IP視頻系統的視頻質(zhì)量客觀(guān)測試
袁飛 2010/08/17
視頻質(zhì)量客觀(guān)測試是利用機器或程序來(lái)評價(jià)視頻質(zhì)量的方法，由運行特定算法的程序或機器完成視頻處理效果的優(yōu)劣評價(jià)，排除了主觀(guān)評價(jià)時(shí)的外在條件及人員差異性的影響。
1.引言
決定一個(gè)視頻系統的好壞主要在于其視頻處理效果，而如何評價(jià)視頻處理效果則是以一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。目前常用的方法就是通過(guò)人眼來(lái)直接觀(guān)看，但是由于人眼的主觀(guān)性及觀(guān)看人員的單體差異性，對于同樣的視頻處理結果，不同的人的感受是不一樣的；此外，燈光、觀(guān)看距離、顯示設備等外在條件也會(huì )限制觀(guān)看人員的評價(jià)結果。為體現公平性，在評價(jià)一個(gè)視頻系統之前，通常需要召集多個(gè)經(jīng)過(guò)培訓的觀(guān)看人員，并搭建一個(gè)燈光、觀(guān)看距離、顯示設備都固定的觀(guān)看室，整個(gè)過(guò)程繁瑣且耗費時(shí)間較長(cháng)、成本較大。為解決主觀(guān)評價(jià)存在的缺陷，多個(gè)研究機構提出了視頻質(zhì)量客觀(guān)測試方法，即利用機器或程序來(lái)評價(jià)視頻質(zhì)量的方法，由運行特定算法的程序或機器完成視頻處理效果的優(yōu)劣評價(jià)，這樣就排除了主觀(guān)評價(jià)時(shí)的外在條件及人員差異性的影響。
2.視頻質(zhì)量客觀(guān)測試原理、測試模型及標準
2.1 測試原理
目前常用的主要基于以下兩種：
通過(guò)計算參考和測試圖像之間的峰值信噪比來(lái)確定視頻處理系統的優(yōu)劣（原理如圖1所示）。其計算公式為：
PSNR (dB) = 20*log10(信號峰值/差值) 其中，信號峰值=255（有時(shí)等于239），差值= [參考像素值]-[損傷像素值]
圖1 基于噪聲的客觀(guān)測試模型原理
PSNR計算起來(lái)簡(jiǎn)單、快捷，實(shí)現起來(lái)較容易，而且對于檢測視頻處理硬件及軟件具有很好的幫助作用，但其測試結果與人眼的主觀(guān)感受相差較大，目前只是作為視頻處理系統設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)參考值，不能作為視頻處理系統的評價(jià)標準。
在人眼視覺(jué)模型研究的基礎上，建立一定的統計數學(xué)模型，通過(guò)該數學(xué)模型來(lái)提取參考視頻和測試視頻中人眼較敏感的亮度、邊緣、連貫性等特征信息，再對這些提取的特征進(jìn)行差分比較之后給出評價(jià)值。基本原理及處理過(guò)程如圖2所示：
圖2 基于人眼視覺(jué)模型的客觀(guān)測試模型原理
其測試過(guò)程基本模擬了人眼的主觀(guān)評價(jià)過(guò)程，因此其結果與主觀(guān)評價(jià)的結果一致性較高，可客觀(guān)反映視頻處理系統的優(yōu)劣。
2.2 測試模型
圖3 客觀(guān)測試通用模型
在圖3所示的測試模型中，客觀(guān)測試系統會(huì )對同時(shí)對輸入的參考視頻及測試視頻內容進(jìn)行比較，比較算法可以采用基于噪聲的信噪比算法，也可以根據人眼視覺(jué)系統提取出人眼可感知特征后，再對這些特征值進(jìn)行差異比較，然后綜合所有的比較結果給出視頻質(zhì)量評價(jià)值。
通常為保證評價(jià)的公正性。客觀(guān)測試系統在對參考/測試視頻進(jìn)行比較之前，需要糾正被測視頻系統中非編解碼引入的一些畫(huà)面偏移，如時(shí)空偏移、增益等變化，每種客觀(guān)測試標準都會(huì )有自己的糾正算法，通過(guò)這些糾正算法可以排除時(shí)間的前后偏移、空間的上下左右偏移、以及增益的變化對最終的計算結果的影響，以給出較可靠的客觀(guān)的視頻質(zhì)量評價(jià)。
2.3 測試標準
目前最常見(jiàn)的客觀(guān)測試標準是PSNR（峰值信噪比）測試算法，但是其測試結果與主觀(guān)評價(jià)結果的一致性較差，不能完全反應人眼的主觀(guān)感覺(jué)。因此有多個(gè)機構提出了與主觀(guān)評價(jià)結果一致性較好的客觀(guān)評價(jià)算法，如美國國家電信和信息管理局（NTIA）提出的視頻質(zhì)量度量（VQM）算法及其模型、英國電信BT提出的全參考視頻質(zhì)量模型及其算法（BTFR）、巴西電信發(fā)展研究中心（CPqD）提出的基于分段的圖像評價(jià)（IES）算法，以及泰克公司和Sarnoff公司提供的PQR算法等，這些客觀(guān)算法都是在模擬人眼視覺(jué)模型的基礎上建立的。
為驗證這些客觀(guān)測試標準與主觀(guān)評價(jià)結果的一致性，視頻質(zhì)量專(zhuān)家組（VQEG）在2003年進(jìn)行的第二次視頻質(zhì)量專(zhuān)題測試中，對上述客觀(guān)算法與主觀(guān)算法的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了驗證測試，測試結果如表1和表2所示，可以發(fā)現，NTIA提供的VQM客觀(guān)視頻質(zhì)量評價(jià)方法對于PAL制及N視頻格式都有較好的表現，與主觀(guān)測試結果的一致性較好。
表1 PAL制式下客觀(guān)評價(jià)與主觀(guān)評價(jià)結果關(guān)聯(lián)性
表2 NTSC制式下客觀(guān)評價(jià)與主觀(guān)評價(jià)結果關(guān)聯(lián)性
VQM 客觀(guān)測試標準是利用統計學(xué)原理模擬實(shí)際的人眼視覺(jué)系統，在提取參考及其對應的測試圖像中人眼能夠感知的圖像特征值（亮度、色彩、時(shí)空變化等信息）的基礎上，計算得出視頻質(zhì)量客觀(guān)評價(jià)值，該評價(jià)值為人眼可感知的模糊、塊失真、不均勻/不自然的運動(dòng)、噪音和錯誤塊等損傷的綜合反映，其值位于0~1之間，值越小越好。
VQM的具體處理過(guò)程如圖4所示：
圖4 VQM客觀(guān)測試處理過(guò)程示意
- 參考及測試視頻流的采集保存及模擬/數字信號轉換；
- 測試視頻流的校準，依據參考視頻，去除測試視頻中的時(shí)間偏移、空間偏移、增益等非編解碼引入的變化；
- 提取參考及測試視頻圖像中人眼可感知的特征：模糊、塊失真、不均勻/不自然的運動(dòng)、噪音和錯誤塊等信息；
- 對于步驟3提取的每一種特征值進(jìn)行一定的差分比較計算，依據視頻測試序列的長(cháng)短進(jìn)行統計平均；
- 使用VQM合并計算公式合并步驟4計算的每種特征值的統計平均值，給出最終的視頻質(zhì)量客觀(guān)評價(jià)值（VQM），最終計算獲得的VQM值位于0到1之間，數值越小代表視頻質(zhì)量越好。
3.視頻質(zhì)量客觀(guān)測試舉例
3.1 環(huán)境搭建
根據VQM算法的原理及客觀(guān)測試模型搭建測試環(huán)境，如圖5所示：
圖5 VQM視頻質(zhì)量客觀(guān)測試環(huán)境
參考視頻輸入PC負責播放標準的各種場(chǎng)景的視頻測試序列，并通過(guò)視頻顯卡先后輸出至編碼器及視頻采集PC；
視頻采集PC將參考視頻輸入PC輸入的視頻內容以無(wú)壓縮的格式保存，為后續的視頻質(zhì)量評價(jià)提供參考視頻文件；
編碼器將輸入的各場(chǎng)景的視頻內容編碼之后，發(fā)送給解碼器，解碼器解碼后輸出給視頻采集PC，視頻采集PC采集后同樣以無(wú)壓縮的格式保存，為為后續的視頻質(zhì)量評價(jià)提供測試視頻文件。
安裝在采集PC上的 VQM 視頻質(zhì)量評價(jià)程序對參考視頻及測試視頻進(jìn)行相應的計算，給出視頻處理系統的視頻質(zhì)量評價(jià)。
3.2 測試過(guò)程
選擇H3C視頻會(huì )議系統進(jìn)行驗證測試，并將其測試結果與主觀(guān)測試結果進(jìn)行大致驗證。具體過(guò)程如下：
1. 選擇多個(gè)特定的視頻測試場(chǎng)景序列。這是因為大多數的視頻編解碼系統的處理效果與視頻場(chǎng)景切切相關(guān)，通常情況下，視頻編解碼系統對于靜止場(chǎng)景的處理效果要好于劇烈運動(dòng)的場(chǎng)景。根據H3C視頻會(huì )議系統的應用場(chǎng)景及現有的視頻素材，選擇如表3所示的視頻測試序列。
表3 測試場(chǎng)景選擇及說(shuō)明
2. 為適應VQM 計算工具的某些要求，，需要對這些視頻序列進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，包括將每個(gè)視頻場(chǎng)景長(cháng)度裁剪為14S，格式轉化為播放器可連續播放的格式。之后使用裝有高清顯卡的PC播放這些視頻測試序列，再通過(guò)高清顯卡輸出至被測系統或視頻采集PC。
3. 將參考視頻輸入PC播放的視頻測試序列直接輸出至視頻采集PC，視頻采集PC將這些測試場(chǎng)景采集并保存作為后續的參考視頻。
4. 將參考視頻輸入PC的播放的視頻測試序列輸出至被測視頻處理系統，相應的視頻測試序列經(jīng)被測系統處理后輸給視頻采集PC，視頻采集PC進(jìn)行采集并保存為測試視頻；
5.在視頻采集PC上將之前采集的參考視頻及測試視頻進(jìn)行一定的無(wú)損轉換，轉換為VQM軟件需要的格式，之后提供給VQM測試工具進(jìn)行一些列的數學(xué)計算，最終給出客觀(guān)視頻質(zhì)量評價(jià)值VQM。
3.3 測試過(guò)程的自動(dòng)化實(shí)現
我們在測試過(guò)程中發(fā)現，視頻采集、視頻轉化及數據收集等過(guò)程投入的人力較多，并且在視頻采集機轉化過(guò)程中，雖然只進(jìn)行了一些輔助性工作，但是也會(huì )給測試結果帶來(lái)較大的誤差，因此需要對上述測試過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)現，排除人為的影響，具體實(shí)現過(guò)程如下：
1. 選擇并處理好視頻測試序列之后，將相關(guān)視頻測試場(chǎng)景文件保存在參考視頻輸入PC上，然后在該PC上架設WEB服務(wù)器，將該PC作為視頻點(diǎn)播網(wǎng)站，在其主頁(yè)中嵌入視頻播放控件，遠端用戶(hù)可通過(guò)登錄該WEB網(wǎng)站在參考視頻輸入PC本地播放視頻測試場(chǎng)景。
2.在視頻采集PC上使用AutoIT實(shí)現了視頻文件采集、轉換，VQM計算及結果收集的自動(dòng)化運行；并最終使用AutoIT整合了步驟1及步驟2的所有自動(dòng)化腳本，實(shí)現了在測試環(huán)境搭建后可完全的自動(dòng)化運行，無(wú)需人工干預，排除了人為的影響。
3.4 測試結果
視頻質(zhì)量客觀(guān)測試實(shí)踐驗證過(guò)程中，為保證測試的穩定性，我們對每個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了多次測試之后求平均值，具體數據如表4所示：
表4 多個(gè)場(chǎng)景測試結果（VQM平均值）
從測試結果可看出，視頻處理系統對于靜止及畫(huà)面復雜度較低的場(chǎng)景的處理效果要好于運動(dòng)較大及細節豐富的場(chǎng)景。但是此測試結果無(wú)法同人眼的主觀(guān)感受關(guān)聯(lián)起來(lái)，因此接下來(lái)需要進(jìn)行VQM測試結果與主觀(guān)測試標準 DMOS 測試結果的一致性分析。
4.VQM與DMOS主觀(guān)測試方案結果一致性分析
4.1 DMOS主觀(guān)測試方案分級原理
DMOS 主觀(guān)測試方案直接由視頻質(zhì)量觀(guān)察人員同時(shí)對參考圖像及測試圖像進(jìn)行打分，再對參考圖像和測試圖像的結果進(jìn)行歸一化（轉換為0-100）；然后計算參考圖像及測試圖形之間的差值并求平均值，通過(guò)該平均值的分布來(lái)反映被測系統視頻主力能力的好壞，其分布范圍為0-100，值越小越好。分布范圍與主觀(guān)感覺(jué)的映射如表5所示：
表5 DMOS與主觀(guān)感受映射表
4.2 兩個(gè)分級方案一致性分析
VQM 客觀(guān)測試和 DMOS 主觀(guān)測試均是通過(guò)計算參考圖像與測試圖像之間的差值平均值來(lái)對被測系統進(jìn)行評價(jià)；其中VQM 客觀(guān)測試方案是在模擬人眼視覺(jué)系統的基礎上提取出人眼可感知的特征值進(jìn)行計算得出結果，DMOS 主觀(guān)測試結果則直接通過(guò)人眼的可感知性得出結果；因此從測試原理上，VQM 與 DMOS應該是線(xiàn)性相關(guān)的。 VQEG 視頻質(zhì)量專(zhuān)家組在其進(jìn)行的第二次視頻質(zhì)量專(zhuān)題測試中將VQM的值乘以100后再通過(guò)下面的非線(xiàn)性公式轉換為DMOS值：DMOSp = b1 / ( 1 + exp( - b2*(VQM-b3) )
再與其他獨立實(shí)驗測試的實(shí)際DMOS值進(jìn)行比較計算得出表格1與表格2的一致性結果。 VQEG 視頻質(zhì)量專(zhuān)家組經(jīng)過(guò)分析，若不經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性轉換而是只將VQM*100線(xiàn)性轉換為DMOS值，則其對應的皮爾森相關(guān)系數只會(huì )下降 0.003 及 0.015。
通過(guò)上述分析，可以初步得出，VQM的測試結果值可以通過(guò)乘以100線(xiàn)性轉為 DMOS值，通過(guò) DMOS 值的分布可以間接映射為用戶(hù)的主觀(guān)感覺(jué)。將上文表4的VQM測試結果直接映射為DMOS主觀(guān)評價(jià)結果，如表5所示。
表6 VQM測試結果映身為DMOS主觀(guān)評價(jià)結果
上述映射結果值，已通過(guò)測試人員觀(guān)看實(shí)際的參考與測試視頻進(jìn)行驗證。綜上所述，VQM可以作為日常視頻質(zhì)量測試中的一個(gè)評價(jià)標準。
5.結論
視頻質(zhì)量客觀(guān)測試標準是在模擬人眼視覺(jué)系統的基礎上提出的，與主觀(guān)測試結果一致性較好。但是由于目前對于人眼視覺(jué)系統的的研究還不是很透徹，人眼視覺(jué)系統的數學(xué)模擬并不能夠真實(shí)反映人眼的主觀(guān)感受，因此依據頻質(zhì)量客觀(guān)測試標準得出的測試結果只能作為視頻質(zhì)量評價(jià)的一個(gè)重要參考，更適合用于視頻處理系統廠(chǎng)商之間的對比測試。直接用戶(hù)是視頻處理系統的最終效果評價(jià)者。
CTI論壇編輯
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