在視頻領(lǐng)域，由觀察者的主觀檢測(cè)進(jìn)行概括的方法是目前檢驗(yàn)視頻壓縮系統(tǒng)發(fā)展的主流。隨著各種視頻壓縮方法的不斷使用和發(fā)展，以及主觀檢測(cè)的復(fù)雜性和易變性，我們需要有獨(dú)立于壓縮算法和相關(guān)副產(chǎn)物的畫面質(zhì)量評(píng)估方法和一種客觀的檢測(cè)儀器。本文解釋了所提出的客觀檢測(cè)算法的優(yōu)點(diǎn)和局限性，說明了實(shí)際測(cè)量?jī)x器中的客觀畫面質(zhì)量評(píng)估需要綜合傳統(tǒng)的視頻技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)。

1. 視頻檢測(cè)概念

(1)功能層面

在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的電視廣泛使用中我們一直用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的模式分析模擬視頻系統(tǒng)。模擬視頻系統(tǒng)檢測(cè)通常在一個(gè)帶有復(fù)合PAL信號(hào)或NTSC信號(hào)的互聯(lián)中進(jìn)行。用簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x器既可以分析運(yùn)行方面的內(nèi)容，包括信號(hào)電平或彩色平衡，又能夠分析作為相同視頻波形中同步信號(hào)部分的數(shù)據(jù)格式。這種使用一組檢測(cè)信號(hào)在傳輸通道中進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量分析的方法已能夠勝任評(píng)估圖象質(zhì)量的工作。在這里一組信號(hào)的概念十分重要，因?yàn)椴豢赡軆H用一個(gè)信號(hào)來評(píng)估系統(tǒng)并作出專業(yè)性的解釋，以達(dá)到與憑視覺檢查圖像同樣的效果。對(duì)于在同軸電纜中信號(hào)的設(shè)備內(nèi)部傳輸而言，我們需要另一種儀器即時(shí)域反射儀來確保物理層面的連續(xù)性。長(zhǎng)距離傳輸是通過載波上的幅度和頻率調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的，然而通道的視頻特性的結(jié)果仍然由那些在ANSIT1.502中規(guī)定的模擬測(cè)量來決定的。

隨著近15年中數(shù)字電視的出現(xiàn)，我們需要更復(fù)雜的系統(tǒng)和一套功能層面。模擬信號(hào)根據(jù)如Rec.601那樣的取樣標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字化信號(hào)的格式化和演播室互聯(lián)也引出了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，Rec.656，導(dǎo)致了功能層面的延伸和多種檢測(cè)工作的實(shí)施。對(duì)一般運(yùn)行而言，監(jiān)視模擬視頻信號(hào)特性仍然是關(guān)鍵，而此信號(hào)必須是從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理中得到的。

模擬信號(hào)的檢測(cè)僅需要對(duì)單個(gè)波形的不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而數(shù)字檢測(cè)則需要分析數(shù)字波形、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式和模擬信號(hào)以外的數(shù)字信號(hào)編碼。檢測(cè)同樣需要一組檢測(cè)信號(hào)，擴(kuò)大了僅僅是模擬檢測(cè)所需的檢測(cè)信號(hào)組。雖然可以用如泰克WFM601M這樣的單個(gè)儀器完成所有的測(cè)量任務(wù)，但每個(gè)層面和兩個(gè)層面之間均需要用不同的方法進(jìn)行大量的處理。在數(shù)字壓縮技術(shù)出現(xiàn)之前，較高質(zhì)量信號(hào)的傳輸仍通過壓縮回到復(fù)合模擬域的方法來完成。在模擬對(duì)數(shù)字和數(shù)字對(duì)模擬的轉(zhuǎn)換中導(dǎo)致與基本TSC或PAL模擬信號(hào)相比出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量衰減。
隨著電視與電信的結(jié)合，不僅檢測(cè)工程師要考慮更多的功能層面，而且不同層面之間可能有不同的途徑。

信號(hào)數(shù)字互聯(lián)(SDI)是串行數(shù)字視頻中廣泛使用的Rec.656標(biāo)準(zhǔn)。SPTE的一個(gè)研究打包電視互聯(lián)的工作組開發(fā)了一種在同一電纜線路和切換硬件上承載打包數(shù)據(jù)的方法，叫作SDDI(串行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)互聯(lián))。ANSI和SMPTE正在考慮的一種電視設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)式互聯(lián)稱之為光纖通道，它提供了一種速度快、打包尺寸大和價(jià)格適中的硬件。目前同步數(shù)字體系(SDH)的電信方法已在全世界廣泛建立，并能以簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)格式直接承載MPEG-2傳送碼流，但現(xiàn)在還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。展望未來，ATM可望成為長(zhǎng)距離和演播室范圍內(nèi)進(jìn)行打包數(shù)據(jù)傳送的方法。

在現(xiàn)代電視系統(tǒng)中可以定義三個(gè)關(guān)鍵的檢測(cè)層面，每一個(gè)層面又有各自一套更詳盡的檢測(cè)層面。檢測(cè)壓縮電視系統(tǒng)的視頻質(zhì)量要比使用間接測(cè)量方法對(duì)非壓縮視頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)復(fù)雜得多。在本指南以后的內(nèi)容中將對(duì)此作進(jìn)一步的闡述。當(dāng)畫面被壓縮以后，處理后的數(shù)據(jù)被格式化以便于設(shè)備內(nèi)部的連接。這種連接的實(shí)例有：視頻磁盤伺務(wù)器間的直接節(jié)目交換或幾個(gè)視頻/音頻編碼器將單個(gè)的節(jié)目傳送碼流送到復(fù)接器上產(chǎn)生用于衛(wèi)星播送的多重節(jié)目傳送碼流。這是一個(gè)協(xié)議檢測(cè)的恰當(dāng)層面，因?yàn)閿?shù)據(jù)格式化會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，并相對(duì)獨(dú)立于未壓縮信號(hào)的本質(zhì)或逐漸轉(zhuǎn)換為設(shè)備之間傳輸?shù)母袷�，�?duì)絕大多數(shù)電視傳輸系統(tǒng)而言，MPEG-2傳送碼流是壓縮數(shù)據(jù)層的共同特性。壓縮數(shù)據(jù)和傳送碼流的語法和語義均被很好地作了定義。典型的協(xié)議檢測(cè)設(shè)備，如泰克MTS300，會(huì)作為已知有效的或指定無效的信號(hào)源和分析儀，根據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)找出錯(cuò)誤并確定數(shù)據(jù)流不同運(yùn)行參數(shù)的值。前面我們已經(jīng)講過一些可能的設(shè)備之間傳輸方法。許多已建立得相當(dāng)完整，如SDH/Sonet和有線電視都有各種有效的檢測(cè)設(shè)備。ATM是一種新興的技術(shù)，新的檢測(cè)設(shè)備已投入市場(chǎng)或正在開發(fā)中。采用傳統(tǒng)的通訊檢測(cè)設(shè)備分析MPEG-2傳送碼流或與之互聯(lián)的方法正在出現(xiàn)。

(2)測(cè)量方法

視頻質(zhì)量測(cè)量方法中有幾個(gè)方面定義。主觀測(cè)量是人類觀察者觀察的結(jié)果，僅提供對(duì)視頻質(zhì)量的意見客觀測(cè)量則借助儀器設(shè)備進(jìn)行，可以根據(jù)校準(zhǔn)的刻度讀出數(shù)據(jù)，也可以自動(dòng)使用數(shù)學(xué)算法得出結(jié)果。

直接測(cè)量是在畫面的特定內(nèi)容上進(jìn)行的，所以也叫作畫面質(zhì)量測(cè)量。間接測(cè)量是通過處理特殊設(shè)計(jì)的檢測(cè)信號(hào)來進(jìn)行的，其方式與畫面測(cè)量相同，叫作信號(hào)質(zhì)量測(cè)量。

主觀測(cè)量只能夠在直接方式下進(jìn)行，因?yàn)槿藗儗?duì)檢測(cè)信號(hào)圖像的意見是毫無意義的。(當(dāng)然，對(duì)全場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)畫面的專業(yè)性觀察也是有用的，可以作為確定信號(hào)失真的一種方式，而不是判斷其美學(xué)值)。

工作狀態(tài)下的測(cè)量是在節(jié)目播放時(shí)以直接評(píng)估節(jié)目?jī)?nèi)容或間接地將檢測(cè)信號(hào)包括在節(jié)目?jī)?nèi)容中的方式來進(jìn)行的，在非工作狀態(tài)下，直接測(cè)量使用恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行，間接測(cè)量使用全場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行。

(3)測(cè)量挑戰(zhàn)

雖然在NTSC和PAL復(fù)合系統(tǒng)中采用了適當(dāng)?shù)膲嚎s，但以當(dāng)今的技術(shù)來看，它們?nèi)允俏幢粔嚎s的。信號(hào)質(zhì)量(客觀間接)測(cè)量是確定這種非壓縮系統(tǒng)畫面質(zhì)量的一種好方法。也就是說，在系統(tǒng)畫面的主觀測(cè)量和同一系統(tǒng)中使用一組檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行的客觀測(cè)量之間有很大的數(shù)學(xué)相關(guān)性。相關(guān)性并非對(duì)所有檢測(cè)都是完美的。在復(fù)合系統(tǒng)中的一些失真用客觀測(cè)量的方式并不容易測(cè)量出來，如因高頻亮度引起的錯(cuò)誤顏色信號(hào)。同時(shí)，有些客觀測(cè)量太敏感，以致于和主觀結(jié)果無法直接聯(lián)系起來。然而這些客觀往往是非常有用的，因?yàn)槿绻嬅嬉韵嗤姆绞教幚韼妆槿藗儽銜?huì)看到這些結(jié)果的影響。用模擬視頻錄像機(jī)可以使一個(gè)例子重復(fù)發(fā)生。

信號(hào)質(zhì)量測(cè)量必需在模擬及全帶寬數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行，這是因?yàn)榉菈嚎s系統(tǒng)是線性的。也就是說系統(tǒng)行為是時(shí)間恒定、信號(hào)獨(dú)立和適用疊加的。信號(hào)質(zhì)量的測(cè)量是通過一組檢測(cè)信號(hào)來進(jìn)行的，其結(jié)果失真將確定傳輸通道或視頻處理特性。檢測(cè)信號(hào)可以非常短，比如在場(chǎng)消隱中的一行。在使用壓縮的系統(tǒng)中，非壓縮視頻的信號(hào)質(zhì)量仍非常關(guān)鍵，其原因如下：
(1)視頻壓縮編解碼器的輸入必須精確，并符合適用標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量也要盡可能高，以提供有效的編碼。
(2)在壓縮域中諸如添加標(biāo)題和特技效果等視頻處理無法完成。
(3)鑒于編解碼器成本和質(zhì)量的原因，制作設(shè)施無法進(jìn)行全面壓縮。
(4)只有在全比特率水平上才能進(jìn)行不同壓縮格式的交換。

以上原因要求我們檢測(cè)模擬和全帶寬數(shù)字信號(hào)以及復(fù)雜的壓縮和傳輸系統(tǒng)。隨著壓縮數(shù)字視頻系統(tǒng)的出現(xiàn)，情況變得較為復(fù)雜。信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)并不對(duì)系統(tǒng)的壓縮編碼器/解碼器部分有作用。傳統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)與自然的鏡頭相比則相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并且容易壓縮而不會(huì)出現(xiàn)什么失真或損傷。由于容易壓縮，這些信號(hào)不能評(píng)估編碼器/ 解碼器的處理工作。比如，信噪比對(duì)畫面質(zhì)量測(cè)量來說并不可靠。在一個(gè)特定的系統(tǒng)中信噪比并不是恒定的，很容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。所以畫面質(zhì)量測(cè)量需要使用自然畫面或類似的畫面進(jìn)行直接測(cè)量。這些畫面比傳統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)要復(fù)雜得多。這些復(fù)雜的鏡頭加強(qiáng)了對(duì)編碼器非線性失真功能的測(cè)試，而非線性失真與畫面內(nèi)容卻切切相關(guān)。

使用數(shù)字壓縮擴(kuò)展了現(xiàn)代電視系統(tǒng)中可能發(fā)生的失真類型。在全帶寬數(shù)字系統(tǒng)中存在的量化噪聲，往往會(huì)被壓縮系統(tǒng)比特率的降低處理而增加。在DCT型壓縮系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的阻礙物為格子狀圖案。分辨率也往往會(huì)降低，這是因?yàn)閴嚎s系統(tǒng)是利用了人類視覺系統(tǒng)分辨能力的局限性而從畫面上去掉了一些信息。因此，壓縮程度越大也就意味著分辨率越低。雖然人類對(duì)色度的敏銳度較差，但非壓縮畫面已經(jīng)用了那些范圍中的一部分，而且壓縮系統(tǒng)經(jīng)常將色度部分壓縮得比亮度部分更多。邊緣噪雜是量化另一個(gè)影響。由于從畫面的高分辨率部分去掉了更多的信息，從而導(dǎo)致了邊緣上的噪聲。當(dāng)噪聲通過壓縮處理在附近平坦的區(qū)域中顯示出來時(shí)，有時(shí)稱它們是蚊子噪聲。與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的副產(chǎn)物，如抽動(dòng)或象素塊錯(cuò)置等，會(huì)在使用以復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償或簡(jiǎn)單的下拉幀為基礎(chǔ)的時(shí)間壓縮系統(tǒng)中出現(xiàn)，這是因?yàn)樵诘蛶捪到y(tǒng)中沒有足夠的數(shù)位。

由于從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度考慮要測(cè)量更大范圍的失真并優(yōu)化節(jié)目饋送，主觀測(cè)量的范圍就擴(kuò)大了。有些主觀測(cè)量甚至包括節(jié)目質(zhì)量的基本元素和以后要詳細(xì)討論的畫面質(zhì)量。由于信號(hào)質(zhì)量測(cè)量無法完成這一工作，所以需要進(jìn)行客觀圖象質(zhì)量測(cè)量。類型增加的信號(hào)質(zhì)量測(cè)量并不足以取代新的主觀測(cè)量方法。實(shí)際上，隨著對(duì)主觀測(cè)量理解的加深，傳統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)量不再與主觀要求有很大的相關(guān)性。我們并非有任何擴(kuò)展或重新檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量測(cè)量方法的計(jì)劃，因?yàn)殚_發(fā)客觀畫面質(zhì)量方法有大量的工作要做。這些畫面質(zhì)量測(cè)量方法也必須與主觀測(cè)量有很大的相關(guān)性，并且涵蓋相當(dāng)大范圍的主觀考慮。我們希望那些小得連人們?nèi)庋鄱紵o法覺察的畫面質(zhì)量失真也能被測(cè)量出來，并作為串級(jí)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2. 畫面質(zhì)量檢測(cè)

(1)主觀檢測(cè)

電視節(jié)目是供人們娛樂或接受教育用的，所以人們對(duì)畫面質(zhì)量的意見是十分重要的。從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室到運(yùn)行環(huán)境，非正式或正式的主觀測(cè)量已經(jīng)或仍將被用來評(píng)估系統(tǒng)的性能。即便當(dāng)今已經(jīng)有了很好的檢測(cè)模擬和全帶寬數(shù)字視頻信號(hào)的客觀檢測(cè)方法，但人們對(duì)畫面的觀察仍然很重要。有些不易測(cè)量的損傷卻能很容易被人們觀察到。這種情況并未隨著當(dāng)代數(shù)字壓縮的增加而改變。因此，一名專業(yè)觀察者的隨意或非正式主觀檢測(cè)仍然是系統(tǒng)評(píng)估或監(jiān)視的重要部分。

正式的主觀檢測(cè)已經(jīng)運(yùn)用了多年，有一套相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，并持續(xù)到Rec.500中闡述的數(shù)字壓縮主觀檢測(cè)的出現(xiàn)。簡(jiǎn)單地講，就是選擇一些非專業(yè)的觀察者，檢測(cè)他們的視覺能力。然后在一個(gè)受控制的環(huán)境中用10到30分鐘向他們展示一系列檢測(cè)鏡頭，并要求他們以各種方式中的某一種來給鏡頭質(zhì)量評(píng)分。主觀檢測(cè)被用來進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。以及在最佳狀態(tài)下的系統(tǒng)性能評(píng)估和在非最佳狀態(tài)下因傳輸局限引起的損傷評(píng)估。在與壓縮相關(guān)的現(xiàn)代電視系統(tǒng)中，畫面質(zhì)量在一段時(shí)間中并不是不變的。畫面質(zhì)量是節(jié)目?jī)?nèi)容復(fù)雜性的函數(shù)，它涉及統(tǒng)計(jì)復(fù)合及傳輸系統(tǒng)每一刻的運(yùn)行情況�？紤]到這個(gè)隨時(shí)間變化的特性和一些新的損傷，為此定義的測(cè)量方法在近幾年中出現(xiàn)了。

除了選擇測(cè)量方法以外，還有一些其它的步驟性因素可讓我們有不同的途徑。這些因素包括：觀察的條件、觀察者的選擇、給意見評(píng)分的度量方法、參考條件、檢測(cè)鏡頭的信號(hào)源、不同檢測(cè)鏡頭的展示時(shí)間、檢測(cè)鏡頭范圍的選擇和評(píng)分結(jié)果的分析。這些因素的每個(gè)參數(shù)選擇都與所需的電視系統(tǒng)應(yīng)用內(nèi)容有關(guān)，并可能導(dǎo)致各種復(fù)雜的可能性。對(duì)于各種主觀測(cè)量方法的闡述可以幫助我們理解：

(1)雙重激勵(lì)源損傷尺度(DSIS)：給觀察者看多對(duì)原始鏡頭和有損鏡頭組合。原始鏡頭總是放在首位。評(píng)分是根據(jù)損傷的總體印象而定，分無法覺察、可覺察但不令人討厭、略微令人討厭、令人討厭和非常令人討厭。這種尺度通常稱為5分尺度，即5代表無法覺察，而1代表非常令人討厭。

(2)雙重激勵(lì)源連續(xù)質(zhì)量尺度(DSCQS)：給觀察者看多對(duì)原始鏡頭和有損鏡頭組合，放在首位的鏡頭隨意。評(píng)分按從極好到差的連續(xù)質(zhì)量尺度而定，每對(duì)中的每個(gè)鏡頭分別評(píng)分，但要以此對(duì)中的另一個(gè)鏡頭作為參照。分析則以每對(duì)評(píng)分的差異為基礎(chǔ)，而不是以絕對(duì)數(shù)值為基礎(chǔ)。

(3)單獨(dú)激勵(lì)源方法：展示多個(gè)獨(dú)立鏡頭。有兩種途徑，SS代表檢測(cè)鏡頭不重復(fù)，SSMR則代表檢測(cè)鏡頭重復(fù)多次。有三種不同的評(píng)分方法可使用。
• 形容詞方式：5級(jí)損傷尺度，但允許有半級(jí)。
• 數(shù)字方式：11級(jí)損傷尺度，在沒有參照物的情況下非常有用。
• 非分類方式：連續(xù)尺度，沒有數(shù)字或者范圍很大，如0-100。

(4)刺激源比較方法：通常用兩個(gè)相配的監(jiān)視器來完成，但也可以用一個(gè)。各對(duì)鏡頭間的差異用以下兩種方法中的一種來評(píng)分：
• 形容詞方式：7級(jí)，從-3到+3：好得多、較好、稍微好一些、相同、稍微差一些、較差、差得多。
• 非分類方式：連續(xù)尺度，沒有數(shù)字或相對(duì)于一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)或相對(duì)關(guān)系的數(shù)字。

(5)單獨(dú)激勵(lì)源連續(xù)質(zhì)量評(píng)估(SSCQE)：與分開的檢測(cè)鏡頭不同，它是對(duì)一個(gè)10至20分鐘的節(jié)目進(jìn)行評(píng)估。從連續(xù)的尺度中每幾秒鐘取出數(shù)據(jù)。評(píng)分是給出特定分?jǐn)?shù)的時(shí)間的分布。這種方法與當(dāng)今壓縮系統(tǒng)隨時(shí)間變化的質(zhì)量關(guān)系密切，然而它除了表明畫面質(zhì)量外更表明節(jié)目質(zhì)量。Rec.601視頻標(biāo)準(zhǔn)中有一種評(píng)估方法在過去十五年中被認(rèn)為是基本完美的。它認(rèn)為20分鐘節(jié)目中的14分鐘節(jié)目質(zhì)量等級(jí)超過90%。

除了上述這些定義的方法以外，另有兩種新方法開始彌補(bǔ)主觀和客觀畫面質(zhì)量測(cè)量之間的差距。它們是“畫面內(nèi)容故障特點(diǎn)”和“節(jié)目和傳輸條件的復(fù)合故障特點(diǎn)”。我們將在主觀測(cè)量部分中加以討論。主觀檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)有：
• 為傳統(tǒng)電視系統(tǒng)和壓縮電視系統(tǒng)都產(chǎn)生有效結(jié)果。
• 獲得等級(jí)平均意見分(MOS)，并適用于大范圍的靜止和動(dòng)態(tài)畫面應(yīng)用。
主觀檢測(cè)的缺點(diǎn)：
• 必須考慮大量可能的方法和檢測(cè)因素的參數(shù)。
• 需要仔細(xì)的建立和控制。
• 必須篩選大量的觀察者。
• 因其復(fù)雜性而要花去大量時(shí)間
可以看出，主觀檢測(cè)僅適用于開發(fā)目的，但不適合于運(yùn)行監(jiān)視、制作線檢測(cè)或故障探測(cè)。

(2)客觀檢測(cè)

很顯然我們要求能夠有畫面質(zhì)量的客觀檢測(cè)方法，因?yàn)橹饔^檢測(cè)過于復(fù)雜且結(jié)果有多種可能性。然而，由于觀察者對(duì)畫面質(zhì)量意見的重要性，所以任何客觀測(cè)量系統(tǒng)必須與同樣視頻系統(tǒng)和檢測(cè)鏡頭的主觀檢測(cè)結(jié)果有很好的相關(guān)性。

與主觀檢測(cè)一樣，幾乎所有客觀檢測(cè)方法都不能直接測(cè)量畫面質(zhì)量，而只能提供有損畫面或鏡頭與原始畫面或鏡頭相比的指標(biāo)。這種比較將把節(jié)目質(zhì)量這一因素從測(cè)量中去除掉。
在過去幾年中，大量的方法被開發(fā)出來用于壓縮視頻系統(tǒng)的畫面質(zhì)量檢測(cè)。這些方法可粗略地分為兩類，即特征提取和畫面差異，每一種均可以通過一些方式來執(zhí)行。

(1)特征提取使用一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算方法來提取單個(gè)畫面(空間特性)或畫面序列(時(shí)間特性)的特征。這樣可以使每個(gè)畫面產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)(幾百個(gè)字節(jié))，比用來傳送壓縮畫面的數(shù)據(jù)少得多。然后將原始畫面和有損畫面的特征計(jì)算進(jìn)行比較，從而得出客觀質(zhì)量評(píng)分。

(2)畫面差異法使用以矩陣為基礎(chǔ)的數(shù)字計(jì)算方法處理每個(gè)畫面或畫面序列。得到的結(jié)果數(shù)據(jù)代表了畫面的過濾形式，包含了一些與原始畫面相似的數(shù)據(jù)。通常，我們用原始畫面和有損畫面的過濾形式之間象素與象素的差異來確定客觀質(zhì)量評(píng)分。

特征提取方法的優(yōu)點(diǎn)是參考(輸入)畫面的計(jì)算特點(diǎn)可以與遠(yuǎn)地客觀評(píng)分的壓縮畫面一起通過傳輸通道發(fā)送。鑒于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，特征提取方法被廣泛提倡，并且有時(shí)和畫面差異方法一起使用。然而，泰克公司和其它實(shí)驗(yàn)室的研究表明有一種圖象差異方法提供的客觀評(píng)分與主觀結(jié)果有非常好的相關(guān)性。

值得注意的是，雖然所有系統(tǒng)實(shí)際上都產(chǎn)生畫面損傷，但這些方法中沒有一個(gè)能保證給予畫面變化提示正確的趨勢(shì)。有各種例子表明伴有噪聲和其它副產(chǎn)物的畫面在輸入到壓縮系統(tǒng)時(shí)由濾波器加以改善，從而使畫面質(zhì)量在通過壓縮/解壓縮處理過程后得到改善。

特征提取方法中有關(guān)亮度的一些概念已經(jīng)在最近被編入全美國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以作為客觀測(cè)量的工具箱。它提供了一套性能參數(shù)，每個(gè)參數(shù)或參數(shù)組合對(duì)視頻質(zhì)量和損傷類型的一些獨(dú)有方面非常敏感。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍指出：“目前本標(biāo)準(zhǔn)定義了達(dá)到客觀測(cè)量精度的兩個(gè)或更多相似系統(tǒng)的辨別。”ANSI委員會(huì)成員們的進(jìn)一步工作結(jié)果表明，特征提取法和畫面差異法結(jié)合起來使用能達(dá)到最佳效果。即便如此，使用的方法仍然需要根據(jù)應(yīng)用的不同進(jìn)行選擇，從而提供主觀評(píng)分和客觀評(píng)分之間的最佳相關(guān)性。

特征提取方法的另一項(xiàng)研究已經(jīng)得出結(jié)果，并且在最近的國(guó)家主觀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Rec.500中作為“畫面內(nèi)容故障特點(diǎn)”和“節(jié)目和傳送條件的復(fù)合故障特點(diǎn)”附件被加以報(bào)道。它們引入了“細(xì)密”的概念，也就是壓縮畫面的復(fù)雜性尺度。具體內(nèi)容是，畫面的細(xì)密度(復(fù)雜性)越高，其壓縮難度越大，畫面質(zhì)量也會(huì)越差。

這個(gè)研究結(jié)果與壓縮的方法和具體應(yīng)用都有關(guān)系。對(duì)于相同的圖像輸入細(xì)密度而言，不同的壓縮方法會(huì)產(chǎn)生不同的畫面質(zhì)量。即使用相同的方法，比如MPEG-2，如果象GOP長(zhǎng)度或允許的亮度對(duì)色度相對(duì)比特?cái)?shù)位這樣的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)果也會(huì)不同。在使用ANSI技術(shù)時(shí)，計(jì)算細(xì)密度的方法和特征提取方法一樣，都與具體的應(yīng)用有關(guān)。

正如前面所說，有一種畫面差異方法提供了較好的客觀畫面測(cè)量和主觀測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性。最明顯的畫面差異方法是簡(jiǎn)單地將兩個(gè)畫面相減，不作任何濾波或處理。如果差異為零，則兩個(gè)畫面是完全一樣的。如果畫面存在差異，則可以逐個(gè)象素算出均方根誤差(MSE)，MSE越大就表明參考畫面與損傷畫面之間的差異越大。表達(dá)這種直接畫面差異的另一個(gè)方法叫作PSNR，它計(jì)算峰值信號(hào)(8位系統(tǒng)中是255hex)的平方根與MSE的比值的對(duì)數(shù)，就好象計(jì)算模擬電視系統(tǒng)中的信噪比那樣。這個(gè)方法有其實(shí)用性，也有顯著的缺點(diǎn)。對(duì)一個(gè)限定的系統(tǒng)而言，比如只有數(shù)位率變化，那么MSE會(huì)隨著畫面質(zhì)量的降低而增加。另外，設(shè)計(jì)人員在尋找設(shè)計(jì)問題時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法對(duì)觀察畫面形式中的象素值差異很有用。然而，MSE也可能給出錯(cuò)誤的結(jié)論。比如我們考慮兩種損傷的比較。一種添加少量隨機(jī)噪聲，比如五個(gè)量化水平，而另一個(gè)則添加少量塊狀失真，比如兩個(gè)量化水平。后者的損傷會(huì)得出較小的MSE值，然而觀察者會(huì)認(rèn)為噪聲畫面并沒有什么損傷，而塊狀看上去則象是很大的損傷。

雖然以特征提取參數(shù)計(jì)算為基礎(chǔ)的畫面差異方法在基本ANSI研究成果中被改進(jìn)了，但其結(jié)果仍然與具體應(yīng)用和技術(shù)有關(guān)。眾多研究人員指出，實(shí)現(xiàn)與技術(shù)無關(guān)而又能提供主觀和客觀測(cè)量之間很好相關(guān)性的方法只能是有一種和人類觀察者所采取方式一致的儀器，用它來覺察和測(cè)量視頻損傷。換句話說，畫面差異方法的過濾應(yīng)使用人類視覺系統(tǒng)(HVS)的模式。這種模式的應(yīng)用將提供一種圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)，它與視頻內(nèi)容、損傷類型和使用的壓縮系統(tǒng)都無關(guān)。

(3)人類視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

在很多年中，DavidSarnoff研究中心花了大量的財(cái)力和物力從事人類視覺系統(tǒng)的研究，并將所得到的成果運(yùn)用到電視顯示和畫面質(zhì)量評(píng)估中去。在這個(gè)基礎(chǔ)上形成了剛好覺察差異(JND)的圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)，用于自動(dòng)精確地檢測(cè)序列和參考序列之間的差異感知程度。JND模式輸入的是兩個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的序列。這兩個(gè)序列分開處理(濾波)至“差異度量標(biāo)準(zhǔn)”框(靠近框圖左下角處)，再用經(jīng)處理序列之間的差異得出JND映射和JND數(shù)值。

在JND圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中，序列中的每一場(chǎng)均以三個(gè)RGB圖象為一組。在圖中標(biāo)明前端處理的第一階段，電壓?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)變?yōu)楣廨敵鰡挝唬纬闪炼戎?Y)。然后抽象地達(dá)到由CIEL*u*v統(tǒng)一的彩色空間上所定義的量，形成該模式色度通路的兩個(gè)通道(u*、v*)。在該模式的下一階段，即金字塔結(jié)構(gòu)，每個(gè)序列用高斯金字塔操作方法濾波和向下取樣，從而有效的為下一級(jí)濾波操作產(chǎn)生一系列空間分辨率。接著，規(guī)一化階段將設(shè)置與跟時(shí)間有關(guān)的平均亮度的全部增益，模擬視覺系統(tǒng)對(duì)整個(gè)亮度電平的相對(duì)低靈敏度，重現(xiàn)在由亮鏡頭到暗鏡頭轉(zhuǎn)變過程中視覺靈敏度損失的效果。

在規(guī)一化之后，我們要計(jì)算三個(gè)獨(dú)立的對(duì)比度： 定向?qū)Ρ榷取⒍秳?dòng)對(duì)比度和色度對(duì)比度。在每一項(xiàng)中對(duì)比度指的是象素值局部差異除以局部總和，大致上度量值可以看成金字塔水平級(jí)的函數(shù)。當(dāng)圖象對(duì)比度在人類視覺門檻值時(shí)結(jié)果為1。這樣就建立了1JND的定義，從而可通過該模式的下階段。(JND的度量單位定義為，1個(gè)JND相對(duì)于觀察者多次觀察兩幅圖象有75%的可能性看出差異。)

在對(duì)比能量遮蔽階段，每個(gè)對(duì)比圖象必須是點(diǎn)非線性，其增益由其它分辨率和通道的響應(yīng)來控制。這種增益設(shè)置被包括在模擬視覺遮蔽效果之中，比如在繁多圖象區(qū)域中對(duì)失真的敏感度降低。該階段中點(diǎn)非線性的參數(shù)必須依據(jù)對(duì)比分辨數(shù)據(jù)，使其合乎標(biāo)準(zhǔn)。檢測(cè)對(duì)比度改變所需的對(duì)比增量被作為發(fā)生改變的對(duì)比度函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

在差異度量標(biāo)準(zhǔn)階段，檢測(cè)序列和參考序列的輸出通過簡(jiǎn)單的差異操作器組合起來，然后通過金字塔電平和通道匯總并返回亮度和色度的JND值。獨(dú)立的亮度和色度JND映射可以匯總到一個(gè)映射中得出匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以是平均JND、最大JND和Q-norm，它們?cè)试S進(jìn)行平均和最大值計(jì)算。

JND圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)為很好的客觀質(zhì)量測(cè)量方法提供了各種條件。這些條件包括動(dòng)態(tài)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)序列評(píng)估必需的三個(gè)方面：空間分析、時(shí)間瞬態(tài)分析和全色彩分析。在畫面差異處理中使用人類視覺系統(tǒng)的模式可以使結(jié)果與壓縮處理和產(chǎn)生的副產(chǎn)物無關(guān)。這一點(diǎn)在包含幾種不同壓縮方法的串級(jí)電視系統(tǒng)中尤為重要。在這些系統(tǒng)中，依靠壓縮編碼模式或評(píng)估副產(chǎn)物類型的客觀測(cè)量方法使用起來有很大的局限性。除了適用于全面系統(tǒng)測(cè)量以外，將串級(jí)系統(tǒng)各部分JND圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果組合起來的方法將提供全面性能的有用指標(biāo)。

3. 客觀檢測(cè)的系統(tǒng)途徑

客觀檢測(cè)需要一種有效的算法作為基礎(chǔ)，如JND圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)和它的理論基礎(chǔ)。然而，真實(shí)測(cè)量系統(tǒng)的執(zhí)行必須包括一些其它方面，比如參考鏡頭運(yùn)動(dòng)序列、參考鏡頭的物理源、格式轉(zhuǎn)換、因處理系統(tǒng)未壓縮部分中處理而引起的鏡頭變化以及作為測(cè)量算法的輸入畫面的精確調(diào)整。由錄像機(jī)或其它畫面發(fā)生設(shè)備(提供定義的視頻質(zhì)量)這樣的信號(hào)源向被測(cè)系統(tǒng)提供一組參考序列。包括人類視覺系統(tǒng)瞬態(tài)方面在內(nèi)的畫面質(zhì)量客觀測(cè)量應(yīng)該有大約兩秒鐘的視頻序列。然而，我們也需要一個(gè)專業(yè)觀察者作出主觀評(píng)價(jià)，所以檢測(cè)序列源應(yīng)當(dāng)提供五秒鐘或更長(zhǎng)的連續(xù)視頻，以便重復(fù)或回放進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的觀察。在系統(tǒng)的輸出端，帶有參考序列副本的畫面質(zhì)量測(cè)量?jī)x器會(huì)捕獲有損圖象。參考畫面和有損畫面的過濾、差異和數(shù)據(jù)匯集則通過擴(kuò)展的計(jì)算功能來完成，其結(jié)果由恰當(dāng)?shù)挠脩艚缑婊蛴?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接得到。

被測(cè)系統(tǒng)的輸入是直接測(cè)量技術(shù)中使用的一些短參考序列。也就是說使用實(shí)際畫面而不是檢測(cè)信號(hào)。多重檢測(cè)激勵(lì)源也是模擬或全帶寬系統(tǒng)的使用方式，它在直接或間接測(cè)量中使用一些檢測(cè)信號(hào)。在畫面質(zhì)量測(cè)量中，不同的參考序列代表了系統(tǒng)和各類節(jié)目?jī)?nèi)容的各種應(yīng)用。其中的實(shí)例有：在背景移動(dòng)狀態(tài)下，攝像機(jī)跟拍運(yùn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)； 固定攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)；高清晰度場(chǎng)景；左右搖動(dòng)和放大縮小高清晰度鏡頭；一些壓縮系統(tǒng)難以處理的色彩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、微妙的皮膚顏色和光線；以及包含噪聲內(nèi)容變量的鏡頭。我們要求檢測(cè)內(nèi)容必須是被測(cè)系統(tǒng)能處理或接近其處理能力限度的內(nèi)容。在傳統(tǒng)模擬測(cè)量中已經(jīng)經(jīng)常這樣做了，而強(qiáng)調(diào)視頻壓縮系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)甚至更為重要。雖然中斷壓縮系統(tǒng)或測(cè)量方法的鏡頭對(duì)找尋系統(tǒng)極限有一定作用，但它們不適合于重復(fù)和固定的測(cè)量。

主觀和客觀畫面質(zhì)量測(cè)量的對(duì)比研究通常得出的結(jié)論是主觀結(jié)果有更大的變化性。當(dāng)一個(gè)或更多鏡頭的主觀質(zhì)量和客觀測(cè)量沒有很好的相關(guān)性時(shí)這個(gè)結(jié)論常常會(huì)被強(qiáng)調(diào)。當(dāng)然我們希望開發(fā)一種沒有算法中斷鏡頭的客觀方法，但運(yùn)行良好且能真實(shí)再現(xiàn)的鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)當(dāng)提供有用的結(jié)果。鑒于一些節(jié)目?jī)?nèi)容與當(dāng)今模擬系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果之間沒有很好的相關(guān)性，以及壓縮視頻系統(tǒng)的客觀測(cè)量精度僅達(dá)90%至95%，所以整個(gè)行業(yè)應(yīng)建立多種多樣標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)系列，用于畫面質(zhì)量的客觀測(cè)量。這將允許一些有用而并不一定完美的畫面質(zhì)量測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。ANSI標(biāo)準(zhǔn)定義了一些檢測(cè)視頻會(huì)議系統(tǒng)的鏡頭，還有一些標(biāo)準(zhǔn)組織在致力于定義更廣泛的檢測(cè)鏡頭。重要的是我們應(yīng)有一套標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)鏡頭使測(cè)量數(shù)據(jù)能和不同制造商的檢測(cè)設(shè)備及為相似應(yīng)用設(shè)計(jì)的所有系統(tǒng)緊密聯(lián)系起來。

為了進(jìn)行客觀畫面質(zhì)量測(cè)量，必需確保由兩個(gè)視頻序列送到圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行計(jì)算，即與主觀檢測(cè)相同。也就是說，亮度和色度的增益及直流電平必須緊密匹配。另外，必須有瞬態(tài)時(shí)間調(diào)整和精確的空間調(diào)整。后兩個(gè)要求是因?yàn)樵谧鱌SNR和JND圖象直流度量標(biāo)準(zhǔn)模式時(shí)，需要進(jìn)行視頻幀間差異處理才提出來的。空間調(diào)整要求精確到象素的二十分之一。也可能要求格式轉(zhuǎn)換來作為這一匹配過程的一部分。許多壓縮系統(tǒng)具有模擬復(fù)合NTSC或PAL輸入和/或輸出。由于復(fù)合編碼和解碼會(huì)產(chǎn)生畫面中與壓縮系統(tǒng)無關(guān)的副產(chǎn)物( 雖然它們可能會(huì)影響壓縮編碼器的運(yùn)行)，所以進(jìn)一步需要兩種畫面質(zhì)量測(cè)量?jī)x器：一個(gè)出色質(zhì)量的復(fù)合解碼器和一個(gè)包括副產(chǎn)物在內(nèi)的參考序列。泰克公司進(jìn)行的試驗(yàn)表明，包括復(fù)合編碼和解碼處理程序在內(nèi)的畫面質(zhì)量測(cè)量將趨向?qū)倭繐p傷的壓縮系統(tǒng)作遮蔽測(cè)量，比如說比特率在12Mb/s至15Mb/s范圍內(nèi)的MPEG-2主級(jí)主層(mainpofile@mainlevel)。這是個(gè)合理的結(jié)果，因?yàn)槟切┍忍芈蚀碜罡哔|(zhì)量的娛樂視頻節(jié)目，要么是完美的NTSC/PAL節(jié)目，或者是很好的分量視頻內(nèi)容。那些與復(fù)合信號(hào)不混合并提供Rec.601輸入/輸出的系統(tǒng)可以以JND圖象質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行很小的畫面損傷評(píng)估(適用于演播室節(jié)目制作分配質(zhì)量)。

使用特定的參考鏡頭就意味著要在非工作狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)。這種樣式并不受那些多年來一直使用場(chǎng)消隱檢測(cè)信號(hào)(VITS)的用戶的歡迎。雖然用實(shí)際節(jié)目?jī)?nèi)容在工作狀態(tài)下檢測(cè)對(duì)某些應(yīng)用(監(jiān)視上行位置的直接播放衛(wèi)星系統(tǒng))而言在邏輯上是可16行的，但它可能無法給大多數(shù)不注重系統(tǒng)的節(jié)目提供有意義的結(jié)果。除此之外，操作參數(shù)也不能滿足通常的節(jié)目?jī)?nèi)容。測(cè)量所需時(shí)間是檢測(cè)設(shè)備的一個(gè)重要特性。如果畫面匹配，增益及空間調(diào)整等均會(huì)在節(jié)目?jī)?nèi)容上完成，大量的計(jì)算時(shí)間將用于相關(guān)性計(jì)算。這些是在兩個(gè)視頻鏡頭正確匹配后額外需要的時(shí)間。所以建議在視頻序列中添加一些已知的調(diào)整信號(hào)或校準(zhǔn)條，以便與畫面盡快匹配。我們可以預(yù)見，計(jì)算能力和測(cè)量算法優(yōu)化的未來發(fā)展將允許在那些有參考視頻(輸入)和有損視頻(輸出)的測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下的檢測(cè)應(yīng)用這對(duì)統(tǒng)計(jì)復(fù)用編碼系統(tǒng)非常重要，在那里比特率由具備潛力的節(jié)目分享，節(jié)目中的任何部分可以因?yàn)樵试S的比特率而加強(qiáng)到編碼處理過程中去。

4. 畫面質(zhì)量測(cè)量?jī)x器

對(duì)于畫面質(zhì)量(相對(duì)于參考畫面的損傷程度)客觀測(cè)量的需要已經(jīng)非常迫切。正規(guī)與非正規(guī)的主觀畫面質(zhì)量評(píng)估已經(jīng)用來開發(fā)、檢測(cè)、建立和運(yùn)行當(dāng)今的電視壓縮系統(tǒng)。本文一直強(qiáng)調(diào)繼續(xù)需要使用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，并闡述了客觀測(cè)量畫面質(zhì)量的新方法。

進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問泰克公司http://www.tektronix.com。