数字视频系统质量测试方法研究

2010-07-13王志麟钱伟勇

铁路技术创新 2010年2期

■ 王志麟钱伟勇

王志麟：中国铁路通信信号上海工程集团有限公司，高级工程师，上海，200436

钱伟勇：中国铁路通信信号上海电信测试中心，高级工程师，上海，200436

随着数字通信媒体技术在有线电视、卫星、因特网、3G通信等领域迅速发展，MPEG-4与H.264压缩格式成为当前主流视频压缩技术，并在数字视频监控系统中广泛运用，在保证图像质量前提下，可大大降低通道带宽和存储空间容量要求。由于数字视频压缩技术完全不同于传统模拟视频技术，压缩视频质量测试远比模拟视频质量测试复杂得多，因而对数字视频压缩系统质量测试提出了全新的挑战。

1 视频系统测试技术的差异性

在传统模拟视频中，图像质量客观测试一般采用信号质量测试评估技术，主要测试方法是输出一系列的测试指标，包括信号幅度、频率响应、信噪比、K系数评估、微分增益失真（常称作DG）、微分相位失真（常称作DP）等。

用一组标准信号对模拟视频系统图像质量客观评估得出的指标结果与人眼主观MOS（Mean Opinion Score）评估的测试结果存在很强的数字相关性。这种数字相关性可达到95%以上，但信号质量测试技术只适用于线性模拟视频系统。随着压缩视频技术的出现，系统变得越来越复杂，信号质量测试技术已无法满足图像经过系统编解码模数转化后的测试要求。信号质量评估法与主观MOS评估法对压缩数字视频系统图像质量测试结果的数字相关性小于50%（见图1）。因此，压缩数字视频图像质量测试必须采用更复杂的测试场景和全新的客观质量评估手段。

2 压缩数字视频系统客观测试方法

2.1 基本码流分析测试

选择专用视频压缩分析工具如MTS4000等对各类保存的压缩流媒体文件进行分析，可查验系统内编码器的全部语法是否符合标准要求。基本码流部分是传输流应当透明送交的有效载荷。传输流在传送基本码流时，不考虑被传送的基本码流是否合乎标准。即对传输流顺应性测试只意味着检验该传输流能否不失真地传送基本码流，并不能说明基本码流在其构建之初是否有正确的组成。基本码流的结构或句法是由压缩器决定的。因此对基本码流的测试实质上是压缩器测试的一种形式。应当注意，某一压缩器虽能产生顺应性句法，仍可能出现较差的视频质量。由于压缩器是基于算法规则而不具有确定性，如果压缩器工作于通用性较差的运行模式，那么基本码流就可能表现为时好时差的不顺应性。

2.2 客观图像质量测试方法

客观图像质量测试包括完整源视频（也称图像差值法）、简化源视频（也称特征抽取法）和无源视频（也称单端式测试）3种测试方法。前两种方法是双端的，即有实际源视频的精确复制品，或是从源视频中抽取出来的某种简化信息。图像差值法利用完整的源视频和经过被测系统处理后的视频进行图像质量（劣化）测试（见图2），使用基于数学计算矩阵处理各种图像或图像序列。所得到的数据代表过滤的图像版本，该图像包含相当数量与原始图像类似的数据。一般来说，像素与像素在源视频过滤版本和劣化图像之间的差别可用来测定客观质量评分，它具有与图像变化有关的完整信息，是最精确的方法。通常使用一套十分复杂的计算方法，是基于包括暂态和彩色响应的人眼视觉系统的模型。由于图像差值法使用了复杂的处理算法，其精度优于另外两种方法，可作为数字视频系统质量评估的主要手段。

由于完整的源视频是可以利用的，从而能进行另一类不太复杂的计算，例如传统上使用峰值信号与噪声之比来评估源图像与被处理图像之间的差别。由于图像在空间和时间上的复杂程度不同，因而会产生有关序列不一致的结果，但它仍然是有用的基准，并可用来检测图像之间人眼不一定能察觉的细微差别。采用图像客观评估系统处理问题是人类感知图像质量的过程，但人类视觉响应具有高度非线性特征，由于压缩数字视频系统的复杂性，很多图像具有非线性特征，图像客观评估系统并不一定能完全替代感知。因此，当图像客观评估系统输出的各类客观评估参数值与主观MOS评估数据相近时，图像客观评估系统方可采信。