運(yùn)動(dòng)圖像清晰度測(cè)試序列設(shè)計(jì)及發(fā)生技術(shù)研究

殷玉喆，胡菊萍，項(xiàng)道才

（工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所 計(jì)量與檢測(cè)中心，北京 100176）

責(zé)任編輯:孫 卓

0 引言

以液晶顯示、有機(jī)光電顯示（OLED）為代表的平板顯示器由于體積小、重量輕、清晰度高，已經(jīng)取代傳統(tǒng)顯像管而成為消費(fèi)類電子主流顯示器。但液晶等平板顯示器由于物理機(jī)理或驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等原因，顯示動(dòng)態(tài)圖像時(shí)的清晰度與靜態(tài)圖像相比存在一定的惡化現(xiàn)象[1]。例如，液晶顯示器靜態(tài)分辨力可以達(dá)到1000線以上，但在顯示每場(chǎng)5像素的運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，通常動(dòng)態(tài)清晰度不足700線。顯示器動(dòng)態(tài)清晰度的降低會(huì)產(chǎn)生“拖尾”等運(yùn)動(dòng)偽像，嚴(yán)重影響主觀圖像質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)圖像清晰度測(cè)試早期與靜態(tài)圖像清晰度一樣采用主觀評(píng)價(jià)方法，但在實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果由于受到評(píng)價(jià)者個(gè)體因素影響而有比較大的不確定度，而且評(píng)價(jià)過程不夠快速方便。因此，國(guó)內(nèi)外一直在研究可靠的客觀測(cè)試技術(shù)。近年來(lái)，多種評(píng)估平板顯示器運(yùn)動(dòng)圖像質(zhì)量的技術(shù)被提出[2]，例如，國(guó)內(nèi)牡丹視源提出的運(yùn)動(dòng)圖像拖尾響應(yīng)時(shí)間測(cè)試法[3]，東南大學(xué)提出的“運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間”測(cè)試法，工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所計(jì)量檢測(cè)中心提出的動(dòng)態(tài)調(diào)制度及動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)試方法[4-5]，以及日韓等企業(yè)提出的追蹤相機(jī)、高速相機(jī)等測(cè)試方法。目前在該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)和國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)制訂時(shí)往往采用多種測(cè)試方法并存的策略。但無(wú)論采用何種測(cè)試方法，運(yùn)動(dòng)圖像清晰度測(cè)試序列的設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)播放都是基礎(chǔ)性技術(shù)。本文采用Matlab設(shè)計(jì)了主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試通用的動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)試序列，并通過優(yōu)化Canopus HD storm非線性編輯系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)了序列的實(shí)時(shí)播出，通過與泰克的VM5000以及TG700的比對(duì)試驗(yàn)，分析了該視頻測(cè)試序列發(fā)生裝置的誤差。

1 動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)量序列的設(shè)計(jì)技術(shù)

清晰度的測(cè)試通常采用等間隔的黑白條紋作為測(cè)試信號(hào)[6]。按照目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)清晰度的測(cè)試采用0～100%滿幅的10黑9白的測(cè)試條紋，而動(dòng)態(tài)清晰度的測(cè)試采用5黑4白的測(cè)試條紋[7-8]。動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)試目前主要針對(duì)水平方向，測(cè)試時(shí)該條紋按照一定的運(yùn)動(dòng)速度“像素/場(chǎng)”在顯示器上運(yùn)動(dòng)。日本芝測(cè)設(shè)計(jì)的測(cè)試序列如圖1所示。

該測(cè)試序列在300～1000線間按照50線的間隔設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，外加1080線。借鑒灰階響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試方法，芝測(cè)的序列將背景亮度及清晰度條紋中的“黑”和“白”條紋都做了3階處理，比0～100%滿幅調(diào)制的傳統(tǒng)的靜態(tài)清晰度測(cè)試條紋設(shè)計(jì)更加合理，最終的動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)試結(jié)果由以上9種情況的測(cè)試結(jié)果平均而得。本文設(shè)計(jì)的清晰度測(cè)試序列的目標(biāo)及特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

1）主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試通用。即該序列可以同時(shí)應(yīng)用于主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)試，加入了追蹤相機(jī)或高速相機(jī)定標(biāo)用的交叉十字。

2）靜態(tài)圖像清晰度及動(dòng)態(tài)圖像清晰度測(cè)試通用。即靜態(tài)或不同運(yùn)動(dòng)速度的動(dòng)態(tài)測(cè)試，采用的序列結(jié)構(gòu)基本相同。

3）復(fù)合測(cè)試能力。測(cè)試序列的每一幀都包括水平清晰度、垂直清晰度、重顯率、單色場(chǎng)、灰度階梯、彩條、灰度小斜坡、多波群、灰度極限8階梯等常用測(cè)試信號(hào)，同時(shí)還有標(biāo)注運(yùn)動(dòng)速度的標(biāo)記。

本文采用Matlab作為編程平臺(tái)，通過A（i，j，k）三維數(shù)組來(lái)對(duì)目標(biāo)幀的每一個(gè)像素進(jìn)行設(shè)定，例如對(duì)于1920×1080/50 Hz高清視頻，i維對(duì)應(yīng)1080行方向，j維對(duì)應(yīng)1920列方向，k維對(duì)應(yīng)RGB每個(gè)像素。計(jì)算設(shè)置好每個(gè)像素的RGB值之后，再通過imwrite（A，name，‘BMP’）函數(shù)來(lái)生成完整的一幀。其中，name是文件名，考慮到測(cè)試序列播出平臺(tái)的要求，可以將name設(shè)定為一個(gè)連續(xù)序列，BMP是無(wú)損壓縮幀圖像，保證測(cè)試序列從設(shè)計(jì)到播出的過程沒有任何壓縮損傷。

清晰度測(cè)試信號(hào)采用滿幅度調(diào)制的10黑9白正弦波，則沿該運(yùn)動(dòng)方向在待分析區(qū)域的第j個(gè)像素的亮度數(shù)值滿足

式中:W0是該方向物理分辨力；WL是該黑白條紋對(duì)應(yīng)的電視線；測(cè)試條紋以v像素/場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果某場(chǎng)時(shí)位置j的像素的亮度是G（j），則下一場(chǎng)時(shí)，位置j+v處像素的亮度也是 G（j）。

75/0/100/0彩條信號(hào)需要將YPbPr的電平信號(hào)空間變換成RGB色度空間，變換公式為

多波群信號(hào)的每一個(gè)波包都采用滿幅度調(diào)制的正弦波，該波包的第j個(gè)像素為

式中:fi是第i個(gè)波包，f0是最大帶寬，對(duì)于1920×1080/50 Hz高清視頻，最大帶寬為37.125 MHz。

最終設(shè)計(jì)的一幀BMP圖像如圖2和圖3所示，整個(gè)序列由200幀類似圖像構(gòu)成，持續(xù)時(shí)間為8 s。

每一幀BMP圖像的邊緣是從95%～100%的重顯率測(cè)試框以及必要的Logo，上部是單色場(chǎng)以及灰度小斜坡，左上是極限灰度8階梯，中部是從500～1080線的30線或40線間隔的水平及垂直清晰度測(cè)試條紋，以及定標(biāo)用的交叉十字?？紤]到靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試的一致性，本文提出的測(cè)試序列均采用10黑9白滿幅度調(diào)制的設(shè)計(jì)方案。下部是75/0/100/0彩條、灰度10階梯以及多波群信號(hào)。其中多波群波包為1 MHz，5～30 MHz（間隔5 MHz）。

2 動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)量序列的實(shí)時(shí)播放技術(shù)

本文對(duì)非線性編輯系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)置上的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)播放自主設(shè)計(jì)的測(cè)試序列功能。非線性編輯系統(tǒng)通常由硬件及軟件兩個(gè)部分構(gòu)成，其中硬件部分采用PCIexpress接口與宿主PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從宿主機(jī)中得到待播出的視頻序列的數(shù)據(jù)，然后形成視頻幀，最終通過特定的視頻輸出接口播放。軟件部分有視頻序列載入接口，可以輸入用戶定制的BMP格式的視頻幀序列，并在特定的時(shí)間線位置上播放。本文采用了Cano?pus公司的非線性編輯系統(tǒng)，其中硬件部分包括HD spark pro和HD storm，支持的接口包括YPbPr，SD/HD-SDI，HDMI，制式支持到 1080i/50 Hz/60 Hz。軟件部分是Edius5.0，支持逐行/隔行、奇場(chǎng)/偶場(chǎng)在前、緩存深度等設(shè)置。由于在無(wú)壓縮情況下，1080i/50 Hz的數(shù)據(jù)率達(dá)到了1.485 Gbit/s，超過了硬盤及接口的讀取速度，但如果進(jìn)行有損壓縮又會(huì)損傷圖像質(zhì)量，造成測(cè)試結(jié)果的誤差。Edius軟件提供Canopus無(wú)損壓縮模式，可以保證只壓縮圖像的冗余和重復(fù)部分，而不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成任何損傷，特別適用于幀內(nèi)和幀間存在大量冗余和重復(fù)數(shù)據(jù)的測(cè)試序列的壓縮。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)損壓縮后，Edi?us緩存利用率可以達(dá)到127/128，幾乎始終在最大緩存的狀態(tài)下工作，保證測(cè)試序列的實(shí)時(shí)播放。

3 比對(duì)試驗(yàn)及誤差分析

本文通過將上述的基于自行設(shè)計(jì)的測(cè)試序列與非線性編輯平臺(tái)的視頻發(fā)生系統(tǒng)與泰克的視頻分析儀VM5000以及視頻信號(hào)發(fā)生器TG700進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，測(cè)試接口為YPbPr。比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果如下:

1）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的清晰度測(cè)試條紋波形。VM5000的測(cè)試結(jié)果顯示1080線的波包有比較明顯的拍頻現(xiàn)象，呈Sinc函數(shù)分布，在1000線及以下不受影響，如圖5所示。

2）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的多波群測(cè)試條紋波形。VM5000的測(cè)試結(jié)果顯示從1～30 MHz的各個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)上，該系統(tǒng)都具有良好的頻率響應(yīng)。調(diào)制波包的頻率響應(yīng)為1%，3 dB帶寬達(dá)到了30 MHz。多波群波形如圖6所示。

3）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的灰度階梯測(cè)試條紋波形。VM5000的測(cè)試結(jié)果顯示灰度10階梯的線性最大誤差限為5.2%，黑場(chǎng)電平要略低于消隱電平。測(cè)試結(jié)果如表1和圖7所示。

表1 本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的灰度階梯電平測(cè)試結(jié)果

4）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條波形。VM5000的測(cè)試結(jié)果顯示本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條電平與標(biāo)準(zhǔn)值，以及TG700的輸出值有一定偏離，而且滿幅度電平要超過標(biāo)準(zhǔn)值700 mV大約10%，黑電平要低于消隱電平。但帶內(nèi)平坦度和噪聲特性與TG700相比并無(wú)惡化，因此適當(dāng)標(biāo)定后，是可以作為標(biāo)準(zhǔn)彩條輸出的。彩條電平測(cè)試結(jié)果如表2所示，波形如圖8所示。

表2 本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條電平測(cè)試結(jié)果

5）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的噪聲特性。通過對(duì)灰度小斜坡的比對(duì)測(cè)量，可知本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為-50.6 dB，而TG700的噪聲系數(shù)為-52.4 dB，基本相當(dāng)。

4 小結(jié)

本文采用Matlab設(shè)計(jì)了主觀客觀通用并可以產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)圖像清晰度測(cè)試序列，并采用非線性編輯平臺(tái)作為視頻播出平臺(tái)。通過無(wú)損壓縮和緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了1920×1080i/50 Hz序列的實(shí)時(shí)播放。通過與TG700及VM5000的比對(duì)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的多波群頻率響應(yīng)達(dá)到1%，3 dB帶寬達(dá)到了30 MHz，可以滿足1000線以內(nèi)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)清晰度測(cè)試的需求。超過1000線時(shí)，清晰度測(cè)試條紋波形存在一定的Sinc變形，但仍可用于主觀評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的彩條電平準(zhǔn)確性與標(biāo)準(zhǔn)值有一定偏差，可能與非線性平臺(tái)的常用的亮度色度“美化”有關(guān)，但噪聲特性與TG700基本相當(dāng)，只要適當(dāng)校準(zhǔn)，仍然可用于測(cè)試用的視頻信號(hào)發(fā)生器。

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