基于主觀和客觀圖像質(zhì)量選取AVS+優(yōu)化參數(shù)的評(píng)測(cè)方法

□ 楊銳 房靖基 范冠平

2014年3月18日，國(guó)家新聞出版廣電總局與工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布了《廣播電視先進(jìn)視頻編解碼（AVS+）技術(shù)應(yīng)用實(shí)施指南》（新廣電【2014】075號(hào)）,《指南》按照“快速推進(jìn)、平穩(wěn)過渡、增量?jī)?yōu)先、兼顧存量”的原則，明確了分類、分步驟推進(jìn)AVS+在衛(wèi)星、有線、地面數(shù)字電視及互聯(lián)網(wǎng)電視和IPTV等領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間表。從2014年7月1日起，AVS+將在全國(guó)廣電高清領(lǐng)域全面鋪開。AVS+的應(yīng)用實(shí)施，預(yù)計(jì)將從央視開始，逐步推廣到各地的高清頻道。AVS+央視高清及省級(jí)高清頻道已經(jīng)推廣接近30路，后續(xù)還會(huì)有更多的上星高清頻道轉(zhuǎn)換AVS+格式。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的發(fā)展，電視用戶對(duì)視頻節(jié)目的質(zhì)量要求越來越高，從標(biāo)清到高清、到3D，每一次技術(shù)的變革都給觀眾帶來全新的體驗(yàn)。而近幾年出現(xiàn)的4K超高清技術(shù)，給觀眾以極致的感官享受，日漸普及的4K電視也成為消費(fèi)者在購(gòu)買電視產(chǎn)品時(shí)的重要依據(jù)。

隨著國(guó)家的發(fā)展，人民的生活水平也在不斷提高，4K等高清電視也逐步走進(jìn)每家每戶，用戶更加注重直播頻道的觀看效果，目前IPTV基本上都是使用H.264的數(shù)字視頻壓縮格式進(jìn)行傳輸播放。在頭端編碼方面，不同的編碼轉(zhuǎn)碼為H.264的參數(shù)會(huì)對(duì)畫面質(zhì)量造成一定的影響，通過評(píng)測(cè)選取一個(gè)轉(zhuǎn)碼參數(shù)很有必要。

一、主觀評(píng)測(cè)機(jī)頂盒的解碼能力

每個(gè)運(yùn)營(yíng)商在用戶家投放的機(jī)頂盒一般都有多款型號(hào)，而每款機(jī)頂盒使用的內(nèi)置芯片CPU都各有不用，導(dǎo)致同一文件在不同機(jī)頂盒播放顯示效果有差異。在此次測(cè)試中，機(jī)頂盒1表現(xiàn)最佳，優(yōu)于機(jī)頂盒2和機(jī)頂盒3，所以選擇性能好的機(jī)頂盒，讓用戶體驗(yàn)更好的觀看效果。

（一）測(cè)試方法

使用同一個(gè)CCTV-1高清視頻文件，在三款不同型號(hào)機(jī)頂盒通過4K電視進(jìn)行播放，通過17個(gè)觀測(cè)人員對(duì)播放畫質(zhì)進(jìn)行評(píng)分比對(duì)。

1.素材參數(shù)

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2.評(píng)分規(guī)則

使用同一個(gè)CCTV-1高清視頻文件，在三款不同型號(hào)機(jī)頂盒通過4K電視進(jìn)行播放，測(cè)試人員根據(jù)視覺效果進(jìn)行打分，評(píng)分為10分制。

（二）評(píng)分結(jié)果

使用同一個(gè)CCTV-1高清視頻文件，在三款不同型號(hào)機(jī)頂盒通過4K電視進(jìn)行播放對(duì)比，總共有17人參加了主觀畫質(zhì)評(píng)分，評(píng)分對(duì)比結(jié)果如下：

二、基于品牌——畫質(zhì)測(cè)試儀器評(píng)測(cè)編碼參數(shù)

（一）感知視頻質(zhì)量值解析

感知視頻質(zhì)量值，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到視頻信號(hào)中的失真，并且同時(shí)給出PVQ計(jì)分。PVQ計(jì)分類似于平均主觀計(jì)分(Mean Opinion Score,MOS)。當(dāng)傳送流中沒有所謂技術(shù)“錯(cuò)誤”時(shí)，可以使用感知視頻質(zhì)量值計(jì)分測(cè)量，以度量壓縮域中的視頻質(zhì)量。PVQ計(jì)分提供PVQ的最小值、最大值和平均值，它對(duì)因過壓縮引起的某些失真十分敏感，對(duì)色度細(xì)節(jié)的影響特別明顯。

（二）測(cè)試拓?fù)?/h3>

（三）測(cè)試原理

對(duì)比轉(zhuǎn)碼器不同參數(shù)輸出碼流進(jìn)行測(cè)試，使用品牌一畫質(zhì)測(cè)試儀器進(jìn)行感知視頻質(zhì)量值評(píng)分。值等級(jí)可實(shí)時(shí)劃分為0至5級(jí)(5級(jí)為質(zhì)量最佳)。

（四）測(cè)試結(jié)果

對(duì)比轉(zhuǎn)碼器不同參數(shù)輸出碼流進(jìn)行測(cè)試，使用品牌一畫質(zhì)測(cè)試儀器進(jìn)行感知視頻質(zhì)量e值，對(duì)編碼參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后感知視頻質(zhì)量值有所提升，增加了0.15。評(píng)分如下：

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三、基于品牌二畫質(zhì)測(cè)試儀器評(píng)測(cè)編碼參數(shù)

（一）PSNR值解析

峰值信噪比（PSNR），是“Peak Signalto Noise Ratio”的縮寫，是一種評(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)，具有一定局限性。peak的中文意思是頂點(diǎn)，而ratio的意思是比率的。整個(gè)意思就是到達(dá)噪音比率的頂點(diǎn)信號(hào)。PSNR一般用于最大值信號(hào)和背景噪音之間的一個(gè)工程項(xiàng)目。通常影像壓縮之后，輸出的影像都會(huì)在某種程度上與原始影像不同。為了衡量經(jīng)過處理后的影像品質(zhì)，我們通常會(huì)參考PSNR值來衡量某個(gè)處理程序能否令人滿意。它是原圖像與被處理圖像之間的均方誤差相對(duì)于(2^n-1)^2的對(duì)數(shù)值(信號(hào)最大值的平方，n是每個(gè)采樣值的比特?cái)?shù))，它的單位是dB。MATLAB用法的公式如下：

其數(shù)學(xué)公式如下圖所示：

其中，MSE是原圖像與處理圖像之間均方誤差。Peak就是指8bits表示法的最大值255。MSE指MeanSquareError，I(角標(biāo) n)指原始影像第 n 個(gè) pixel值，P(角標(biāo) n)指經(jīng)處理后的影像第n個(gè)pixel值。PSNR的單位為dB。所以PSNR值越大，就代表失真越少。

（二）DMOS值解析

差異平均主觀評(píng)分(DMOS),被ITU R BT.500描述的主觀評(píng)定預(yù)測(cè)測(cè)量。人是圖像的最終接收者，因此，主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)是最為可靠的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。最常用的方法是平均主觀分值法(MOS)和差分主觀分值法(DMOS)。平均主觀分值法(MOS)是通過不同觀測(cè)者對(duì)于圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)得出的主觀分值進(jìn)行平均來得到歸一化的分值，用這個(gè)分值來表示該圖像質(zhì)量。它一般有五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)，良，中，差，劣。對(duì)應(yīng)這五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有兩種類型的分值：圖像主觀絕對(duì)分值和圖像主觀相對(duì)分值，主觀絕對(duì)分值意思是觀測(cè)者對(duì)于圖像本身的主觀分值，主觀相對(duì)分值意思是觀測(cè)者對(duì)于圖像在一組圖像中的相對(duì)其他圖像的主觀分值，如表1和2所示。

表1 圖像主觀絕對(duì)分值

表2 圖像主觀相對(duì)分值

差分主觀分值法(DMOS)，它是建立在平均主觀分值法(MOS)分值基礎(chǔ)上，它的計(jì)算公式如下：

這里，di,j代表觀測(cè)者對(duì)于參考圖像和失真圖像評(píng)分的差異值。最后對(duì)di,j′取平均值，可以得到DMOS值。好品質(zhì)=較低的數(shù)字。

（三）PQR 值解析

PQR–圖像質(zhì)量等級(jí)建基于Just Noticeable Difference(JND)概念，通過觀察者能注意到參考圖像和測(cè)試圖像差異的值進(jìn)行判斷。參考圖像和測(cè)試圖像的差異值越小，說明品質(zhì)越好，差異值越高說明品質(zhì)越差。

（四）測(cè)試原理及拓?fù)?/h3>

第1步：

使用接收機(jī)進(jìn)行等節(jié)目AVS+流錄制，使用視頻切割軟件對(duì)進(jìn)行流進(jìn)行多個(gè)場(chǎng)景的切割。

第2步：

使用推流軟件將步驟1中切割好的場(chǎng)景分別使用推流軟件輸入轉(zhuǎn)碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)碼H.264輸出。

第3步：

將接收機(jī)錄制的場(chǎng)景流作為基準(zhǔn)，將第2步轉(zhuǎn)碼器輸出錄制的場(chǎng)景與基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)、打分，最終輸出PSNR值、PQR值、DMOS值比對(duì)。

（五）測(cè)試結(jié)果

將接收機(jī)錄制的場(chǎng)景流作為基準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)碼器輸出的場(chǎng)景與基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)某品牌二畫質(zhì)測(cè)試儀器打分，輸出PSNR值、PQR值、DMOS值進(jìn)行比對(duì)。經(jīng)編碼優(yōu)化后輸出畫質(zhì)進(jìn)行評(píng)測(cè)打分有明顯提高。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

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四、結(jié)語

隨著AVS+技術(shù)的不斷完善及推進(jìn)，我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“AVS+”視音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的發(fā)展，電視用戶對(duì)視頻節(jié)目的質(zhì)量要求越來越高?，F(xiàn)在IPTV產(chǎn)業(yè)正在引領(lǐng)超高清視頻時(shí)代，致力于為用戶提供全4K新體驗(yàn)，目前已頒布我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)AVS2。AVS2的編解碼效率及復(fù)雜度與H.265大致相當(dāng)，支持超高分辨率(4K以上)、高幀率、高量化精度、高動(dòng)態(tài)范圍視頻的高效壓縮，我們可以共同探討是否可以使用AVS+轉(zhuǎn)碼為H.264的參數(shù)調(diào)優(yōu)方法，使用專業(yè)儀器設(shè)備通過不斷的測(cè)試調(diào)試出一個(gè)AVS2優(yōu)化的參數(shù)，為廣大用戶提供全新的視覺。