2019年第8章數(shù)字視頻測(cè)量和分析課件

第8章數(shù)字視頻測(cè)量和分析8.1視頻測(cè)量概念8.2串行數(shù)字視頻測(cè)量8.3MPEG協(xié)議分析和監(jiān)測(cè)測(cè)量8.4數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)8.5數(shù)字圖像質(zhì)量客觀(guān)測(cè)量第8章數(shù)字視頻測(cè)量和分析8.1視頻測(cè)量概念8.1視頻測(cè)量概念8.1.1視頻測(cè)量功能層 全部指標(biāo)測(cè)量可以通過(guò)一臺(tái)測(cè)試儀器如WFM601或WM700T來(lái)完成。由于信號(hào)在功能層之間進(jìn)行了不同的處理，因此，對(duì)不同功能層需要用不同的分析方法。8.1視頻測(cè)量概念8.1.1視頻測(cè)量功能層8.1.2視頻質(zhì)量測(cè)量概念 首先，我們定義幾個(gè)有關(guān)視頻質(zhì)量測(cè)量方面的基本概念。 (1)主觀(guān)測(cè)量是根據(jù)觀(guān)看者提供的圖像質(zhì)量意見(jiàn)得出的測(cè)量結(jié)果。 (2)客觀(guān)測(cè)量是指借助儀器，使用人工手段讀取測(cè)量結(jié)果，或者利用數(shù)學(xué)算法自動(dòng)得出測(cè)量結(jié)果。8.1.2視頻質(zhì)量測(cè)量概念(3)直接測(cè)試是指使用有一定意義的圖像素材進(jìn)行測(cè)試的，通常也稱(chēng)為圖像質(zhì)量測(cè)試。(4)間接測(cè)試是使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)與圖像具有相同格式的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的，也稱(chēng)為信號(hào)質(zhì)量測(cè)試。(5)不停播測(cè)試是通過(guò)直接評(píng)價(jià)節(jié)目素材或間接測(cè)量節(jié)目素材中插入的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的。(3)直接測(cè)試是指使用有一定意義的圖像素材進(jìn)行測(cè)試的，通常也(6)停播測(cè)試是使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行直接測(cè)試，或使用全場(chǎng)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行非直接測(cè)試。實(shí)際上，在模擬電視系統(tǒng)中對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行了壓縮處理，但是為了區(qū)別數(shù)字視頻壓縮系統(tǒng)，通常人們將模擬電視系統(tǒng)當(dāng)作無(wú)壓縮系統(tǒng)看待。(6)停播測(cè)試是使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行直接測(cè)試，或使用全場(chǎng)測(cè)在壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)壓縮視頻的信號(hào)質(zhì)量測(cè)量仍然很重要，這是由于以下原因：(1)輸入視頻壓縮編碼器的信號(hào)要遵循適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，并盡可能為有效的編碼提供高質(zhì)量的信號(hào)；(2)字幕和特技效果等視頻處理不能在壓縮域中完成；在壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)壓縮視頻的信號(hào)質(zhì)量測(cè)量仍然很重要，(3)由于壓縮編解碼的成本和質(zhì)量原因，制作設(shè)備不能采用全壓縮處理方式；(4)不同壓縮方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的惟一途徑是通過(guò)無(wú)壓縮狀態(tài)。(3)由于壓縮編解碼的成本和質(zhì)量原因，制作設(shè)備不能采用全壓縮使用數(shù)字壓縮技術(shù)會(huì)增加現(xiàn)代電視系統(tǒng)中發(fā)生的失真類(lèi)型，新出現(xiàn)的失真類(lèi)型有以下幾種。(1)量化噪聲是在視頻信號(hào)數(shù)字化過(guò)程中引入的，會(huì)隨著壓縮系統(tǒng)降低比特率處理而增大。(2)塊誤碼是出現(xiàn)在DCT壓縮系統(tǒng)中的一種棋盤(pán)形的誤碼效果。使用數(shù)字壓縮技術(shù)會(huì)增加現(xiàn)代電視系統(tǒng)中發(fā)生的失真類(lèi)型，新出現(xiàn)的(3)分解力下降是由于壓縮系統(tǒng)利用人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)中的有限分辨力去除圖像中的冗余信息引起的。雖然人眼對(duì)色度的分辨力更低，但是無(wú)壓縮圖像已經(jīng)利用這一點(diǎn)作了壓縮，壓縮系統(tǒng)會(huì)對(duì)色度進(jìn)行更大的壓縮。(4)邊緣忙亂是圖像量化的另一種效果，失真主要集中在物體的邊緣，表現(xiàn)為時(shí)域中變化的尖峰或空域的不同噪聲，主要由于從圖像的高分解力部分去除更多的信息導(dǎo)致邊緣忙亂。(3)分解力下降是由于壓縮系統(tǒng)利用人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)中的有限分辨力(5)蚊子噪聲是產(chǎn)生于相鄰像素之間的量化錯(cuò)誤，由于壓縮引起的。由于場(chǎng)景內(nèi)容不同，量化間隔的尺度會(huì)有變化，從而產(chǎn)生出像蚊子那樣隨時(shí)閃現(xiàn)在一幅場(chǎng)景中的物體周?chē)?6)塊誤碼是出現(xiàn)在使用基于精確的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償或因碼率限制而采取丟幀處理的時(shí)間壓縮系統(tǒng)中，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的圖像缺陷如抖動(dòng)或像素塊錯(cuò)誤等。(5)蚊子噪聲是產(chǎn)生于相鄰像素之間的量化錯(cuò)誤，由于壓縮引起的8.2串行數(shù)字視頻測(cè)量8.2.1眼圖和抖動(dòng)測(cè)量1．眼圖形成 眼圖可用來(lái)確定和檢驗(yàn)串行數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量。2．串行數(shù)字信號(hào)的波形特性及參量 從眼圖中可以反應(yīng)出串行數(shù)字信號(hào)的模擬波形特性。8.2串行數(shù)字視頻測(cè)量8.2.1眼圖和抖動(dòng)測(cè)量 眼圖觀(guān)測(cè)項(xiàng)目通常包括：幅度、時(shí)鐘周期、上升和下降時(shí)間、過(guò)沖和下沖以及抖動(dòng)等參量。3．抖動(dòng) 在ITU-RBT.1363-1中給抖動(dòng)下的定義為：抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)的跳變沿相對(duì)于理想位置在時(shí)間上的變化。 眼圖觀(guān)測(cè)項(xiàng)目通常包括：幅度、時(shí)鐘周期、上升和下降時(shí)間、過(guò)沖4．抖動(dòng)的分類(lèi) 相同大小的抖動(dòng)量因抖動(dòng)速率不同，會(huì)對(duì)數(shù)字接收機(jī)產(chǎn)生截然不同的影響。(1)絕對(duì)抖動(dòng) 絕對(duì)抖動(dòng)是信號(hào)上非常低到非常高的頻率所有抖動(dòng)頻率分量的集合。實(shí)際上不可能精確地測(cè)出絕對(duì)抖動(dòng)，這是因?yàn)楹茈y產(chǎn)生一個(gè)絕對(duì)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)沿。4．抖動(dòng)的分類(lèi) 漂移(Wander)也包含在絕對(duì)抖動(dòng)之中，數(shù)字信號(hào)跳變位置以非常低的頻率變化(典型值為10Hz以下)稱(chēng)為漂移。(2)定時(shí)抖動(dòng) 定時(shí)抖動(dòng)是抖動(dòng)頻率高于規(guī)定速率(典型值為10Hz或更低)的信號(hào)跳變位置的變化。 漂移(Wander)也包含在絕對(duì)抖動(dòng)之中，數(shù)字信號(hào)跳變位置(3)校正抖動(dòng) 在ITU-RBT.1363-1中，給校正抖動(dòng)下的定義是：信號(hào)的跳變位置相對(duì)于從該信號(hào)中提取的時(shí)鐘跳變位置的變化。(4)低頻抖動(dòng) 低頻抖動(dòng)是定時(shí)抖動(dòng)和校正抖動(dòng)之間的差，它所覆蓋的頻率范圍是f1~f3。(3)校正抖動(dòng)8.2.2誤碼檢測(cè)1．誤碼秒概念 由于串行數(shù)字視頻系統(tǒng)的特性不同于一般的數(shù)字系統(tǒng)，傳統(tǒng)的誤碼率測(cè)試方法并不適合數(shù)字電視系統(tǒng)使用。主要原因如下。8.2.2誤碼檢測(cè) (1)誤碼率常被用于引起噪聲的隨機(jī)誤碼統(tǒng)計(jì)。而典型的串行數(shù)字視頻系統(tǒng)工作在基本上無(wú)隨機(jī)噪聲誤碼的環(huán)境，其主要誤碼為脈沖誤碼，與隨機(jī)噪聲誤碼不同的是它具有間隔出現(xiàn)的特點(diǎn)，一個(gè)數(shù)據(jù)字的出錯(cuò)會(huì)引起數(shù)百個(gè)相同數(shù)字的出錯(cuò)。 (1)誤碼率常被用于引起噪聲的隨機(jī)誤碼統(tǒng)計(jì)。而典型的串行數(shù)(2)誤碼測(cè)試必須提供使用若干已經(jīng)定義的偽隨機(jī)比特流序列信號(hào)中的一種，而這些測(cè)試信號(hào)與串行數(shù)字視頻比特流信號(hào)不存在相似特征，數(shù)字視頻設(shè)備無(wú)法處理這些測(cè)試信號(hào)。(3)如果一個(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)工作在安全區(qū)，由隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的誤碼大約為每百年一次，碼率(BER)為10-18，可見(jiàn)誤碼率測(cè)試不能提供有價(jià)值的數(shù)值。(2)誤碼測(cè)試必須提供使用若干已經(jīng)定義的偽隨機(jī)比特流序列信號(hào) (4)誤碼率測(cè)試必須停播進(jìn)行，測(cè)試所有的比特往往要花費(fèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間，在廣播系統(tǒng)中不存在這樣的環(huán)境。 (4)誤碼率測(cè)試必須停播進(jìn)行，測(cè)試所有的比特往往要花費(fèi)很長(zhǎng)2．EDH誤碼檢測(cè)和處理(1)EDH的基本原理(2)測(cè)試方法 EDH通常有兩種誤碼測(cè)試方法：固定圖形測(cè)試法和在線(xiàn)EDH誤碼檢測(cè)和處理。①固定圖形測(cè)試法②在線(xiàn)EDH誤碼檢測(cè)和處理2．EDH誤碼檢測(cè)和處理8.2.3SDI檢測(cè)場(chǎng) SDI檢測(cè)場(chǎng)也被稱(chēng)作“病理檢測(cè)信號(hào)”(Pathological

Signal)，它并不是增強(qiáng)測(cè)試信號(hào)，但是由于它是一種全場(chǎng)測(cè)試信號(hào)，需要進(jìn)行停播測(cè)試。8.2.3SDI檢測(cè)場(chǎng)8.3MPEG協(xié)議分析和監(jiān)測(cè)測(cè)量 MPEG系統(tǒng)故障通常分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，傳輸系統(tǒng)正確地進(jìn)行復(fù)用并將信息從編碼器送到解碼器，不存在誤碼和增加的抖動(dòng)，但編碼器和解碼器本身有錯(cuò)誤；第二類(lèi)，編碼器和解碼器狀態(tài)良好，但是傳輸層破壞了數(shù)據(jù)。8.3MPEG協(xié)議分析和監(jiān)測(cè)測(cè)量 MPEG系統(tǒng)故障通常分為8.3.1MPEG傳輸碼流協(xié)議分析的基本內(nèi)容 根據(jù)MPEG傳輸碼流的構(gòu)成，可以把MPEG協(xié)議分析分成三個(gè)層面：針對(duì)傳輸碼流的分析，如節(jié)目服務(wù)信息PSI/SI、節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn)PCR以及傳送帶分析等內(nèi)容；針對(duì)打包的基本碼流分析，包括對(duì)視頻、音頻以及時(shí)間標(biāo)記等的分析；針對(duì)基本碼流的協(xié)議分析，如視頻基本碼流分析、音頻基本碼流分析和數(shù)據(jù)基本碼流分析。8.3.1MPEG傳輸碼流協(xié)議分析的基本內(nèi)容1．TS流分析 MPEG傳輸碼流有著極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是MPEG協(xié)議分析工具可以用邏輯方式解析結(jié)構(gòu)，從而使得使用者可以觀(guān)察任何結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)。 分析儀是通過(guò)傳輸流中的節(jié)目專(zhuān)用信息(PSI)、數(shù)據(jù)中的節(jié)目關(guān)聯(lián)表(PAT)和節(jié)目映射表(PMT)來(lái)創(chuàng)建分層觀(guān)察的，這些表中的PID信息顯示在圖標(biāo)下面。1．TS流分析 解復(fù)用器或解碼器鎖定傳輸流的能力取決于節(jié)目專(zhuān)用信息數(shù)據(jù)(PSI)發(fā)送的頻率。 復(fù)用分配圖用圖表形式顯示傳輸流分配給每個(gè)PID或節(jié)目的帶寬比例。 解釋觀(guān)察可以分析MPEG碼流中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括單個(gè)的傳輸流數(shù)據(jù)包、表格或節(jié)目基本碼流數(shù)據(jù)包。 傳輸流完全依靠通過(guò)編碼器對(duì)句法的精確使用來(lái)傳輸節(jié)目素材。 解復(fù)用器或解碼器鎖定傳輸流的能力取決于節(jié)目專(zhuān)用信息數(shù)據(jù)(P 在MPEG傳輸碼流中正確傳送節(jié)目時(shí)鐘數(shù)據(jù)十分重要，這是因?yàn)楣?jié)目時(shí)鐘數(shù)據(jù)控制解碼過(guò)程的全部定時(shí)。2．PES分析 完成傳輸層分析后，就可以進(jìn)入下一層PES分析。PES分析包括查驗(yàn)PES圖像格式包頭和控制標(biāo)記，檢查使視頻、音頻同步的PTS/DTS時(shí)間標(biāo)記，傳輸目標(biāo)解碼器(T-STD)緩沖器分析等。 在MPEG傳輸碼流中正確傳送節(jié)目時(shí)鐘數(shù)據(jù)十分重要，這是因?yàn)?.3.2數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和測(cè)量 MPEG-2傳輸流作為數(shù)字電視傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，在日常運(yùn)行環(huán)境中，通常需要連續(xù)或周期性地監(jiān)測(cè)MPEG-2傳輸流，檢查MPEG-2傳輸流的完整性，對(duì)TS流中的重要參數(shù)進(jìn)行快速檢查。8.3.2數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和測(cè)量8.4數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)8.4.1圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)的一般要求 主觀(guān)評(píng)價(jià)(Subjective

Assessment)是直接利用觀(guān)察者對(duì)被測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量的直接反應(yīng)來(lái)確定電視系統(tǒng)性能的測(cè)量方法。1．觀(guān)看條件8.4數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)8.4.1圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)2．信號(hào)源 信號(hào)源作為被測(cè)試系統(tǒng)的輸入提供直接的參考圖像。信號(hào)源應(yīng)具有所用制式的最佳圖像質(zhì)量，在顯示的一對(duì)圖像中的參考圖像上應(yīng)避免出現(xiàn)缺陷，這樣有助于獲得穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。3．測(cè)試素材選擇 目前，國(guó)際上已經(jīng)利用各種方法開(kāi)發(fā)制作了多種電視主觀(guān)評(píng)價(jià)所需的測(cè)試素材。2．信號(hào)源4．觀(guān)看員 觀(guān)看員是指參加主觀(guān)評(píng)價(jià)的評(píng)分人員。觀(guān)看員通常有兩種類(lèi)型：專(zhuān)業(yè)觀(guān)看員和非專(zhuān)業(yè)觀(guān)看員。5．評(píng)價(jià)測(cè)試程序 每個(gè)測(cè)試過(guò)程應(yīng)遵循一定的測(cè)試程序，通常分為說(shuō)明示范和評(píng)價(jià)打分階段。4．觀(guān)看員6．評(píng)分制和評(píng)分等級(jí) 國(guó)際上推薦使用的評(píng)分制有三種：質(zhì)量制、圖像損傷制和比較制。7．?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析和表達(dá) 主觀(guān)測(cè)量得到的最終數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，通常利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率分布理論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，包括理論概率分布類(lèi)型的選擇、置信度的確定和邏輯函數(shù)類(lèi)型的選取，以及正交設(shè)計(jì)、方差分析與回歸分析等。6．評(píng)分制和評(píng)分等級(jí)8.4.2圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)方法1．雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度法(The

Double-stimulus

Continuous

Quality-scale

Method) 這種方法可以用來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)新系統(tǒng)的質(zhì)量或者傳輸通道對(duì)圖像質(zhì)量的影響，即最佳條件下確定電視系統(tǒng)性能。8.4.2圖像質(zhì)量主觀(guān)評(píng)價(jià)方法2．雙刺激損傷標(biāo)度法(The

Double-stimulus

Impairment

Scale

Method) 雙刺激損傷標(biāo)度法也被稱(chēng)作EBU法，可以用來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)新系統(tǒng)或傳輸通道的損傷效果，即確定系統(tǒng)在非最佳條件下保持圖像質(zhì)量的能力。2．雙刺激損傷標(biāo)度法3．其他可供選用的主觀(guān)評(píng)價(jià)方法 除了前面介紹的兩種主觀(guān)評(píng)價(jià)方法以外，還有其他各種主觀(guān)評(píng)價(jià)方法，如單刺激方法(Single-Stimulus

Methods)、刺激比較法(Stimulus-comparison

Methods)和單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)法(Single

Stimulus

Continuous

Quality

Evaluation)等。3．其他可供選用的主觀(guān)評(píng)價(jià)方法8.5數(shù)字圖像質(zhì)量客觀(guān)測(cè)量8.5.1視頻質(zhì)量度量(Video-Quality

Metric) 為了更好地測(cè)試壓縮視頻系統(tǒng)，人們研究開(kāi)發(fā)了多種圖像質(zhì)量客觀(guān)測(cè)試方法，這些方法大致可以分為兩類(lèi)：特征提取法和圖像差值法。在很多時(shí)候，兩者可以起到互補(bǔ)作用。8.5數(shù)字圖像質(zhì)量客觀(guān)測(cè)量8.5.1視頻質(zhì)量度量(Vi 特征提取法使用數(shù)學(xué)計(jì)算提取一幅圖像(空間特征)或一組圖像序列(時(shí)間特征)的特征，通常每幀圖像會(huì)得到一定量的數(shù)據(jù)(比如幾百個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù))，這些數(shù)據(jù)要比用來(lái)傳送的壓縮圖像數(shù)據(jù)少得多，比較計(jì)算得到的參考圖像和劣化圖像的特征值可以得到客觀(guān)質(zhì)量評(píng)分。

特征提取法使用數(shù)學(xué)計(jì)算提取一幅圖像(空間特征)或一組圖像序 圖像差值使用一個(gè)基于矩陣的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理每幀圖像或圖像序列，處理后的數(shù)據(jù)代表濾波后的圖像數(shù)據(jù)，包含有與原始圖像數(shù)據(jù)相似的大量數(shù)據(jù)。 視頻質(zhì)量度量(VQM)主要通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像運(yùn)用某些質(zhì)量分析算法，由軟件提供客觀(guān)圖像質(zhì)量的測(cè)量值。 圖像差值使用一個(gè)基于矩陣的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理每幀圖像或圖像序列，8.5.2基于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)模型的客觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 基于特征提取參數(shù)計(jì)算的圖像差值方法的測(cè)試結(jié)果依賴(lài)于應(yīng)用或壓縮技術(shù)。 用于圖像差值法的濾波器參數(shù)應(yīng)符合人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)模型(HVS)。這一模型的應(yīng)用將提供一個(gè)獨(dú)立于視頻素材、缺陷類(lèi)型和壓縮技術(shù)的視頻質(zhì)量度量。8.5.2基于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)模型的客觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 薩諾夫(Sarnoff)實(shí)驗(yàn)室的研究人員投入了大量精力和時(shí)間研究人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)，并將在這一領(lǐng)域獲得知識(shí)應(yīng)用到電視顯示和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)中。 薩諾夫(Sarnoff)實(shí)驗(yàn)室的研究人員投入了大量精力和時(shí)圖8-43薩諾夫人類(lèi)視覺(jué)感知模型圖8-43薩諾夫人類(lèi)視覺(jué)感知模型8.5.3運(yùn)用JND模型進(jìn)行圖像質(zhì)量的測(cè)量和分析 基于人類(lèi)視覺(jué)模型和圖像質(zhì)量等級(jí)(PQR)可以提供快速、可重復(fù)的客觀(guān)圖像質(zhì)量測(cè)量，這種圖像質(zhì)量評(píng)估方法可以用