖組成，分別表示了4個(gè)不同序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的對(duì)比。將在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中闡述筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果折線圖得到的結(jié)論和分析。

表6　AVS+的PSNR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7　H.264的PSNR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6和表7分別是AVS+標(biāo)準(zhǔn)下的PSNR值以及H.264標(biāo)準(zhǔn)下的PSNR值。同理為了直觀方便地對(duì)比它們兩種評(píng)價(jià)值的特征差異等，用折線圖把它們繪制出來，如圖5所示。

圖5由a、b、c、d四個(gè)折線圖組成，分別表示了4個(gè)不同序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的比較。筆者也將在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中闡述根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果折線圖得到的結(jié)論和分析。

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(a)Crowd_run

(b)Ducks_take_off

(c)Park_joy

(d)In_to_tree圖5　不同特征序列下的PSNR值與碼率的關(guān)系圖

AVS和H.264在編碼框架上大體上是相似的。首先根據(jù)圖4以及圖5來看，4條序列在兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)下的評(píng)測(cè)對(duì)比圖能反應(yīng)出，兩種標(biāo)準(zhǔn)下的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果都非常的接近，相差并不大。而通過SSIM和PSNR單個(gè)的比較分析說明，對(duì)于運(yùn)動(dòng)平緩、細(xì)節(jié)比較少的圖像之間的相關(guān)性較大的視頻序列(如Ducks_take_off、Park_joy序列)，H.264與AVS+的差別不大，甚至在10M的碼率時(shí)第2個(gè)測(cè)試序列AVS+下的SSIM實(shí)驗(yàn)質(zhì)量結(jié)果比H.264的更好一點(diǎn)，而在大于11M碼率時(shí)第3個(gè)測(cè)試序列AVS+下的PSNR質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果已經(jīng)超過了H.264；對(duì)于紋理比較多、運(yùn)動(dòng)比較隨機(jī)而且繁富的視頻序列(例如Crowd_run序列)，H.264的客觀性能比AVS+要優(yōu)越。

考慮到實(shí)驗(yàn)中對(duì)于幀間圖像類似差別不明顯，細(xì)節(jié)相對(duì)較少運(yùn)動(dòng)平緩的視頻序列如In_to_tree，H.264與AVS+的差別是不大的。而所使用的視頻Crowd_run，這個(gè)序列共同具備運(yùn)動(dòng)中細(xì)節(jié)元素較多，在高碼率逐漸升高的情形下對(duì)比，兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)在硬件上反應(yīng)出來的編碼質(zhì)量越來越接近；在低碼率的情況下，對(duì)于運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)多或圖案紋理較復(fù)雜的視頻序列H.264的編碼質(zhì)量?jī)?yōu)于AVS+。

在廣播電視節(jié)目業(yè)務(wù)運(yùn)營中，節(jié)目信號(hào)不可能一直保持高運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)或者一直保持低圖案紋理，所以需要對(duì)4種序列進(jìn)行一次平均值評(píng)估分析。取用SSIM的評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表8，對(duì)平均值進(jìn)行羅列。

表8　4條序列的SSIM平均值結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表8可以繪制出折線圖6。

圖6　4條序列的SSIM平均值結(jié)果對(duì)比圖

4條序列的SSIM平均值對(duì)比圖折線圖，可以得出結(jié)論：兩種標(biāo)準(zhǔn)下的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果都非常的接近，H.264的評(píng)價(jià)結(jié)果略優(yōu)于AVS+。

AVS的標(biāo)準(zhǔn)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)H.264而言都比較低，2014至2015年間AVS標(biāo)準(zhǔn)還在不斷的完善過程中。由此可以認(rèn)為，在將來AVS的發(fā)展目標(biāo)，是進(jìn)一步提高編碼質(zhì)量和效率但是又不提高復(fù)雜度，以滿足國內(nèi)外市場(chǎng)更為廣泛的要求。

5結(jié)語

在本文和實(shí)驗(yàn)中，筆者的主要搭建基于AVS+和H.264的硬件平臺(tái)，采用了兩方面的客觀評(píng)價(jià)算法比較了AVS+和H.264的編解碼性能。因此，對(duì)于客觀的視覺評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它的算法一直也是視頻編碼評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)難點(diǎn)，今后還可以結(jié)合當(dāng)代研發(fā)出來的其他的結(jié)構(gòu)算法。建立更加精確的模型，能夠快速的對(duì)視頻的質(zhì)量進(jìn)行響應(yīng)，并能起到反饋廠家的作用，指導(dǎo)對(duì)視頻編解碼系統(tǒng)的優(yōu)化，達(dá)到廣電用戶對(duì)其系統(tǒng)優(yōu)化判斷的作用。

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，中國在近兩年發(fā)放第三代和第四代移動(dòng)通信牌照，由于客戶端應(yīng)用的需要，視頻編解碼技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。我國自主的AVS標(biāo)準(zhǔn)必然的趨勢(shì)使得它在從影像存儲(chǔ)、數(shù)字電視等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展到各種通信網(wǎng)絡(luò)。

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(責(zé)任編輯：宋金寶)

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

作者簡(jiǎn)介：池健暉(1989-)，男(漢族)，湖南衡陽人，北京世紀(jì)睿科系統(tǒng)技術(shù)有限公司工程師.E-mail：chijay@163.com

收稿日期：2015-03-12

中圖分類號(hào)：TN943.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4793(2015)03-0046-07