数字视频质量评价.doc

绪论

随着全国范围内的数字有线电视的普及,一些大中城市已经逐步完成有线电视的数字化改造,数字电视的概念也开始逐渐成为人们日常生活中的组成部分。在大多数用户开始体会到由此带来的各种便利的同时,高清晰的图像质量也开始成为一些用户的需求,各地的高清频道也在积极筹备和陆续开播中。但是,由于高清电视系统投入价格不菲,还不能在短时期内完全取代标清播出系统;处于节省带宽的考虑,某些不需要以高清格式传输的电视信号可以通过标清格式传输;加上高清接收终端高昂的价格以及传统的收看习惯等原因,使得标清电视播出系统以及接收终端还会长期存在。
在一部分人对画面清晰度提出更高要求的同时,更多的用户开始意识到信息接收高效性和实时性的重要,这部分用户更注重于收看场合的随意性和便捷性,手机电视、移动电视业也渐渐进入我们的视线,随着移动多媒体广播行业标准(CMMB)的颁布以及各地电视台移动数字化系统的完善,加上2008北京奥运的推动,移动接收终端已经无处不在。由于考虑到无线传输技术水平,移动电视中使用的视频格式又不同于现有的标清、高清电视标准。
随着信息化社会的不断进步,电视节目已经不仅仅存在于广大用户的客厅卧室,更多的出现在城市的各个角落,我国正处于多种接收终端,多种分辨率视频共存的数字电视时代。高清、标清、移动多媒体甚至IPTV等多种电视系统将会在一定时期内共存是我们不得不面临的一个现状。
因此,各地电视台在电视节目的转播、制作、播出过程中,都需要考虑各种播出系统对视频信号源的共享使用问题,难免会需要将高清素材下采样变换为标清格式适用于标清播出,或者将标清素材上采样变换为高清格式,亦或者将标清素材下变换为适用于移动多媒体播出的CIF格式。由于要兼顾多种分辨率系统并存的播出现状,同时需要考虑经过格式变换、压缩编码、传输等多个处理环节后,会产生大量分辨率不同、图像质量不一的视频;而对于观看节目的终端用户而言,画面质量是他们关心的主要问题之一,丝毫明显的画面损伤都是不能容忍的。因此,对于视频图像质量的准确评价是一项重要的研究课题。

数字视频质量评估方法(VQM: Video-Quality Metric)的研究是当前的一大热点,1997年ITU(International munication Union)组织成立了VQEG(Video Quality Experts Group)组织,以致力于视频质量测量方法的研究以及标准化工作。除此以外,国际上也研究产生了不少进行测量的方法。这些方法大致分为主观测量和客观测量两个方面。
在评价模拟视频和全带宽数字视频的质量时,人们可以采用直接测量静态测试信号失真的方法,然而,对于数字压缩电视系统的质量评价却要复杂得多。在压缩系统中,图像的质量随着数据率、图像的复杂程度以及所采用的编码算法而变化的。测试信号的静态特性不能反映图像质量的真是特性。在这种情况下,需要采用自然内容和运动测试场景,通过人眼的观察来评价图像质量,在传统上,人眼观察测试是按照ITU-R -11所描述的方法进行的。在一密闭的受控环境中播放含有自然内容和自然运动的测试场景,观察者根据自己对图像质量的感受给出一差值平均主观记分或DMOS。但是由于要求很多的评估者参与需按复杂的程序和步骤进行,调查结果由于受到人的心理、文化背景、周围环境和不同应用场合等多种因素的影响,评价结果也有所不同。主观评价方法的效率低,进行这样的测试往往需要几个星期甚至几个月的时间,测试费用可能也是高昂的,而且所得的结果是不可重复的,也非常不客观,因此,凭借人眼观察的主观测试方法是不实用的。
随着图像质量客观评价方法的发展和应用,为视频图像质量分析提供了一种快速的、适用的、可重复的测量方法,即客观评价方法,并将逐步取代视频图像质量的主观评价。客观评价方法是指以电子测量的方式来对视频质量做出评价。传统的客观评价方法是源于数据传输过程中的均方信噪比的思想,最常用的有均方差(Mean Squared Error, 简称MSE)和峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, 简称PSNR)。
根据失真视频与其相应的原始参考视频的比较程度,可以把视频质量客观评价方法分成三大类:基于全参考帧的视频质量测量(FR-VQM,Full-Reference Video Quality Metric)、基于缩减参考帧(RR-VQM,Reduced- Reference
)、基于无参考帧(NR-VQM,Non- Reference)。
基于全参考帧的视频质量测量FR-VQM是基于失真视频图像序列和无失真原始图像序列之间的逐帧逐像素差而计算的。简单的全参考VQM是峰值信噪比(PSNR),通过逐帧逐像素地计算出测