基于PQA600的电视节目制播全链路图像质量分析
时间：2023-06-17 14:45:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
呼 倩
（西北大学 文学院，陕西 西安 710061）
图像质量测试是利用观看者对于图像质量的主观反应确定系统性能。当前，许多国家的电视测试中心均对于数字图像质量主观评价方法进行了深入研究，提出了单刺激法、双刺激法。其中，双刺激法包括双刺激连续质量评分方法DSCQS和双刺激连续质量评分方法DSCQS1。单刺激方法代表单刺激11级质量评分方法（简称SSQS11方法）[1]。在本文中，PQA600用于分析电视节目从输出到解码器输出的图像质量，以提高节目的最终图像质量。电视节目制作和传播的全过程包括节目采集、编辑、编码和传播。因为人眼具有主观性和单体差异，所以会对于图像产生不同的感受。另外，观看距离、灯光、电视等因素也是导致观众评价结果出现差异的主要原因。为了避免这一问题，需要利用专用设备进行图像质量评价，排除主观评价时外在条件和人员主观差异的影响[2]。PQA600是基于人类视觉系统概念的图像质量测量方法，能够对于电视节目直播的全链路实现图像质量分析。
PQA600对于未处理的原始视频序列播出时，PQA采集经被测设备或系统处理之后的视频序列。PQA以两个视频文件为输入，在时间域、空间域下，将选择的两个视频序列进行对准，以此实现帧同步。利用仪器分析对依据提示模型（attention models）和人类视觉系统（HVS）视频质量进行测试，输出结果与主观评测之间具有高度相关（PQR，DMOS），包括总体图像质量累计度量值、每帧损伤映射图示以及逐帧测量度量值。
（1）图像质量评分（Picture Quality Rating，PQR）。PQR基于JND（Just Noticeable Difference）视觉判断模型。利用PQA600将处理之后的图像序列素材和源图像序列素材进行对比，寻找存在的差异。这一差异就是图像质量损失。PQR值的范围为0～25 s，值越高表示失真情况越严重[3]。PQR值和主观评价得到的值具有一定关联。一般来说，主观评价得分较高的序列，客观图像质量分析的PQR值也相对较小。另外，PQR值要比观众肉眼观看的效果更为准确，所以能够检测出低于视觉门限的图像损伤。基于人眼视觉模型的测试原理如图1所示。
图1 基于人眼视觉模型的测试原理
（2）差异平均主观分（Differential Mean Opinion Score，DMOS），根据主管电视质量评价的ITU-R BT.5600技术，同时考虑观众视觉，显示测试序列和参考序列之间的差异[4]。这一方式是测量观众看到测试序列和参考序列之间的差异程度。感官差异显示出了观众肉眼中可以观察到的序列中的差异位置。
（3）峰值信噪比（Peak Signal Noise Ratio，PSNR），意味着信号有效功率和影响自身表示精度的破坏性噪声功率的比值。图像压缩领域中，信号重建质量的测量采用PSNR方法。该方法是一种评价图像的客观标准。图像压缩后，参考PSNR值，能够判断某一个程序是否可以获得满意结果。
在主观评价与PQR值之间，可以用PQR值为刻度显示与主观评价相关的两个尺度。其中，DSCQS尺度，其值为0～100；
五级损伤尺度，值为1～5。不同的测试序列得到的测试结果不同，但这三个度量能够定义广泛的一般关系。DSCQS结果为0，代表存在可见损伤，对应于五个损伤级别中的第五个，相应的PQR值介于3和5。
利用PQA600对制播链路上各个节点的图像质量进行检测，并对图像质量损失节点进行分析，基于此提出处理措施。
2.1 测试链路
DNXHD 120 Mb·s-1编码方法用于在生产结束时收集测试图像序列，将其打包并转码为MPEG2-IBP 50 Mb·s-1硬件文件，并将其发送到广播系统。发送硬盘驱动服务器将硬件文件解码后，恢复为HD-SDI信号。播出后经过总控系统中的基带光端机将其发送到有线电视网络和地球站，经过编码传输，形成标清信号[5]。高清信号和电视传输使用H.264 8 Mb·s-1编码方式，高清卫星信号采用AVS+12 Mb·s-1。
2.2 测试节点
选取9个节点进行测试，信号格式包括标清信号和高清信号，其中6个高清信号，3个标清信号。测试信号格式与测试项目如表1所示。
表1 测试内容
2.3 测试设备仪器
测试所需要的仪器如表2所示。
表2 测试仪器
在电视节目的制作与播出过程中，根据关键节点来分析图像质量。电视节目制播全链路PQR值测试结果如表3所示。
4.1 高清节目直播前链路图像质量分析
从表3的结果可以看出，制作系统使用DNXHD 120 Mb·s-1编码方法。这一方法收集的文件对程序的图像质量的损伤非常小，几乎没有损坏。经过制作系统转码生成的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件会影响图像质量，但观众很难用肉眼感知[6]。对于相同的MPEG2-IBP 50 Mb·s-1文件，非可编程卡的图像质量输出相对低于硬盘广播服务器的输出，但差距较小。而卫星使用的AVS+12 Mb·s-1编码方式与有线电视传输用的H.264编码方式相比较，因为卫星使用的方式具有较高的编码码率，因此图像质量损失要更低。家用高清机顶盒和广播级别的解码器相对来说，机顶盒因为使用民用级别的解码芯片，所以图像质量损失大约在10%。
表3 电视节目直播全链路PQR值
4.2 高清标清同播电视节目制播全链路图像质量分析
卫星传输和有线电视传输的编码方式、码率相同，测试结果也非常相似。而高标清同播的电视节目与高清电视节目对比，可以看出前者的可见图像质量损失主要发生在处理过程中，但当标准清晰度程序更改为高清程序时，由于图像分辨率和振幅比的原因，测试结果不能简单地用于评估图像质量的损失。测试中使用的HD解码器的HDMI输出信号为HD格式，所以标清频道机顶盒输出信号测试结果存在不确定性，未进行统计[7]。
4.3 PQR的测试数据注意事项
首先，PQR的测试数据不是线性叠加的，最后的测试结果并不是将各个环节的测试结果相加即可。其次，PQR值较低时，其具有更高的可信度。但是当PQR值＞9时，可信度大幅下降。最后，在测试过程中，由于信号问题，当比较图像时，会出现错误帧和边缘图像像素。如果无法进行准确的比较，也会导致错误的测试结果。
基于本文研究结果来看，电视节目的制播全链路，可以使用更好的编码方法、广播级设备和更高的编码速度来减少图像质量损失。然而，这些方法涉及生产和传输效率、编码和存储带宽利用率等，需要进一步投资。电视节目最重要的衡量标准是观众满意度，节目的内容等是最终影响图像质量的主要因素。
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