不同量化比特数对超高清图像质量损伤的影响研究

许江波，姜秀华

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

不同量化比特数对超高清图像质量损伤的影响研究

许江波，姜秀华

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

通过挑选比较严格的超高清视频测试序列，采用x264压缩编码软件，计算量化比特数为10和8的各序列在不同码率下的PSNR值，以此来研究不同量化比特数对超高清图像质量损伤的影响。由实验数据得出，同一序列在同一码率下，量化比特数为10相比量化比特数为8的序列的PSNR高0.7 dB左右，也即量化比特数为10的序列相对量化比特数为8的序列码率节省5%～20%左右。

超高清图像;PSNR;量化比特数

1 UHDTV及其技术参数

人们对高质量图像和声音的追求是永无止境的。近年来，随着视频编码和网络技术的快速发展，人们已不满足于HDTV的图像质量，转而追求更具临场感及更高清晰度的下一代电视格式。高清晰度电视的分辨率为1 920×1 080，水平视角大约为30°。实验表明，为了给观众提供真实的临场感体验，观看电视的视角应大于100°，观看距离应为图像高度的0.75倍［1］。要满足上述条件，分辨率大约为8k×4k，因而产生了比HDTV具有更大视角更高分辨率的电视标准——超高清晰度电视(UHDTV)。超高清晰度电视即为具有极高的图像清晰度和极强的环绕立体声效果的系统。其目标是为观众提供提高的真实感和临场感。

2006年发布的ITU-R BT.1769建议书《Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange(适用于节目制作和国际节目交换的、对应于经过扩展的大屏幕数字化成像体系结构的影像格式的一些参数值)》［2］对超高清晰度系统的图像格式进行了标准化。2012年5月28日ITU-R负责广电业务系统标准拟定的第6研究组下设的拟定基带信号规范的工作组WP6C发布了关于超高清电视的建议书《Parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange(适用于节目制作和国际节目交换的、超高清电视系统的一些参数值)》［3］，规定了两个层级的超高清电视——UHDTV1 (3 840×2 160)与UHDTV2(7 680×4 320)。UHDTV的主要技术参数参见表1［3］。

表1 UHDTV主要技术参数

从表1可知，超高清图像要求其量化比特数为10或者12，而之前实际的HD及SD系统中，普遍采用的量化比特数为8，基于此，本文采用标准的UHDTV1测试序列，采用x264压缩编码软件，计算量化比特数为10和8的各序列在不同码率下的PSNR。以此来研究不同量化比特数对超高清图像质量损伤的影响。

2 峰值信噪比

在图像质量客观评价算法中，PSNR在实际工作中得到广泛应用。主要是由于其计算公式简单，便于理解和实现。而且，长久以来，视频研究者也建立了PSNR的概念，能够立刻理解其值所代表的损伤程度。另外，目前并没有其他的度量模型能够得到跟PSNR一样的广泛认同。其计算公式如式(1)所示

式中:bits表示量化比特数;MSE为均方误差，其计算公式如式(2)所示

式中:fij，f'ij分别表示原始视频图像和受损视频图像;M、N分别表示图像的高与宽。

3 实验内容

本次实验共用了4个超高清视频信号源，分别是ParkJoy，DucksTakeOff，CrowdRun和InToTree，如图1所示。每个序列长10 s，帧率为25 f/s(帧/秒)，共250帧，色度格式为4∶2∶0。对于序列的特性，按照ITU-R P.910［4］的建议计算了空间信息(Spatial perceptual Information，SI)和时间信息(Temporal Perceptual Information，TI)，图2给出各视频序列SI，TI的分布。由图中可以看出，处于右上方的视频有更高的复杂度，如ParkJoy和CrowdRun，而左下方图像的复杂度较低，如InToTree。

图1 超高清信号源的第一帧截图

图2 序列SI和TI均值的分布

本文采用x264对量化比特数为8和10的信号源进行压缩得到不同码率的测试序列，其相关参数及最终选定码率如表2所示。

表2 x264 encoding settings

4 实验结果及分析

图3为每个序列量化比特数分别为8和10的PSNR对比图。从图中可以看出，对于ParkJoy序列，相同码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的序列高0.75～0.8 dB。对于DucksTakeOff序列，相同码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的序列高0.7～0.75 dB。对于CrowdRun序列，相同码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的序列高0.7～0.8 dB。对于InToTree序列，相同码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的序列高0.68～0.77 dB。

图4为4个序列量化比特数分别为8和10的PSNR均值对比图。从图中可以看出，相同码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的4个序列的PSNR均值高0.71～0.77 dB。由此可以看出，对于不同复杂度的测试序列，量化比特数为10的各序列相对量化比特数为8有5%～20%左右的码率节省。分析其原因，主要是因为在H.264/AVC压缩编码算法中，量化比特数为10相对于量化比特数为8，在运动补偿，帧内预测等方面能提供更高的匹配精度，从而减小其匹配误差，即在相同的目标码率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特数为10，在相同的目标码率下，可以采用更小的QP(Quantization Parameter，量化参数)值，等到更好的图像质量，即PSNR值更大。

图3 量化比特数为8和10的各序列PSNR对比图

图4 四个序列量化比特数分别为8和10的各码率PSNR均值对比图

5 小结

本文采用x264对量化比特数分别为10和8的超高清视频序列进行压缩编码，计算并比较其PSNR值。由实验数据得出，同一序列在同一码率下，量化比特数为10比量化比特数为8的序列的PSNR值高0.7 dB左右，也即量化比特数为10的序列相对量化比特数为8有5%～20%左右的码率节省。这主要是因为在H.264/AVC压缩编码算法中，量化比特数为10相对于量化比特数为8，在运动补偿，帧内预测等方面能提供更高的匹配精度，从而减小其匹配误差，即在相同的目标码率下，得到更高的PSNR值。也即，采用量化比特数为10，在相同的目标码率下，可以采用更小的QP值，得到更好的图像质量，即PSNR值更大。

［1］孙乐民，薛永林.超高清数字电视关键技术研究［J］.电视技术，2012，36(6):17-20.

［2］ITU-R BT.1769，Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange［S］.2006.

［3］ ITU-R BT.2020，Draft new recommendation--parameter values for UHDTV systems for production and international programme exchange［S］.2012.

［4］ITU-R P.910，Subjective video quality assessmentmethods formultimedia applications［S］.1992.

Research on Influence of Different Bit Depth for Ultra High Definition Image Quality

XU Jiangbo，JIANG Xiuhua
(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

In this paper，the PSNR value of the same Ultra High Definition video sequenceswith the bit depth of10 and 8 are computed and compared for researching on the influence of different bit depth for Ultra High Definition image quality.Firstly，four 4k-Ultra High Definition video sequences are chosen as test sequences.Then they are encoded to different targetbitrates using x264 compression encoding software，and after that the PSNR values are obtained.The experiment results show that the achieved PSNR using10 bitencoding is almost0.7 dB higher than using8 bitencodingwith the same sequence at the same bitrate.This translates to an average bit-rate saving of about5%and up to 20%，while retaining the same video quality.

ultra high definition image;PSNR;bit depth

TN949.6

A

许江波(1983— )，女，讲师，博士生，从事数字电视技术、视频图像质量评价和数字视频压缩编码等教学和科研工作;

�� 雯

2013－08－21

【本文献信息】许江波，姜秀华.不同量化比特数对超高清图像质量损伤的影响研究［J］.电视技术，2014，38(13).

姜秀华(1955— )，教授，博士生导师，从事数字电视技术、数字视频信号处理和数字视频压缩编码等教学和科研工作。