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1、第第8章章 数字视频测量和分析数字视频测量和分析8.1 视频测量概念视频测量概念8.2 串行数字视频测量串行数字视频测量8.3 MPEG协议分析和监测测量协议分析和监测测量8.4 数字电视图像质量主观评价数字电视图像质量主观评价8.5 数字图像质量客观测量数字图像质量客观测量8.1 视频测量概念视频测量概念8.1.1 视频测量功能层视频测量功能层全部指标测量可以通过一台测试仪器全部指标测量可以通过一台测试仪器如如WFM601或或WM700T来完成。由于信号来完成。由于信号在功能层之间进行了不同的处理，因此，在功能层之间进行了不同的处理，因此，对不同功能层需要用不同的分析方法。对不同功能层需要用
2、不同的分析方法。8.1.2 视频质量测量概念视频质量测量概念首首先先，我我们们定定义义几几个个有有关关视视频频质质量量测测量方面的基本概念。量方面的基本概念。(1)主主观观测测量量是是根根据据观观看看者者提提供供的的图图像像质量意见得出的测量结果。质量意见得出的测量结果。(2)客客观观测测量量是是指指借借助助仪仪器器，使使用用人人工工手手段段读读取取测测量量结结果果，或或者者利利用用数数学学算算法法自自动得出测量结果。动得出测量结果。(3)直接测试是指使用有一定意义的图直接测试是指使用有一定意义的图像素材进行测试的，通常也称为图像质量像素材进行测试的，通常也称为图像质量测试。测试。(4)间接测
3、试是使用专门设计与图像具间接测试是使用专门设计与图像具有相同格式的测试信号进行测试的，也称有相同格式的测试信号进行测试的，也称为信号质量测试。为信号质量测试。(5)不停播测试是通过直接评价节目素不停播测试是通过直接评价节目素材或间接测量节目素材中插入的测试信号材或间接测量节目素材中插入的测试信号进行测量的。进行测量的。(6)停播测试是使用适当的测试场景进停播测试是使用适当的测试场景进行直接测试，或使用全场测试信号进行非行直接测试，或使用全场测试信号进行非直接测试。直接测试。实际上，在模拟电视系统中对色度信实际上，在模拟电视系统中对色度信号进行了压缩处理，但是为了区别数字视号进行了压缩处理，但是
4、为了区别数字视频压缩系统，通常人们将模拟电视系统当频压缩系统，通常人们将模拟电视系统当作无压缩系统看待。作无压缩系统看待。在在压压缩缩数数字字视视频频系系统统中中进进行行无无压压缩缩视视频频的的信信号号质质量量测测量量仍仍然然很很重重要要，这这是是由由于于以下以下原因：原因：(1)输输入入视视频频压压缩缩编编码码器器的的信信号号要要遵遵循循适适当当的的标标准准，并并尽尽可可能能为为有有效效的的编编码码提提供供高质量的信号；高质量的信号；(2)字字幕幕和和特特技技效效果果等等视视频频处处理理不不能能在在压缩域中完成；压缩域中完成；(3)由于压缩编解码的成本和质量原因，由于压缩编解码的成本和质量原
5、因，制作设备不能采用全压缩处理方式；制作设备不能采用全压缩处理方式；(4)不同压缩方式之间进行转换的惟一不同压缩方式之间进行转换的惟一途径是通过无压缩状态。途径是通过无压缩状态。使使用用数数字字压压缩缩技技术术会会增增加加现现代代电电视视系系统统中中发发生生的的失失真真类类型型，新新出出现现的的失失真真类类型型有以下几种。有以下几种。(1)量量化化噪噪声声是是在在视视频频信信号号数数字字化化过过程程中中引引入入的的，会会随随着着压压缩缩系系统统降降低低比比特特率率处处理而理而增大。增大。(2)块块误误码码是是出出现现在在DCT压压缩缩系系统统中中的的一种棋盘形的误码效果。一种棋盘形的误码效果。
6、(3)分解力下降是由于压缩系统利用人分解力下降是由于压缩系统利用人类视觉系统中的有限分辨力去除图像中的类视觉系统中的有限分辨力去除图像中的冗余信息引起的。虽然人眼对色度的分辨冗余信息引起的。虽然人眼对色度的分辨力更低，但是无压缩图像已经利用这一点力更低，但是无压缩图像已经利用这一点作了压缩，压缩系统会对色度进行更大的作了压缩，压缩系统会对色度进行更大的压缩。压缩。(4)边缘忙乱是图像量化的另一种效果，边缘忙乱是图像量化的另一种效果，失真主要集中在物体的边缘，表现为时域失真主要集中在物体的边缘，表现为时域中变化的尖峰或空域的不同噪声，主要由中变化的尖峰或空域的不同噪声，主要由于从图像的高分解力部
7、分去除更多的信息于从图像的高分解力部分去除更多的信息导致边缘忙乱。导致边缘忙乱。(5)蚊子噪声是产生于相邻像素之间的蚊子噪声是产生于相邻像素之间的量化错误，由于压缩引起的。由于场景内量化错误，由于压缩引起的。由于场景内容不同，量化间隔的尺度会有变化，从而容不同，量化间隔的尺度会有变化，从而产生出像蚊子那样随时闪现在一幅场景中产生出像蚊子那样随时闪现在一幅场景中的物体周围。的物体周围。(6)块误码是出现在使用基于精确的运块误码是出现在使用基于精确的运动补偿或因码率限制而采取丢帧处理的时动补偿或因码率限制而采取丢帧处理的时间压缩系统中，产生与运动相关的图像缺间压缩系统中，产生与运动相关的图像缺陷如
8、抖动或像素块错误等。陷如抖动或像素块错误等。8.2 串行数字视频测量串行数字视频测量8.2.1 眼图和抖动测量眼图和抖动测量1眼图形成眼图形成眼眼图图可可用用来来确确定定和和检检验验串串行行数数字字信信号号的传输质量。的传输质量。2串行数字信号的波形特性及参量串行数字信号的波形特性及参量从从眼眼图图中中可可以以反反应应出出串串行行数数字字信信号号的的模拟波形特性。模拟波形特性。眼图观测项目通常包括：幅度、时钟眼图观测项目通常包括：幅度、时钟周期、上升和下降时间、过冲和下冲以及周期、上升和下降时间、过冲和下冲以及抖动等参量。抖动等参量。3抖动抖动在在ITU-RBT.1363-1中中给给抖抖动动下
9、下的的定定义义为为：抖抖动动是是数数字字信信号号的的跳跳变变沿沿相相对对于于理理想想位置在时间上的变化。位置在时间上的变化。4抖动的分类抖动的分类相相同同大大小小的的抖抖动动量量因因抖抖动动速速率率不不同同，会对数字接收机产生截然不同的影响。会对数字接收机产生截然不同的影响。(1)绝对抖动绝对抖动绝绝对对抖抖动动是是信信号号上上非非常常低低到到非非常常高高的的频频率率所所有有抖抖动动频频率率分分量量的的集集合合。实实际际上上不不可可能能精精确确地地测测出出绝绝对对抖抖动动，这这是是因因为为很很难难产生一个绝对基准的数据沿。产生一个绝对基准的数据沿。漂移漂移(Wander)也包含在绝对抖动之中，
10、也包含在绝对抖动之中，数字信号跳变位置以非常低的频率变化数字信号跳变位置以非常低的频率变化(典典型值为型值为10Hz以下以下)称为漂移。称为漂移。(2)定时抖动定时抖动定定时时抖抖动动是是抖抖动动频频率率高高于于规规定定速速率率(典典型型值值为为10Hz或或更更低低)的的信信号号跳跳变变位位置置的的变化。变化。(3)校正抖动校正抖动在在ITU-RBT.1363-1中中，给给校校正正抖抖动动下下的的定定义义是是：信信号号的的跳跳变变位位置置相相对对于于从从该该信信号中提取的时钟跳变位置的变化。号中提取的时钟跳变位置的变化。(4)低频抖动低频抖动低低频频抖抖动动是是定定时时抖抖动动和和校校正正抖抖
11、动动之之间间的差，它所覆盖的频率范围是的差，它所覆盖的频率范围是f1f3。8.2.2 误码检测误码检测1误码秒概念误码秒概念由由于于串串行行数数字字视视频频系系统统的的特特性性不不同同于于一一般般的的数数字字系系统统，传传统统的的误误码码率率测测试试方方法法并并不不适适合合数数字字电电视视系系统统使使用用。主主要要原原因因如如下。下。(1)误码率常被用于引起噪声的随机误误码率常被用于引起噪声的随机误码统计。而典型的串行数字视频系统工作码统计。而典型的串行数字视频系统工作在基本上无随机噪声误码的环境，其主要在基本上无随机噪声误码的环境，其主要误码为脉冲误码，与随机噪声误码不同的误码为脉冲误码，与
12、随机噪声误码不同的是它具有间隔出现的特点，一个数据字的是它具有间隔出现的特点，一个数据字的出错会引起数百个相同数字的出错。出错会引起数百个相同数字的出错。(2)误码测试必须提供使用若干已经定误码测试必须提供使用若干已经定义的伪随机比特流序列信号中的一种，而义的伪随机比特流序列信号中的一种，而这些测试信号与串行数字视频比特流信号这些测试信号与串行数字视频比特流信号不存在相似特征，数字视频设备无法处理不存在相似特征，数字视频设备无法处理这些测试信号。这些测试信号。(3)如果一个数字视频系统工作在安全如果一个数字视频系统工作在安全区，由随机噪声产生的误码大约为每百年区，由随机噪声产生的误码大约为每百
13、年一次，码率一次，码率(BER)为为10-18，可见误码率测试，可见误码率测试不能提供有价值的数值。不能提供有价值的数值。(4)误码率测试必须停播进行，测试所误码率测试必须停播进行，测试所有的比特往往要花费很长一段时间，在广有的比特往往要花费很长一段时间，在广播系统中不存在这样的环境。播系统中不存在这样的环境。2EDH误码检测和处理误码检测和处理(1)EDH的基本原理的基本原理(2)测试方法测试方法EDH通通常常有有两两种种误误码码测测试试方方法法：固固定定图形测试法和在线图形测试法和在线EDH误码检测和处理。误码检测和处理。固定图形测试法固定图形测试法固定图形测试法固定图形测试法 在线在线在
14、线在线EDHEDH误码检测和处理误码检测和处理误码检测和处理误码检测和处理8.2.3 SDI检测场检测场SDI检检测测场场也也被被称称作作“病病理理检检测测信信号号”(Pathological Signal)，它它并并不不是是增增强强测测试试信信号号，但但是是由由于于它它是是一一种种全全场场测测试试信信号，需要进行停播测试。号，需要进行停播测试。8.3 MPEG协议分析和监测测量协议分析和监测测量MPEG系统故障通常分为两大类：第系统故障通常分为两大类：第一类，传输系统正确地进行复用并将信息一类，传输系统正确地进行复用并将信息从编码器送到解码器，不存在误码和增加从编码器送到解码器，不存在误码和
15、增加的抖动，但编码器和解码器本身有错误；的抖动，但编码器和解码器本身有错误；第二类，编码器和解码器状态良好，但是第二类，编码器和解码器状态良好，但是传输层破坏了数据。传输层破坏了数据。8.3.1 MPEG传传输输码码流流协协议议分分析析的基本内容的基本内容根根据据MPEG传传输输码码流流的的构构成成，可可以以把把MPEG协协议议分分析析分分成成三三个个层层面面：针针对对传传输输码码流流的的分分析析，如如节节目目服服务务信信息息PSI/SI、节节目目时时钟钟基基准准PCR以以及及传传送送带带分分析析等等内内容容；针针对对打打包包的的基基本本码码流流分分析析，包包括括对对视视频频、音音频频以以及及
16、时时间间标标记记等等的的分分析析；针针对对基基本本码码流流的的协协议议分分析析，如如视视频频基基本本码码流流分分析析、音音频基本码流分析和数据基本码流分析。频基本码流分析和数据基本码流分析。1TS流分析流分析MPEG传传输输码码流流有有着着极极其其复复杂杂的的结结构构，但但是是MPEG协协议议分分析析工工具具可可以以用用逻逻辑辑方方式式解解析析结结构构，从从而而使使得得使使用用者者可可以以观观察察任任何何结构上的细节。结构上的细节。分分析析仪仪是是通通过过传传输输流流中中的的节节目目专专用用信信息息(PSI)、数数据据中中的的节节目目关关联联表表(PAT)和和节节目目映映射射表表(PMT)来来
17、创创建建分分层层观观察察的的，这这些些表表中的中的PID信息显示在图标下面。信息显示在图标下面。解复用器或解码器锁定传输流的能力解复用器或解码器锁定传输流的能力取决于节目专用信息数据取决于节目专用信息数据(PSI)发送的频率。发送的频率。复用分配图用图表形式显示传输流分复用分配图用图表形式显示传输流分配给每个配给每个PID或节目的带宽比例。或节目的带宽比例。解释观察可以分析解释观察可以分析MPEG码流中的数码流中的数据，这些数据包括单个的传输流数据包、据，这些数据包括单个的传输流数据包、表格或节目基本码流数据包。表格或节目基本码流数据包。传输流完全依靠通过编码器对句法的传输流完全依靠通过编码器
18、对句法的精确使用来传输节目素材。精确使用来传输节目素材。在在MPEG传输码流中正确传送节目时传输码流中正确传送节目时钟数据十分重要，这是因为节目时钟数据钟数据十分重要，这是因为节目时钟数据控制解码过程的全部定时。控制解码过程的全部定时。2PES分析分析完完成成传传输输层层分分析析后后，就就可可以以进进入入下下一一层层PES分分析析。PES分分析析包包括括查查验验PES图图像像格格式式包包头头和和控控制制标标记记，检检查查使使视视频频、音音频频同同步步的的PTS/DTS时时间间标标记记，传传输输目目标标解解码码器器(T-STD)缓冲器分析等。缓冲器分析等。8.3.2 数数字字电电视视信信号号质质
19、量量的的监监测测和测量和测量MPEG-2传传输输流流作作为为数数字字电电视视传传输输的的基基带带信信号号，在在日日常常运运行行环环境境中中，通通常常需需要要连连续续或或周周期期性性地地监监测测MPEG-2传传输输流流，检检查查MPEG-2传传输输流流的的完完整整性性，对对TS流流中中的的重要参数进行快速检查。重要参数进行快速检查。8.4 数字电视图像质量主观评价数字电视图像质量主观评价8.4.1 图像质量主观评价的一般要求图像质量主观评价的一般要求主主观观评评价价(Subjective Assessment)是是直直接接利利用用观观察察者者对对被被测测系系统统质质量量的的直直接接反反应来确定电
20、视系统性能的测量方法。应来确定电视系统性能的测量方法。1观看条件观看条件2信号源信号源信信号号源源作作为为被被测测试试系系统统的的输输入入提提供供直直接接的的参参考考图图像像。信信号号源源应应具具有有所所用用制制式式的的最最佳佳图图像像质质量量，在在显显示示的的一一对对图图像像中中的的参参考考图图像像上上应应避避免免出出现现缺缺陷陷，这这样样有有助助于于获获得稳定的测试结果。得稳定的测试结果。3测试素材选择测试素材选择目目前前，国国际际上上已已经经利利用用各各种种方方法法开开发发制作了多种电视主观评价所需的测试素材。制作了多种电视主观评价所需的测试素材。4观看员观看员观观看看员员是是指指参参加
21、加主主观观评评价价的的评评分分人人员员。观观看看员员通通常常有有两两种种类类型型：专专业业观观看看员员和和非非专业观看员。专业观看员。5评价测试程序评价测试程序每每个个测测试试过过程程应应遵遵循循一一定定的的测测试试程程序序，通常分为说明示范和评价打分阶段。通常分为说明示范和评价打分阶段。6评分制和评分等级评分制和评分等级国国际际上上推推荐荐使使用用的的评评分分制制有有三三种种：质质量制、图像损伤制和比较制。量制、图像损伤制和比较制。7数据统计及结果分析和表达数据统计及结果分析和表达主主观观测测量量得得到到的的最最终终数数据据需需要要进进行行处处理理，通通常常利利用用数数理理统统计计和和概概率
22、率分分布布理理论论进进行行统统计计和和分分析析，包包括括理理论论概概率率分分布布类类型型的的选选择择、置置信信度度的的确确定定和和逻逻辑辑函函数数类类型型的的选选取取，以以及及正正交交设设计计、方方差差分分析析与与回回归归分分析析等。等。8.4.2 图像质量主观评价方法图像质量主观评价方法1双双刺刺激激连连续续质质量量标标度度法法(The Double-stimulus Continuous Quality-scale Method)这这种种方方法法可可以以用用来来评评价价一一个个新新系系统统的的质质量量或或者者传传输输通通道道对对图图像像质质量量的的影影响响，即即最佳条件下确定电视系统性能。
23、最佳条件下确定电视系统性能。2双刺激损伤标度法双刺激损伤标度法(The Double-stimulus Impairment Scale Method)双双刺刺激激损损伤伤标标度度法法也也被被称称作作EBU法法，可可以以用用来来评评价价一一个个新新系系统统或或传传输输通通道道的的损损伤伤效效果果，即即确确定定系系统统在在非非最最佳佳条条件件下下保保持持图像质量的能力。图像质量的能力。3其他可供选用的主观评价方法其他可供选用的主观评价方法除除了了前前面面介介绍绍的的两两种种主主观观评评价价方方法法以以外外，还还有有其其他他各各种种主主观观评评价价方方法法，如如单单刺刺激激方方法法(Single-
24、Stimulus Methods)、刺刺激激比比较较法法(Stimulus-comparison Methods)和和单单刺刺激激连连续续质质量量评评价价法法(Single Stimulus Continuous Quality Evaluation)等。等。8.5 数字图像质量客观测量数字图像质量客观测量8.5.1 视视 频频 质质 量量 度度 量量(Video-Quality Metric)为为了了更更好好地地测测试试压压缩缩视视频频系系统统，人人们们研研究究开开发发了了多多种种图图像像质质量量客客观观测测试试方方法法，这这些些方方法法大大致致可可以以分分为为两两类类：特特征征提提取取法法
25、和和图图像像差差值值法法。在在很很多多时时候候，两两者者可可以以起起到互补作用。到互补作用。特征提取法使用数学计算提取一幅图特征提取法使用数学计算提取一幅图像像(空间特征空间特征)或一组图像序列或一组图像序列(时间特征时间特征)的特征，通常每帧图像会得到一定量的数的特征，通常每帧图像会得到一定量的数据据(比如几百个字节数据比如几百个字节数据)，这些数据要比，这些数据要比用来传送的压缩图像数据少得多，比较计用来传送的压缩图像数据少得多，比较计算得到的参考图像和劣化图像的特征值可算得到的参考图像和劣化图像的特征值可以得到客观质量评分。以得到客观质量评分。图像差值使用一个基于矩阵的数学运图像差值使用
26、一个基于矩阵的数学运算处理每帧图像或图像序列，处理后的数算处理每帧图像或图像序列，处理后的数据代表滤波后的图像数据，包含有与原始据代表滤波后的图像数据，包含有与原始图像数据相似的大量数据。图像数据相似的大量数据。视频质量度量视频质量度量(VQM)主要通过对数字主要通过对数字图像运用某些质量分析算法，由软件提供图像运用某些质量分析算法，由软件提供客观图像质量的测量值。客观图像质量的测量值。8.5.2 基基于于人人类类视视觉觉系系统统模模型型的的客观图像质量评价客观图像质量评价基基于于特特征征提提取取参参数数计计算算的的图图像像差差值值方方法的测试结果依赖于应用或压缩技术。法的测试结果依赖于应用或
27、压缩技术。用用于于图图像像差差值值法法的的滤滤波波器器参参数数应应符符合合人人类类视视觉觉系系统统模模型型(HVS)。这这一一模模型型的的应应用用将将提提供供一一个个独独立立于于视视频频素素材材、缺缺陷陷类类型型和和压缩技术的视频质量度量。压缩技术的视频质量度量。萨诺夫萨诺夫(Sarnoff)实验室的研究人员实验室的研究人员投入了大量精力和时间研究人类视觉系统，投入了大量精力和时间研究人类视觉系统，并将在这一领域获得知识应用到电视显示并将在这一领域获得知识应用到电视显示和图像质量评价中。和图像质量评价中。图图8-43 萨诺夫人类视觉感知模型萨诺夫人类视觉感知模型8.5.3 运运用用JND模模型
28、型进进行行图图像像质质量的测量和分析量的测量和分析基基于于人人类类视视觉觉模模型型和和图图像像质质量量等等级级(PQR)可可以以提提供供快快速速、可可重重复复的的客客观观图图像像质质量量测测量量，这这种种图图像像质质量量评评估估方方法法可可以以用用在在数数字字电电视视设设备备开开发发、压压缩缩算算法法优优化化设设计计、系系统统设设备备验验收收和和评评估估、系系统统监监测测以以及及复复用用编码器带宽分配等应用领域。编码器带宽分配等应用领域。被测系统的输入是一些用于直接测试被测系统的输入是一些用于直接测试的短参考序列，这些参考序列使用实际的的短参考序列，这些参考序列使用实际的图像而不是测试信号。图
29、像而不是测试信号。通过对主观和客观图像质量测量的对通过对主观和客观图像质量测量的对比可以得出这样的结论：主观测量结果会比可以得出这样的结论：主观测量结果会有某种程度的不确定性，某些场景的主观有某种程度的不确定性，某些场景的主观质量与客观质量没有很好的相关性就能说质量与客观质量没有很好的相关性就能说明这个问题。明这个问题。为了使客观图像质量测量结果与主观为了使客观图像质量测量结果与主观评价结果有很好的相关性，必须保证输入评价结果有很好的相关性，必须保证输入到图像质量矩阵的两个序列的处理方法与到图像质量矩阵的两个序列的处理方法与主观测量所用的方式相同。主观测量所用的方式相同。1不不同同视视频频类类
30、型型、压压缩缩比比与与图图像像质量之间的关系质量之间的关系这这组组测测试试可可以以了了解解不不同同节节目目内内容容对对图图像质量的影响。像质量的影响。2不不同同比比特特率率的的4 2 2，4 2 0和和JPEG编码与图像质量的关系编码与图像质量的关系这这一一组组测测试试使使用用Mobile/Calendar测测试试序序列列，该该序序列列具具有有慢慢速速随随机机运运动动的的特特性性，码码率率从从4Mbit/s到到40Mbit/s变变化化，分分别别测测试试了了MPEG 4 2 2和和4 2 0以以及及JPEG编编解解码码的的结果。结果。3GOP对图像质量的影响对图像质量的影响使使用用Mobile/Calendar测测试试序序列列，该该序序列列具具有有慢慢速速随随机机运运动动的的特特性性，采采用用8Mbit/s码率编码。码率编码。