IPTV高清频道视频质量提升研究*

罗传飞，张 玮

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.上海交通大学图像通信与信息处理研究所 上海200240）

1 引言

随着用户对视听娱乐要求的不断提高，高清晰度电视步入全面发展阶段。与标准清晰度的节目相比，高清晰度的节目能给观众提供更为震撼的视听体验。中国电信股份有限公司上海分公司（以下简称中国电信上海公司）把高清IPTV业务当作其进入市场的优势战略决策。截至2011年，已经提供11路高清直播频道、3 000 h以上的高清点播内容。对于IPTV业务运营商来说，在宽带网络的支持下如何提供更好的视频质量服务是对运营商的软实力和硬实力的一种挑战。本文针对影响用户体验质量最重要因素之一的视频质量，研究如下问题：IPTV高清频道的视频质量与数字电视频道相比处于什么水平？能否满足观众对视频质量的要求？为了满足用户日益增长的视听娱乐需求和提升IPTV高清频道的核心竞争力，需要在目前的视频质量情况下如何持续演进提升？

过去的20年，视频质量评价是一个很活跃的研究领域。研究表明，人眼感知的视频质量与众多因素有关，在不考虑传输过程的情况下最具代表性的是编码器类型、视频图像内容、编码码率、帧率和空间分辨率5个因素[1]。国际视频质量专家组（VQEG）对视频质量与码率、分辨率等因素做了大量的研究工作，针对H.264编码方式在不同的分辨率下MOS值与编码码率的关系给出了如图1所示的一般性结论。

本文主要针对中国电信上海公司现网运营的IPTV高清业务，首先以有线数字电视为对标，对其进行了整体的视频质量评测，然后针对编解码器的参数设置和视频源的处理提出了改善视频质量的若干建议，最后在现网环境下验证了建议的可行性和有效性。

2 现网IPTV高清频道的视频质量

人作为视频图像信息的最终接收者，对视频的主观评价具有最高的合理性和准确度。但是其过程耗时长、代价高、过程繁琐且容易受外界条件干扰，在实际运用中通常用客观评价方法模拟主观评价。本文分别用主观评价和客观评价对现网IPTV高清频道的视频质量有一个整体的评定。一方面，可以通过主观评价对视频质量有一个准确的评价；另一方面，通过客观评价全面获取IPTV高清频道视频质量的客观数据，并通过主观评价结果验证客观评价的准确性，为定量分析视频质量提供数据。作为对比，本文对有线数字电视高清频道也进行了相同的视频质量评测。

在主观评价中，使用ITU-R BT.500-12[3]中规定的5级评价质量尺度和妨碍尺度，表1列出了推荐的图像质量评价标准。

表1 主观评价标准

常用的主观评价方法有双刺激损伤标度法（DSIS）和单刺激连续质量评价法（SSCQE）等。本文在主观评价中采用单激励连续质量评价法对有线数字电视和IPTV的6个高清频道进行评分。选用16位不同知识背景的人参加了评价，整个主观质量评价按照ITU-T BT500-12中的方法进行。

在客观评价中，使用法国Witbe公司的Robots进行实时监测。Robots模拟人眼对视频质量的评测，通过对模糊度、块效应和抖动进行评测，综合出MOS评分。本文针对每个高清频道随机测试8次，每次测试时间30 min。表2列出了主观评价的结果，对每个参与评测的人打出的MOS值进行平均得到此频道最终的MOS值。表3列出了与主观评价对应频道的客观评价的结果，最终的MOS值由8次的测试数据平均得到。

表2 主观评价结果

表3 客观评价结果

从表2、表3中的结果可以看出：无论是主观评价还是客观评价，高清IPTV频道的MOS值与数字电视高清频道的MOS值非常接近，而且主观评价与客观评价相一致，在客观评价中，统计平均所有IPTV高清频道的MOS值为4.46分，数字电视高清频道的MOS也是4.46分，这可以得出现网高清IPTV的视频图像质量与高清数字电视的质量基本一致的结论。同时，客观评价的准确性也在其中得到了证实。然而，在一些视频图像相对复杂，运动场景相对激烈的序列里，IPTV高清视频的细节表现还是不如有线数字电视高清，因此考虑到编码技术和相关技术的进步，已具备对现有编码器参数进一步优化的条件，IPTV高清视频质量还有待提升的空间。

3 编码技术和优化建议

IPTV高清频道采用数字电视节目作为信号源，按H.264/AVC标准进行视频编码。H.264/AVC[4]作为先进的视频编码标准，保留了以往压缩技术的优点，又具有其他压缩技术无法比拟的许多特性。与MPEG-2相比，H.264/AVC有以下特性。

·将编码分为视频编码层(video coding layer，VCL)和网络提取层(network Abstraction layer，NAL)，将视频编码层和网络提取层分离，有利于H.264/AVC的扩展。

·采用了空域内的帧内预测，共两种预测模式：帧内16×16和帧内 4×4，其中帧内 16×16有 4种预测方式，帧内4×4有9种预测方式。

·对于帧间预测，增加了预测模式，共7种预测模式，预测块可从16×16细分到最小4×4。另外还增加了参考帧的数目，使预测更为准确。

·采用更精细化的运动估计和运动补偿算法；将去块效应滤波放在编码环内，提高了图像的主观质量；B帧可以作为参考帧。

·采用整系数变换，提高变换速度和精度；采用CAVLC、CABAC等新的熵编码方法以提高编码效果。

除了以上这些技术特性，针对特定应用的不同要求和限制，H.264/AVC规定了 4个档次[5]：基本档次（Baseline Profile）、扩展档次（Extend Profile）、主要档次（Main Profile）和高级档次（High Profile）。高级档次囊括了主要档次的所有编码工具和性能。与主要档次相比，高级档次添加了自适应的8×8宏块的整数变换、8×8宏块的帧内预测、自定义量化、无损视频编码等。研究表明，高级档次特有的针对8×8宏块的编码工具对大分辨率视频有更好的编码性能，新增的高效编码特性可以使编码效率提高达30%。

中国电信上海公司目前运营的IPTV视频按H.264/AVC Main Profile标准编码。随着编解码器的计算能力和执行能力的提高，稳定运行高级档次的编解码工具的条件已经具备，笔者建议选用High Profile以及相匹配的级别。除此以外，诸如添加自适应的图像组（GOP）、增加图像组的长度[6]和B帧划分层次等工具也建议使用，这样对不同的视频内容进行编码时，编码器在匹配帧的类型时有更大的自由度，在没有牺牲视频图像质量的情况下能减少比特率的要求。

另外，随着显示屏尺寸的扩大，显像管类的传统显示器件已让位给等离子显示屏（PDP）和液晶显示屏（LCD）等平板显示器件，PDP、LCD采用XY寻址的显示方式需要逐一驱动每个像素单元，不论输入信号的扫描方式和清晰度高低，输入信号都要被转换成与显示面板物理像素数量相同的清晰度显示。因此，平板显示器件更适于显示逐行扫描信号。高清节目采用1080P逐行扫描方式，可以避免信号的隔行、逐行转换带来的质量损失，进一步提高视频质量。为此，除了编码器参数的优化外，笔者建议把1080P的视频格式加入IPTV高清点播节目中来。

4 实验过程和结果

4.1 优化编码器改善视频质量实验

为了验证提出的关于优化编码器参数等建议对IPTV高清视频质量提升的有效性，本文从IPTV高清频道中选取了3段不同的视频序列 （节目信号源源均为采用16.5 Mbit/s的MPEG-2数字电视高清节目），如图2所示。

然后解码为SDI信号，再设置成与现网Main Profile编码参数一致进行编码测试，其中每一段视频序列分别编码为8 Mbit/s和12 Mbit/s不同码率的两段码流。为了比较，按照建议中的优化参数设置，用相同的编码器对同样视频源进行编码。如表4所示，分别为两组编码器参数设置，对应于中国电信上海公司现网IPTV高清频道编码参数和建议优化的编码器参数。

本文对两组编码视频质量进行客观评价。考虑到节目信号源来自于MPEG-2编码的数字电视，因此选取结构相似度[7]（SSIM）作为全参考的图像质量评价和模糊度[8]作为无参考的图像质量评价，SSIM是目前公认的最接近人眼主观评价的方法之一，其值越高说明视频质量越好，越与原始视频相似。另外，模糊度（BLUR）的评测是一种无参考的视频评价，能较真实地反映视频的图像质量情况，模糊度是影响人眼主观评价（评MOS分）的最重要因素。表5是在两种编码设置下视频数据的SSIM和BLUR测试结果。

表4 视频编码器主要参数

4.2 1080P视频编码质量评定实验

为了验证1080P对IPTV高清视频质量提升的有效性，本文进行了1080P与1080i两种高清格式的视频质量评价实验。采用如图3所示的4个常用的场景复杂度有高有低的视频测试序列，原始序列是1080P25格式。为了更具普遍性，采用x264编码器进行编码，一组编码码流采用逐行扫描，High Profile编码设置；与之对应另一组编码码流采用隔行扫描，High Profile编码设置。每组包含6 Mbit/s、8 Mbit/s、10 Mbit/s、12Mbit/s和 14Mbit/s不同编码码率的数据。为了比较1080i和1080P两组编码码流的视频质量，本文选用结构相似度（SSIM）和泰克公司PQR（picture quality rating）[9]作为全参考的图像质量评价指标，PQR值与人眼评分之间的具体对应表见参考文献[9]，研究表明，PQR值在视频质量较高时与人眼评测有很高的相关度，其值越低说明视频质量越好。图4所示是4个视频序列在1080i和1080P编码设置下，PQR和SSIM与编码码率之间的关系。

5 结果分析

首先，对于优化编码器改善视频质量实验，在表5中可以看到，按第二组参数编码（High Profile）的视频在相同码率下SSIM值要比按第一组编码 （Main Profile）的视频高，从实验结果看来，SSIM值平均提高1.5%～5%；同时第二组视频在相同码率下BLUR值要比按第一组视频低，从实验结果看来，BLUR值平均降低0.18%～2.4%；需要特别说明的是，由于节目源采用16.5 Mbit/s的MPEG-2高清节目，已经被编码压缩过，损伤不可避免，把其作为信号源再次编码时，编码后视频的SSIM值相对较高。由实验数据分析可知，在相同码率下High Profile视频编码的视频质量要优于Main Profile，对于综合节目视频，8 Mbit/s High Profile甚至比12 Mbit/s Main Profile的视频质量还要好。

其次，对于1080P与1080i视频格式的对比实验，在图4中可以看到，不管是 PQR还是SSIM值，所有4个视频场景复杂度不同的序列按1080P格式编码的视频质量结果均比同码率下按1080i格式编码的视频质量结果要好，其中与按照1080i格式编码相比，按1080P格式编码码流的PQR值更低，SSIM值更高。而且，随着编码码率的增大，按照1080P格式编码相对按照1080i格式编码的质量越有优势。

表5 优化编码器参数实验结果

通过以上的实验结果分析，针对中国电信上海公司现网IPTV高清频道的视频质量，经过H.264编码参数优化和采用1080P格式可以进一步提升其视频质量。

6 结束语

在中国电信“光速宽带”的普及下，IPTV高清业务飞速发展，通过对视频编码器参数的优化设置和视频节目源的改善后，视频质量乃至用户体验质量都将得到进一步的改善。

1 Zhai G T,Cai J F,Lin W S.Cross-dimensional perceptual quality assessment for low bitrate videos.IEEE Transaction on Mutlimedia,2008,10(7):1316～1324

2 Cermak G,Pinson M,Wolf S.The relationship among video quality,screen resolution,and bit rate.IEEE Transaction on Broadcasting,2011,57(2):258～262

3 ITU-R Rec BT.500-12. Methodology for the Subjective Assessment of the Quality of Television Pictures,2009

4 ITU-T Rec H.264.Advanced Video Coding forGeneric Audiovisual Services,2011

5 Marpe D,Wiegand T,Gordon S.H.264/MPEG4-AVC fidelity range extensions:tools,profiles,performance,and application areas.IEEE International Conference,Image Processing,Italy,2005:593～596

6 Furgusson C.Encoding technology coding advances point to a new generation of MPEG-2.http://www.tandbergtv.com

7 Wang Z,Alan C B,Sheikh H R.Image quality assessment:from error visibility to structural similarity.IEEE Transaction on Image Process,2004,13(4):600～612

8 Marziliano P,Dufaux F,Wnkler S.A no-reference perceptual blur metric.International Conference on Image Processing,New York,USA,2002:57～60

9 Comparing objective and subjective picture quality measurements.http://www.tektronix.com