互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法

2019-11-04 20:49:18

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供稿：網(wǎng)友

　　由于圖像質(zhì)量直接反映了用戶使用互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)時的主觀感受，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣對于互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用的推廣和運(yùn)營商提高服務(wù)質(zhì)量都有重要意義，因此有必要研究評估圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。目前，國際上尚無針對互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用的圖像質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)，本文從相對評估和絕對評估兩個方面，分析了互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用在信源端和接收端造成圖像質(zhì)量損傷的原因，并對評估的標(biāo)準(zhǔn)與方法做了探討。
　　
　　一、圖像質(zhì)量評估方法與標(biāo)準(zhǔn)
　　當(dāng)前對圖像質(zhì)量的評估方法主要分成兩類：主觀評價和客觀測量。主觀評價的方法與標(biāo)準(zhǔn)已相對完善，而客觀測量則處于熱點研究中。
　　
　　1.主觀評價
　　
　　主觀評價的方法是將待評價的圖像序列播放給評論者觀看，并記錄他們的打分，然后對所有評論者的打分進(jìn)行統(tǒng)計，得出平均分作為評價結(jié)果。ITU-RBT.500-7標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)的主觀評價方法。
　　
　　(1)雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級法(DSCQS：DoubleStimulusContinuousQuality Scale )，將待評估的圖像序列和相應(yīng)的基準(zhǔn)序列交替播放給評估者看，每個圖像持續(xù)時間為10s，按此播放順序在處理圖像的前后都有一個直接的質(zhì)量比較。每個圖像之后有2s的灰畫面間隔，評估者可在此期間打分。最后以所有分?jǐn)?shù)的平均值作為該序列的測試值。這樣做的好處是能夠最大程度地降低圖像場景、情節(jié)等對主觀評測的影響。
　　
　　(2)單刺激連續(xù)質(zhì)量評價方法(SSCQE：SingleStimulusContinuous Quality Evaluation)：這種方法只把被評價的圖像序列播放給評估者看。評價時間長達(dá)30s，評估者在觀看的同時通過調(diào)節(jié)一個滑板的位置指向相應(yīng)的評價分值給出評分。
　　
　　很顯然，主觀評價有幾個顯著的不足之處：
　　
　　(1)觀察者一般需要是一個群體，并且經(jīng)過培訓(xùn)以準(zhǔn)確判定主觀評測分，人力和物力投入大，為時較長；
　　
　　(2)圖像內(nèi)容與情節(jié)千變?nèi)f化，觀察者個體差異大，輕易發(fā)生主觀上的偏差；
　　
　　(3)主觀評價無法進(jìn)行實時監(jiān)測；
　　
　　(4)僅僅只有平均分，假如評測分?jǐn)?shù)低，無法確切定位問題出在哪里。
　　
　　2.客觀測量
　　
　　客觀測量基于仿人眼視覺模型的原理對圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評估，并給出客觀評價分。近幾年，隨著人們對人眼視覺系統(tǒng)研究的深入，客觀測量的方法和工具不斷被開發(fā)出來，其測量結(jié)果也與主觀評價較吻合。國際上也成立了ITU-R視頻質(zhì)量專家組(ITU-RVQEG：VideoQualityEXPerts Group)專門研究和規(guī)范圖像質(zhì)量客觀測量的方法和標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　VQEG規(guī)定了兩個簡單的技術(shù)參數(shù)：峰值信噪比(PSNR)和均方差(MSE)。此外，還有許多圖像質(zhì)量模型，這些模型在測量圖像質(zhì)量時都基于人眼視覺特性。圖1是一種典型的基于解碼圖像與基準(zhǔn)圖像差值的圖像質(zhì)量客觀測量模型。
　　　互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖一）

互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖一）

　　圖1基于解碼圖像與基準(zhǔn)圖像差值的質(zhì)量模型
　　如圖1所示，該模型的輸入是原始信號和待測的解碼信號，輸出是兩個輸入圖像上各像素幅值之差的和。在整個處理過程中考慮了人眼對圖像差別的主觀感覺特性，以使測量結(jié)果與主觀評價所得結(jié)果相吻合。模型中的估算考慮了人眼的非線性、視覺濾波器、人眼的屏敝效應(yīng)、差值求和。為了使客觀測量與主觀評價結(jié)果一致，還要使最后所得的數(shù)值范圍和等級描述與主觀測試相對應(yīng)，對客觀測量的數(shù)值進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換。這個任務(wù)在與主觀評價匹配這一級完成。
　　
　　圖像質(zhì)量的客觀測量方法分為兩類：“相對評估”（RelativeEvaluation）和“絕對評估”（AbsoluteEvaluation）。
　　
　　相對評估：將處理過的視頻（壓縮或經(jīng)傳輸）與原始視頻比較以獲得相對評估的指標(biāo)值，并根據(jù)這些指標(biāo)值評估圖像質(zhì)量；相對評估一般用于片源制作時的質(zhì)量評估，準(zhǔn)確性高。
　　
　　絕對評估：直接對處理過的視頻（壓縮或經(jīng)傳輸）進(jìn)行評估以獲得絕對評估的指標(biāo)值，并根據(jù)這些指標(biāo)值評估圖像質(zhì)量；絕對評估一般在線觀看測試，準(zhǔn)確性不如相對評估。
　　
　　采用客觀測量工具，不僅減少了對人力、物力的需求，而且測量時間大大縮短，甚至可做到實時監(jiān)測。
　　
　　由于主觀評價的標(biāo)準(zhǔn)與方法已較完善，以下主要探討了在互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用的信源端和用戶接收端兩種環(huán)境下對圖像質(zhì)量的影響因素以及客觀測量方法。
　　
　　二、互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用信源端的圖像質(zhì)量評估
　　1.信源端影響圖像質(zhì)量的原因
　　
　　信源端引起圖像質(zhì)量劣化的原因主要是編碼器。當(dāng)前主流的H.263和MPEG-2視頻壓縮編碼算法都是基于離散余弦變換（DCT）的。由于DCT變換是以8×8宏塊為基本單元進(jìn)行（改進(jìn)的算法可以4×4或更小的宏塊為單元），每個宏塊單獨(dú)編碼，變換后又對DCT系數(shù)按照高、低頻系數(shù)進(jìn)行非線性量化。量化結(jié)果按四舍五入的原則進(jìn)行取舍，因此量化后接近零的高頻系數(shù)都定為零，只剩下少數(shù)的非零低頻系數(shù)。
　　
　　由于在圖像中，低頻系數(shù)表示了圖像的輪廓，高頻系數(shù)代表圖像細(xì)節(jié)，因此從DCT的原理可以得知，許多細(xì)節(jié)在DCT變換后從宏塊中消失，而且這種圖像質(zhì)量的劣化是單向不可逆的。同事由于直流和低頻流系數(shù)越過相鄰量化級的判決門限，使相鄰塊的平均亮度差別加大，在塊邊界造成亮度突變，使重構(gòu)圖像上出現(xiàn)明顯的塊結(jié)構(gòu)。在塊邊界出現(xiàn)的信號跳變，破壞了圖像邊緣的連續(xù)性，這些跳變產(chǎn)生有規(guī)律的幾何排列，使重構(gòu)圖像邊緣呈鋸齒狀。塊結(jié)構(gòu)和鋸齒狀都是重構(gòu)圖像的噪聲。
　　
　　編碼引起圖像變化的另一原因是時間猜測，是在P幀和B幀編碼引入的。用于猜測的圖像內(nèi)容來自經(jīng)編碼又解碼的I幀或P幀(參考幀)；其圖像變化又在猜測圖像中重復(fù)。參考幀中的塊邊界信號跳變又在猜測圖像的塊上出現(xiàn)，使P幀和B幀的塊效應(yīng)更加嚴(yán)重。
　　
　　信源端的圖像質(zhì)量評估方法同樣包括主觀評價與客觀測量。
　　
　　2．信源端圖像質(zhì)量的客觀測量
　　
　　信源端的圖像質(zhì)量客觀測量一般采用相對評估，即在編碼時將壓縮過的圖像與原始圖像比較以獲得相應(yīng)指標(biāo)的值，綜合多個指標(biāo)值對圖像質(zhì)量進(jìn)行評估。
　　
　　用于信源端的相對評估模型如圖2所示。
　　　互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖二）

互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖二）

　　圖2信源端的圖像質(zhì)量相對評估
　　圖2中的相對評估系統(tǒng)可以采用上文提到的基于解碼圖像與基準(zhǔn)圖像差值的質(zhì)量模型，也可采用其他模型。
　　
　　相對評估系統(tǒng)衡量指標(biāo)按照評估域分類可分為：空間域（Spatial）指標(biāo)和時間域（Temporal）指標(biāo)。
　　
　　空間域指標(biāo)：用于考量前后圖像幀之間比較的指標(biāo)。
　　
　　時間域指標(biāo)：同時考量連續(xù)的兩幀或多幀圖像時使用的指標(biāo)。
　　
　　具體的，主要包括以下指標(biāo)：
　　
　　PSNR：亮度的峰值信噪比，屬空間域指標(biāo)；
　　
　　SNR：亮度的信噪比，屬空間域指標(biāo)；
　　
　　RMSE：亮度的均方差根（Rootmean square error），屬空間域指標(biāo)；
　　
　　活動能量差：額外的能量表明有差錯塊和噪聲，屬時間域指標(biāo)；
　　
　　重復(fù)幀：缺少的能量表明有缺幀，產(chǎn)生圖像顛簸，屬時間域指標(biāo)；
　　
　　邊緣能量差：表明丟幀或重復(fù)幀，屬空間域指標(biāo)；
　　
　　水平和垂直邊緣能量：額外的邊緣能量表明邊緣有噪聲、塊效應(yīng)或邊緣噪聲，屬空間域指標(biāo)；
　　
　　空間頻率差：缺少的邊緣能量標(biāo)明出現(xiàn)模糊，屬空間域指標(biāo)。
　　
　　三、互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用用戶接收端的圖像質(zhì)量評估
　　1.用戶接收端影響圖像質(zhì)量的原因
　　
　　互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用中，用戶收看到的圖像是經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸和解碼后的重構(gòu)圖像。由于互聯(lián)網(wǎng)是基于“盡力而為”的服務(wù)模型，因此無法保證端到端的傳送質(zhì)量。影響用戶接收圖像質(zhì)量的因素主要有：
　　
　　(1)可用帶寬：主要衡量用戶從網(wǎng)絡(luò)取得互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用數(shù)據(jù)的能力，當(dāng)可用帶寬低于所點片源的編碼速率時，圖像質(zhì)量無法保證；
　　
　　(2)延時：互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用是實時性業(yè)務(wù)，盡管播放器都有一定的緩存能力（典型的為5s），但當(dāng)延遲超出緩存能力時，遲到的包將被播放器丟棄，從而影響圖像質(zhì)量；
　　
　　(3)丟包：丟包是導(dǎo)致圖像質(zhì)量劣化的最本質(zhì)原因，由于媒體數(shù)據(jù)是前后關(guān)聯(lián)的，并且不同的數(shù)據(jù)包對于重構(gòu)圖像的重要性不同，因此即時少量的丟包（如I幀數(shù)據(jù)的丟包）也可能引起解碼器主動丟棄其他相關(guān)的數(shù)據(jù)包，引起質(zhì)量下降；
　　
　　(3)抖動：一般媒體播放器是針對穩(wěn)定的碼流，當(dāng)抖動過大時會導(dǎo)致解碼器主動丟包引起圖像質(zhì)量下降。
　　
　　根據(jù)中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)送審稿《ip網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求——網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)與指標(biāo)》中規(guī)定，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)多媒體傳輸時，網(wǎng)絡(luò)性能要求達(dá)到1級或1級以上，即如表1所示。
　　互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖三）

互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)圖像質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)與方法（圖三）

　　圖像質(zhì)量的絕對評估模型主要基于以下評估指標(biāo)：
　　
　　(1)圖像跳躍（jerkiness）：指圖像看起來不平滑，有類似“快進(jìn)”時的現(xiàn)象。造成的原因可能是：網(wǎng)絡(luò)擁塞等造成的丟包，編碼器受固定碼率（CBR）限制而引入的丟包或缺幀，幀率忽然下降。
　　
　　(2)塊效應(yīng)（blockiness）：塊效應(yīng)是所有基于DCT技術(shù)壓縮可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。造成的原因主要是傳輸誤碼，因為DCT變換是整個塊進(jìn)行的，一個誤碼將影響整個DCT反變換的結(jié)果。
　　
　　(3)模糊度（blur）：模糊度指圖像高頻細(xì)節(jié)部分丟失造成的圖像邊緣拖尾現(xiàn)象。造成的原因可能是編碼器為了適應(yīng)固定碼率而主動引入的，另外傳輸差錯和丟包同樣會引起模糊。
　　
　　(4)噪聲（noise）：圖像噪聲指的是由于高頻細(xì)節(jié)劣化產(chǎn)生的附加象素點，類似“雪花”現(xiàn)象。造成的原因主要在于片源側(cè)，例如采用磁帶記錄視頻時輕易產(chǎn)生“雪花”噪聲。另外傳輸差錯（誤比特）也會產(chǎn)生噪聲。
　　
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