应用PQA600进行电视节目制播全链路图像质量分析

李欣 江苏省广播电视总台

应用PQA600进行电视节目制播全链路图像质量分析

李欣 江苏省广播电视总台

本文探讨电视节目制播全链路的图像质量分析办法，并借助PQA600图像质量分析仪对全链路各关键节点和端到端的图像质量进行检测和分析，剖析了影响图像质量的几个主要因素，对改善电视节目全链路的图像质量具有参考意义。

PQR 制播全链路 图像质量

一、引言

随着广电系统数字化、网络化、高清化的飞速发展，以及大平板电视机在家庭用户中的占有率越来越高，广大电视观众对电视节目的图像质量提出了更高的需求。本文采用泰克公司的PQA600，对电视节目从制作端到机顶盒输出端整个制播全链路的图像质量进行分析，借以提高节目最终呈现的画面质量。本文中的电视制播全链路是指节目在制作端开始，经过采集、编辑、转码送至播出系统进行播出，播出信号经过编码传输后，通过有线电视或卫星送至千家万户，家庭用户通过机顶盒解码输出信号至电视机，这一端到端的全链路。

二、图像质量的评价方法

图像质量的测试方法分为主观评价和客观评价。主观评价是指评价者通过对图像质量的观察和评价的测量方法。参照ITU-R BT.500制定的GY/T134-1998《数字电视图像质量主观评价方法》建议，数字电视系统基本图像质量的主观评价采用双刺激连续质量标度（DSCQS）方法，数字电视发送、传输系统质量损伤主观评价采用双刺激损伤标度（DSIS）方法，即EBU方法。上述两种主观评价方法的详细内容可查阅相关标准和文献。

但是由于人眼的主观性和单体差异性，对于同样的图像，不同的人感受是不同的；此外、灯光、观看距离、显示设备等外在条件也会限制观看人员的评价结果。为了解决主观评价的缺陷，需要借助仪器来完成图像质量的评价，排除主观评价时外在条件和人员主观差异的影响。图像质量的客观评价方法是根据人眼的主观视觉系统建立数学模型，通过该数学模型来提取参考视频和测试视频中人眼较敏感的亮度、边缘、连贯性等特征信息，再对这些提取的特征进行差分比较之后给出评价值。

泰克公司的图像质量分析仪PQA600，采用了基于人类视觉系统的概念，提供了一套可重复性的、并与主观人眼视觉评估十分接近的客观图像质量测量方法。借助此设备，可对整个电视节目制播的全链路进行图像质量分析。

三、PQA图像质量分析仪测量原理

PQR（Picture Quality Rating）：图像质量评分，其算法原理是基于泰克公司和Sarnoff公司发明的JND(Just Noticeable Difference)视觉判断模型。PQA600 通过将处理过的图像序列素材和源图像序列素材进行逐帧逐像素的比较，找出其中的差异，即图像质量损失。PQR值的范围从0（理想的传送）到严重失真的25。PQR=1：不能察觉到损伤（损伤极不明显）；PQR=3：可以察觉到损伤，但并不明显；PQR=10很清楚地察觉到损伤。一般只要PQR值大于10 ，就会显示令人讨厌的压缩缺陷或其他图像质量损失。PQR值和主观评价得出的值存在很好的相关性，主观评价中得分较高序列，客观图像质量分析可得到较小的PQR值。此外，PQR值比人眼更精确，可以检测出低于视觉门限的图像损伤。

在PQR值和主观评价分度之间，可参照图1所示的一般关系。PQR值显示在左侧刻度上，右测是与主观评价相关的两个尺度。第一个是是DSCQS尺度，其值在0和100之间；第二个是五级损伤尺度，其值介于1和5之间。虽然不同的测试序列得出的测试结果不一样，但是这三个尺度之间可以定义大范围的一般关系。DSCQS结果为0表示无可见的损伤，相当于五级损伤标尺的5，这对应到PQR值在3到5的范围内。DSCQS尺度上的100表示最严重的损伤，相当于五级损伤表上的1，对应于PQR值高于15或20。

图1 PQR值与主观评价分度关系

四、全链路图像质量测试数据分析

借助PQA600，对整个制播链路上各个关键节点的图像质量进行检测，借以分析图像质量损失的节点和寻找对应的解决办法。

4.1 测试链路

制作端采用DnxHD 120Mbps编码方式采集测试图像序列，然后打包转码成MPEG2-IBP 50Mbps格式的素材文件，通过网络送至播出系统；播出硬盘服务器解码素材文件还原成HD-SDI信号；播出后通过总控系统，采用基带光端机送至有线电视网和地球站进行编码传输。同时下变换后转成标清信号通过基带光端机也送至地球站和有线电视网。其中高清信号有线电视传输采用H.264 8Mbps编码方式，高清信号卫星传输采用AVS+ 12Mbps编码方式，标清信号有线电视传输和卫星传输均采用MPEG2 5Mbps编码方式，如图2所示。

4.2 测试节点

测试节点、测试信号格式及测试项目见表1。

图2 电视节目制播全链路图像质量测试框图

表1 测试节点、测试信号格式及测试项目

3.3 测试仪器

如表2所示

五、测试数据

从制作到播出整个全流程，我们按照选择的关键节点进行图像质量分析，电视节目制播全链路PQR值测试结果数据统计如表3所示。

表2 测试仪表清单

表3 电视节目制播全链路PQR值

六、结果分析

6.1 高清节目制播全链路图像质量分析

图3 高清节目制播全链路PQR数据比较

（1）从图3和数据表可见，制作系统采用DnxHD 120Mbps编码方式采集的文件对节目图像质量损伤很小，几乎可以忽略不计。

（2）制作系统转码后生成的MPEG2-IBP 50Mbps文件对图像质量有一定的损伤，但人眼一般难以察觉。同样的MPEG2-IBP 50Mbps 文件，非编板卡输出的图像质量略低于硬盘播出服务器输出的图像质量，但差距不到2%。

（3）卫星传输采用的AVS+ 12Mbps编码方式由于编码码率较高，故图像质量损失小于有线电视传输采用的H.264 8Mbps编码方式。

（4）家用的高清机顶盒，由于采用民用级别的解码芯片，相较广播级别的解码器，图像质量有一定的损失，大约10%左右。

6.2 高标清同播节目制播全链路图像质量分析

图4 高标清同播节目制播全链路PQR数据比较

（1）相对高清电视节目，高标清同播的电视节目从测试数据可见图像质量损失主要存在于下变换阶段，但是考虑到高清节目下变换到标清节目，图像的分辨率和幅型比都发生改变，不能简单以数据结果来评价图像质量损失大小。

（2）有线电视传输和卫星传输采用的编码方式和编码码率一致，故其测试结果基本一致。

（3）由于测试采用的同洲高清机顶盒，其HDMI输出信号为高清格式，自动将标清频道播出信号进行上变换，故标清频道机顶盒输出信号测试结果存在不准确性，这里不予统计。

但PQR的测试数据需要注意以下几点：

（1）PQR的测试数据并不是线性叠加的，最后的测试结果，不是前面各阶段测试结果的简单相加。举例来说，终端的测试结果为5，而播出端的测试结果为1.8，并不代表播出端到终端的链路造成的图像质量损失是3.2，有可能比3.2更小。

（2）PQR值较低时其可信度较高，当高于9时，其可信度明显降低。

（3）测试中，由于信号原因，在做图像比对时，偶尔会出现错帧和边缘画面的像素错误，当不能准确比对时，会造成测试结果的不准确。

七、结束语

从分析结果可见，纵观电视节目的制播全链路，想要减少图像质量的损失，可通过采用更高质量的编码方式、采用较高的编码码率、采用广播级的设备等3个方面来解决。但是这也涉及制作、传输的效率，编码和存储的带宽占用，意味着系统需要更大的投入。然而，一个电视节目图像质量的最终衡量标准是电视观众的满意程度，制播链路的图像质量损失只是占其一部分，节目的内容、前期拍摄的图像质量对节目的最终图像质量影响更大。

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