應(yīng)用PQA600進行電視節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

李欣 江蘇省廣播電視總臺

應(yīng)用PQA600進行電視節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

李欣 江蘇省廣播電視總臺

本文探討電視節(jié)目制播全鏈路的圖像質(zhì)量分析辦法，并借助PQA600圖像質(zhì)量分析儀對全鏈路各關(guān)鍵節(jié)點和端到端的圖像質(zhì)量進行檢測和分析，剖析了影響圖像質(zhì)量的幾個主要因素，對改善電視節(jié)目全鏈路的圖像質(zhì)量具有參考意義。

PQR 制播全鏈路 圖像質(zhì)量

一、引言

隨著廣電系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化的飛速發(fā)展，以及大平板電視機在家庭用戶中的占有率越來越高，廣大電視觀眾對電視節(jié)目的圖像質(zhì)量提出了更高的需求。本文采用泰克公司的PQA600，對電視節(jié)目從制作端到機頂盒輸出端整個制播全鏈路的圖像質(zhì)量進行分析，借以提高節(jié)目最終呈現(xiàn)的畫面質(zhì)量。本文中的電視制播全鏈路是指節(jié)目在制作端開始，經(jīng)過采集、編輯、轉(zhuǎn)碼送至播出系統(tǒng)進行播出，播出信號經(jīng)過編碼傳輸后，通過有線電視或衛(wèi)星送至千家萬戶，家庭用戶通過機頂盒解碼輸出信號至電視機，這一端到端的全鏈路。

二、圖像質(zhì)量的評價方法

圖像質(zhì)量的測試方法分為主觀評價和客觀評價。主觀評價是指評價者通過對圖像質(zhì)量的觀察和評價的測量方法。參照ITU-R BT.500制定的GY/T134-1998《數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評價方法》建議，數(shù)字電視系統(tǒng)基本圖像質(zhì)量的主觀評價采用雙刺激連續(xù)質(zhì)量標度（DSCQS）方法，數(shù)字電視發(fā)送、傳輸系統(tǒng)質(zhì)量損傷主觀評價采用雙刺激損傷標度（DSIS）方法，即EBU方法。上述兩種主觀評價方法的詳細內(nèi)容可查閱相關(guān)標準和文獻。

但是由于人眼的主觀性和單體差異性，對于同樣的圖像，不同的人感受是不同的；此外、燈光、觀看距離、顯示設(shè)備等外在條件也會限制觀看人員的評價結(jié)果。為了解決主觀評價的缺陷，需要借助儀器來完成圖像質(zhì)量的評價，排除主觀評價時外在條件和人員主觀差異的影響。圖像質(zhì)量的客觀評價方法是根據(jù)人眼的主觀視覺系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過該數(shù)學(xué)模型來提取參考視頻和測試視頻中人眼較敏感的亮度、邊緣、連貫性等特征信息，再對這些提取的特征進行差分比較之后給出評價值。

泰克公司的圖像質(zhì)量分析儀PQA600，采用了基于人類視覺系統(tǒng)的概念，提供了一套可重復(fù)性的、并與主觀人眼視覺評估十分接近的客觀圖像質(zhì)量測量方法。借助此設(shè)備，可對整個電視節(jié)目制播的全鏈路進行圖像質(zhì)量分析。

三、PQA圖像質(zhì)量分析儀測量原理

PQR（Picture Quality Rating）：圖像質(zhì)量評分，其算法原理是基于泰克公司和Sarnoff公司發(fā)明的JND(Just Noticeable Difference)視覺判斷模型。PQA600 通過將處理過的圖像序列素材和源圖像序列素材進行逐幀逐像素的比較，找出其中的差異，即圖像質(zhì)量損失。PQR值的范圍從0（理想的傳送）到嚴重失真的25。PQR=1：不能察覺到損傷（損傷極不明顯）；PQR=3：可以察覺到損傷，但并不明顯；PQR=10很清楚地察覺到損傷。一般只要PQR值大于10 ，就會顯示令人討厭的壓縮缺陷或其他圖像質(zhì)量損失。PQR值和主觀評價得出的值存在很好的相關(guān)性，主觀評價中得分較高序列，客觀圖像質(zhì)量分析可得到較小的PQR值。此外，PQR值比人眼更精確，可以檢測出低于視覺門限的圖像損傷。

在PQR值和主觀評價分度之間，可參照圖1所示的一般關(guān)系。PQR值顯示在左側(cè)刻度上，右測是與主觀評價相關(guān)的兩個尺度。第一個是是DSCQS尺度，其值在0和100之間；第二個是五級損傷尺度，其值介于1和5之間。雖然不同的測試序列得出的測試結(jié)果不一樣，但是這三個尺度之間可以定義大范圍的一般關(guān)系。DSCQS結(jié)果為0表示無可見的損傷，相當于五級損傷標尺的5，這對應(yīng)到PQR值在3到5的范圍內(nèi)。DSCQS尺度上的100表示最嚴重的損傷，相當于五級損傷表上的1，對應(yīng)于PQR值高于15或20。

圖1 PQR值與主觀評價分度關(guān)系

四、全鏈路圖像質(zhì)量測試數(shù)據(jù)分析

借助PQA600，對整個制播鏈路上各個關(guān)鍵節(jié)點的圖像質(zhì)量進行檢測，借以分析圖像質(zhì)量損失的節(jié)點和尋找對應(yīng)的解決辦法。

4.1 測試鏈路

制作端采用DnxHD 120Mbps編碼方式采集測試圖像序列，然后打包轉(zhuǎn)碼成MPEG2-IBP 50Mbps格式的素材文件，通過網(wǎng)絡(luò)送至播出系統(tǒng)；播出硬盤服務(wù)器解碼素材文件還原成HD-SDI信號；播出后通過總控系統(tǒng)，采用基帶光端機送至有線電視網(wǎng)和地球站進行編碼傳輸。同時下變換后轉(zhuǎn)成標清信號通過基帶光端機也送至地球站和有線電視網(wǎng)。其中高清信號有線電視傳輸采用H.264 8Mbps編碼方式，高清信號衛(wèi)星傳輸采用AVS+ 12Mbps編碼方式，標清信號有線電視傳輸和衛(wèi)星傳輸均采用MPEG2 5Mbps編碼方式，如圖2所示。

4.2 測試節(jié)點

測試節(jié)點、測試信號格式及測試項目見表1。

圖2 電視節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量測試框圖

表1 測試節(jié)點、測試信號格式及測試項目

3.3 測試儀器

如表2所示

五、測試數(shù)據(jù)

從制作到播出整個全流程，我們按照選擇的關(guān)鍵節(jié)點進行圖像質(zhì)量分析，電視節(jié)目制播全鏈路PQR值測試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。

表2 測試儀表清單

表3 電視節(jié)目制播全鏈路PQR值

六、結(jié)果分析

6.1 高清節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

圖3 高清節(jié)目制播全鏈路PQR數(shù)據(jù)比較

（1）從圖3和數(shù)據(jù)表可見，制作系統(tǒng)采用DnxHD 120Mbps編碼方式采集的文件對節(jié)目圖像質(zhì)量損傷很小，幾乎可以忽略不計。

（2）制作系統(tǒng)轉(zhuǎn)碼后生成的MPEG2-IBP 50Mbps文件對圖像質(zhì)量有一定的損傷，但人眼一般難以察覺。同樣的MPEG2-IBP 50Mbps 文件，非編板卡輸出的圖像質(zhì)量略低于硬盤播出服務(wù)器輸出的圖像質(zhì)量，但差距不到2%。

（3）衛(wèi)星傳輸采用的AVS+ 12Mbps編碼方式由于編碼碼率較高，故圖像質(zhì)量損失小于有線電視傳輸采用的H.264 8Mbps編碼方式。

（4）家用的高清機頂盒，由于采用民用級別的解碼芯片，相較廣播級別的解碼器，圖像質(zhì)量有一定的損失，大約10%左右。

6.2 高標清同播節(jié)目制播全鏈路圖像質(zhì)量分析

圖4 高標清同播節(jié)目制播全鏈路PQR數(shù)據(jù)比較

（1）相對高清電視節(jié)目，高標清同播的電視節(jié)目從測試數(shù)據(jù)可見圖像質(zhì)量損失主要存在于下變換階段，但是考慮到高清節(jié)目下變換到標清節(jié)目，圖像的分辨率和幅型比都發(fā)生改變，不能簡單以數(shù)據(jù)結(jié)果來評價圖像質(zhì)量損失大小。

（2）有線電視傳輸和衛(wèi)星傳輸采用的編碼方式和編碼碼率一致，故其測試結(jié)果基本一致。

（3）由于測試采用的同洲高清機頂盒，其HDMI輸出信號為高清格式，自動將標清頻道播出信號進行上變換，故標清頻道機頂盒輸出信號測試結(jié)果存在不準確性，這里不予統(tǒng)計。

但PQR的測試數(shù)據(jù)需要注意以下幾點：

（1）PQR的測試數(shù)據(jù)并不是線性疊加的，最后的測試結(jié)果，不是前面各階段測試結(jié)果的簡單相加。舉例來說，終端的測試結(jié)果為5，而播出端的測試結(jié)果為1.8，并不代表播出端到終端的鏈路造成的圖像質(zhì)量損失是3.2，有可能比3.2更小。

（2）PQR值較低時其可信度較高，當高于9時，其可信度明顯降低。

（3）測試中，由于信號原因，在做圖像比對時，偶爾會出現(xiàn)錯幀和邊緣畫面的像素錯誤，當不能準確比對時，會造成測試結(jié)果的不準確。

七、結(jié)束語

從分析結(jié)果可見，縱觀電視節(jié)目的制播全鏈路，想要減少圖像質(zhì)量的損失，可通過采用更高質(zhì)量的編碼方式、采用較高的編碼碼率、采用廣播級的設(shè)備等3個方面來解決。但是這也涉及制作、傳輸?shù)男?，編碼和存儲的帶寬占用，意味著系統(tǒng)需要更大的投入。然而，一個電視節(jié)目圖像質(zhì)量的最終衡量標準是電視觀眾的滿意程度，制播鏈路的圖像質(zhì)量損失只是占其一部分，節(jié)目的內(nèi)容、前期拍攝的圖像質(zhì)量對節(jié)目的最終圖像質(zhì)量影響更大。

［1］周汝文, 李新. 廣播電視鏈路測評技術(shù)及其實踐[J]. 廣播與電視技術(shù), 2010, 37(7):71-74.

［2］鮑思明. 網(wǎng)絡(luò)化高標清同播制播系統(tǒng)質(zhì)量評價及控制(上) [J]. 現(xiàn)代電視技術(shù), 2010(9):133-135.

［3］鮑思明. 網(wǎng)絡(luò)化高標清同播制播系統(tǒng)質(zhì)量評價及控制(下) [J]. 現(xiàn)代電視技術(shù), 2010(10):144-146.

［4］張齊. 高清數(shù)字電視制作播出系統(tǒng)圖像質(zhì)量客觀測試方法[J]. 遼寧廣播電視技術(shù), 2015(3):73-75.

［5］A Tektronix. guide to maintaining video quality of service for digital television programs[C]// White Paper, Tektronix Inc, Tech. Rep. 2012.( http://direct.www.tektronix.com/Measurement/App_ Notes/Technical_Briefs/digital_QoS/25W_14000_1.pdf)