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

1、由于圖像質(zhì)量直接反映了用戶(hù)使用互聯(lián)網(wǎng)視訊業(yè)務(wù)時(shí)的主觀感受，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)于互 聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用的推廣和運(yùn)營(yíng)商提高服務(wù)質(zhì)量都有重要意義，因此有必要研究評(píng)估圖像質(zhì)量的標(biāo) 準(zhǔn)。目前，國(guó)際上尚無(wú)針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用的圖像質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，本文從相對(duì)評(píng)估和絕對(duì)評(píng)估 兩個(gè)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(duì)評(píng)估的標(biāo) 準(zhǔn)與方法做了探討。一、圖像質(zhì)量評(píng)估方法與標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前對(duì)圖像質(zhì)量的評(píng)估方法主要分成兩類(lèi)：主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量。主觀評(píng)價(jià)的方法與標(biāo)準(zhǔn) 已相對(duì)完善，而客觀測(cè)量則處于熱點(diǎn)研究中。1.主觀評(píng)價(jià)主觀評(píng)價(jià)的方法是將待評(píng)價(jià)的圖像序列播放給評(píng)論者觀看，并記錄他們的打分，然后對(duì)所有評(píng)論者的打分

2、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出平均分作為評(píng)價(jià)結(jié)果。ITU-RBT.500-7 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)的主觀評(píng)價(jià)方法。雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級(jí)法 (DSCQS : DoubleStimulusContinuousQuality Scale ),將待評(píng)估的圖像序列和相應(yīng)的基準(zhǔn)序列交替播放2評(píng)估者看，每個(gè)圖像持續(xù)時(shí)間為10s ,按此播放順序在處理圖像的前后都有一個(gè)直接的質(zhì)量比較。每個(gè)圖像之后有2s的灰畫(huà)面間隔，評(píng)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(cè)試值。這樣做的好處是能夠最大程 度地降低圖像場(chǎng)景、情節(jié)等對(duì)主觀評(píng)測(cè)的影響。(2)單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法(SSCQE : SingleStimulusContin

3、uous QualityEvaluation):這種方法只把被評(píng)價(jià)的圖像序列播放給評(píng)估者看。評(píng)價(jià)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30s ,評(píng)估者在觀看的同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)滑板的位置指向相應(yīng)的評(píng)價(jià)分值給出評(píng)分。很顯然，主觀評(píng)價(jià)有幾個(gè)顯著的不足之處：(1)觀察者一般需要是一個(gè)群體，并且經(jīng)過(guò)培訓(xùn)以準(zhǔn)確判定主觀評(píng)測(cè)分，人力和物力投 入大，為時(shí)較長(zhǎng)；(2)圖像內(nèi)容與情節(jié)千變?nèi)f化，觀察者個(gè)體差異大，容易發(fā)生主觀上的偏差；(3)主觀評(píng)價(jià)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(4)僅僅只有平均分，如果評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)低，無(wú)法確切定位問(wèn)題出在哪里。2.客觀測(cè)量客觀測(cè)量基于仿人眼視覺(jué)模型的原理對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)估，并給出客觀評(píng)價(jià)分。 近幾年，隨著人們對(duì)人眼視覺(jué)系統(tǒng)

4、研究的深入，客觀測(cè)量的方法和工具不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其測(cè) 量結(jié)果也與主觀評(píng)價(jià)較吻合。國(guó)際上也成立了ITU-R視頻質(zhì)量專(zhuān)家組(ITU-RVQEG :VideoQualityExperts Group)專(zhuān)門(mén)研究和規(guī)范圖像質(zhì)量客觀測(cè)量的方法和標(biāo)準(zhǔn)。VQEG規(guī)定了兩個(gè)簡(jiǎn)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(cè)量圖像質(zhì)量時(shí)都基于人眼視覺(jué)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(cè)量模型。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(hào)和待測(cè)的解碼信號(hào)，輸出是兩個(gè)輸入圖像上各像素 幅值之差的和。在整個(gè)處理過(guò)程

5、中考慮了人眼對(duì)圖像差別的主觀感覺(jué)特性，以使測(cè)量結(jié)果與主 觀評(píng)價(jià)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(jué)濾波器、人眼的屏敝效應(yīng)、 差值求和。為了使客觀測(cè)量與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果一致，還要使最后所得的數(shù)值范圍和等級(jí)描述與主 觀測(cè)試相對(duì)應(yīng)，對(duì)客觀測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換。這個(gè)任務(wù)在與主觀評(píng)價(jià)匹配這一級(jí)完成。圖像質(zhì)量的客觀測(cè)量方法分為兩類(lèi)：相對(duì)評(píng)估(RelativeEvaluation )和絕對(duì)評(píng)估”(AbsoluteEvaluation )。相對(duì)評(píng)估：將處理過(guò)的視頻(壓縮或經(jīng)傳輸)與原始視頻比較以獲得相對(duì)評(píng)估的指標(biāo) 值，并根據(jù)這些指標(biāo)值評(píng)估圖像質(zhì)量；相對(duì)評(píng)估一般用于片源制作時(shí)的質(zhì)量評(píng)估，準(zhǔn)確性高。

6、絕對(duì)評(píng)估：直接對(duì)處理過(guò)的視頻(壓縮或經(jīng)傳輸)進(jìn)行評(píng)估以獲得絕對(duì)評(píng)估的指標(biāo)值，并根據(jù)這些指標(biāo)值評(píng)估圖像質(zhì)量；絕對(duì)評(píng)估一般在線觀看測(cè)試，準(zhǔn)確性不如相對(duì)評(píng)估。采用客觀測(cè)量工具，不僅減少了對(duì)人力、物力的需求，而且測(cè)量時(shí)間大大縮短，甚至 可做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于主觀評(píng)價(jià)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(hù)接收端兩種環(huán)境下對(duì)圖像質(zhì)量的影響因素以及客觀測(cè)量方法。二、互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用信源端的圖像質(zhì)量評(píng)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8X8宏塊

7、為基本單元進(jìn)行（改進(jìn)的算法可以4X4或更小的宏塊為單元），每個(gè)宏塊單獨(dú)編碼，變換后又對(duì) 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(guò)相鄰量化級(jí)的判決門(mén)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(hào)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

8、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(shí)間預(yù)測(cè)，是在P幀和B幀編碼引入的。用于預(yù)測(cè)的圖像內(nèi)容來(lái)自經(jīng)編碼又解碼的I幀或P幀（參考幀）；其圖像變化又在預(yù)測(cè)圖像中重復(fù)。參考幀中的塊邊界信號(hào)跳變又在預(yù)測(cè)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(píng)估方法同樣包括主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)量。2 .信源端圖像質(zhì)量的客觀測(cè)量信源端的圖像質(zhì)量客觀測(cè)量一般采用相對(duì)評(píng)估，即在編碼時(shí)將壓縮過(guò)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(gè)指標(biāo)值對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。用于信源端的相對(duì)評(píng)估模型如圖2所示。圖2信源端的圖像質(zhì)量相對(duì)評(píng)估圖2中的相對(duì)評(píng)估系統(tǒng)可

9、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(duì)評(píng)估系統(tǒng)衡量指標(biāo)按照評(píng)估域分類(lèi)可分為：空間域( Spatial )指標(biāo)和時(shí)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(shí)間域指標(biāo)：同時(shí)考量連續(xù)的兩幀或多幀圖像時(shí)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(dòng)能量差：額外的能量表明有差錯(cuò)塊和噪聲，屬時(shí)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(shí)間域指標(biāo)；

10、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(hù)接收端的圖像質(zhì)量評(píng)估1.用戶(hù)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(hù)收看到的圖像是經(jīng)過(guò)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(wú)法保證端到端的傳送質(zhì)量。影響用戶(hù)接收?qǐng)D像質(zhì)量 的因素主要有：(1)可用帶寬：主要衡量用戶(hù)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(diǎn)片源的編碼速率時(shí)，圖像質(zhì)量無(wú)法保證；(2)延時(shí)：互聯(lián)網(wǎng)視訊應(yīng)用是實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，盡管播放

11、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(shí)，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(duì)于重構(gòu)圖像的重要性不同，因此即時(shí)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(dòng)丟棄其他相關(guān)的數(shù)據(jù)包，引起質(zhì)量下降；(3)抖動(dòng)：一般媒體播放器是針對(duì)穩(wěn)定的碼流，當(dāng)抖動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致解碼器主動(dòng)丟包引 起圖像質(zhì)量下降。根據(jù)中華人民共和國(guó)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能要求達(dá)到1級(jí)或1級(jí)以上，即如表 1所示。圖像質(zhì)量的絕對(duì)評(píng)估模型主要基于以下評(píng)估指標(biāo)：圖像跳躍(jerkiness )：指圖像看起來(lái)不平滑，有類(lèi)似快進(jìn)”時(shí)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?yàn)?DCT變換是整個(gè)塊進(jìn)行的，一個(gè)誤碼將影響整個(gè)DCT反