Tektronix PQA500 圖像質(zhì)量分析系統(tǒng)

詳細(xì)資料：

特點(diǎn)

• 快速、準(zhǔn)確、可重復(fù)的客觀圖像質(zhì)量測量
• 基于人類視覺模型的DMOS （差異平均主觀評(píng)分） 測量
• 能夠在各種HD視頻 （1080i、720p）和SD 視頻格式 （525 行或625 行）下進(jìn)行的圖像質(zhì)量測量
• 可用于不同分辨率 （從HD 到SD，或從HD/SD 到CIF） 下的圖像質(zhì)量比較
• 用戶可配置的的觀看條件和顯示模式 （用于基準(zhǔn)測試和比較測試）
• 提示/失真 （Attention/Artifact） 加權(quán)測量
• 時(shí)間域和空間域的自動(dòng)校準(zhǔn)簡便的回歸測試和XML 腳本的自動(dòng)測試
• 提供多個(gè)測試結(jié)果觀看選項(xiàng)
• 可選購的SD/HD SDI 接口
• 預(yù)先安裝的樣本參考和測試序列

應(yīng)用

• CODEC 設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證
• 性能測試，傳輸設(shè)備和系統(tǒng)評(píng)測
• 數(shù)字電視質(zhì)量驗(yàn)證
• 視頻壓縮業(yè)務(wù)
• 開發(fā)和生產(chǎn)數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品

圖像質(zhì)量分析系統(tǒng)

PQA500是一代的圖像質(zhì)量分析儀，它是泰克公司在榮獲艾美獎(jiǎng)的PQA200/300的基礎(chǔ)上研發(fā)的新產(chǎn)品。PQA500采用了基于人類視覺 系統(tǒng)的概念，提供了一整套可重復(fù)的、并與主觀人眼視覺評(píng)估十分接近的客觀圖像質(zhì)量測量。PQA500 的客觀圖像質(zhì)量測量為工程技術(shù)人員優(yōu)化視頻壓縮和圖像重現(xiàn)提供了寶貴的信息，使工程技術(shù)人員能夠?yàn)橛脩艉陀^看者提供高質(zhì)量的用載體和分配傳輸業(yè)務(wù)。

壓縮視頻需要新的測試方法

對(duì)電視系統(tǒng)而言，zui真實(shí)的測量應(yīng)當(dāng)是觀察者的滿意程度。我們可以通過測量靜態(tài)測試信號(hào)的失真的方法以間接地表征模擬視頻和全帶寬數(shù)字視頻的圖像質(zhì)量 特性。但是，表征壓縮電視系統(tǒng)的圖像特性則要困難得多。壓縮系統(tǒng)中的圖像質(zhì)量是隨著數(shù)據(jù)率、圖像的復(fù)雜度以及所采用的編碼算法等的變化而動(dòng)態(tài)地改變。鑒于 靜態(tài)測試信號(hào)的性質(zhì)，它不能提供壓縮視頻系統(tǒng)中圖像質(zhì)量的真實(shí)特性。對(duì)于壓縮視頻系統(tǒng)圖像質(zhì)量的測試，雖然可以使用具有自然內(nèi)容和運(yùn)動(dòng)的測試場景，通過人 眼觀察場景以報(bào)告圖像質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。然而，這種評(píng)估壓縮視頻系統(tǒng)的方法效率低，也非常不客觀。對(duì)于CODEC設(shè)計(jì)和運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)估而言，憑借人眼觀察的主 觀測試方法是不實(shí)用的。在這種情況下，能夠替代圖像質(zhì)量主觀評(píng)估的方法，就是PQA500提供的一種快速的、實(shí)用的、可重復(fù)的客觀測量。

在傳統(tǒng)上，人眼觀察測試是按照TU-RRec. BT.500-11 所描述的方法進(jìn)行的。在一密閉的受控環(huán)境中播放含有自然內(nèi)容和自然運(yùn)動(dòng)的測試場景，觀察者根據(jù)自已對(duì)圖像質(zhì)量的感受給出一差值平均主觀計(jì)分或DMOS。使 用這種方法的擴(kuò)展測試，經(jīng)整理后可以產(chǎn)生*的主觀評(píng)分。不過，這種評(píng)估壓縮視頻系統(tǒng)的方法效率低，進(jìn)行這樣的測試往往需要幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月的時(shí)間。進(jìn) 行這樣的測試，費(fèi)用也可能是非常高昂的，而且所得到的結(jié)果是不可重復(fù)的。因此，利用人眼觀察的主觀的DMOS 測試對(duì)于CODEC設(shè)計(jì)是不實(shí)用的，對(duì)于運(yùn)行中的質(zhì)量評(píng)估而言，效率也是很低的。而PQA500提供了一種快速的、實(shí)用的、可重復(fù)的客觀測量， 用它來代替圖像質(zhì)量的主觀DMOS 評(píng)估。

UI Top Image of PQA500
 

系統(tǒng)評(píng)測

PQA500 可用于視頻系統(tǒng)中每一部件的安裝、驗(yàn)證和故障查找，因?yàn)橐曨l技術(shù)是不可知的：既然系統(tǒng)鏈路中視頻輸入和輸出之間的可見差異是可以量化的，那么就可以把它用 于視頻質(zhì)量劣化的評(píng)定。不僅可以評(píng)測系統(tǒng)中的CODEC技術(shù)，而且可以評(píng)測具有潛在可見差異的任何過程。例如，可以用來評(píng)定數(shù)字傳輸錯(cuò)誤、格式轉(zhuǎn)換（機(jī)頂 盒中的1080i至480p的轉(zhuǎn)換）、3-2 下拉變換、模擬傳輸劣化、數(shù)字錯(cuò)誤、慢顯示響應(yīng)時(shí)間 （slow displayresponse times）、幀頻降低 （用于移動(dòng)傳輸和、電視會(huì)議） 等，總之，可以評(píng)定所有的圖像轉(zhuǎn)換過程，無論是對(duì)它們分別進(jìn)行評(píng)定還是任意的組合評(píng)定。

PQA500 是如何工作的

PQA500 采用兩個(gè)視頻文件作為它的輸入：一個(gè)文件是原始的參考視頻序列，另一個(gè)文件是該參考視頻序列經(jīng)過壓縮、損傷后或經(jīng)處理過的序列版本。首先，PQA500 對(duì)這兩個(gè)視頻序列在空間域和時(shí)間域中進(jìn)行校準(zhǔn)，在這一過程中無需使用嵌入在視頻序列中的校正條紋（stripe）。而后儀器對(duì)基于人類視覺系統(tǒng)和提示模型 （attention models） 的測試視頻的質(zhì)量進(jìn)行分析，輸出與主觀評(píng)測高度相關(guān)的質(zhì)量測量結(jié)果。這個(gè)測量結(jié)果包括總的圖像質(zhì)量累計(jì)度量值、逐幀的測量度量值以及每幀的損傷映射圖示。 PQA500 也可以提供傳統(tǒng)的圖像質(zhì)量測量結(jié)果，例如PSNR （峰值信雜比），以此作為測量典型視頻損傷和失真檢測的基準(zhǔn)損傷診斷工具。

每一參考視頻序列和測試片斷可以有不同的分辨率和不同的幀頻，PQA500可以提供HD 與SD 之間、SD 與CIF 之間或其它組合之間的圖像質(zhì)量測量結(jié)果。有了這一功能，就可以為諸如格式轉(zhuǎn)換之類的各種視頻再應(yīng)用（repurposing applications）的評(píng)測提供支持。例如，DVD創(chuàng)作、IP廣播和半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)等。PQA500也能為時(shí)間長度不受限制的視頻序列片斷測試提供 支持，此外還可以通過各種轉(zhuǎn)換處理的方式，對(duì)長度完整的整部電影的圖像質(zhì)量作出定量分析。

預(yù)測人類視覺感受

PQA500 測量系統(tǒng)的開發(fā)是基于人類視覺系統(tǒng)模型，并且增加了新的算法規(guī)則，從而對(duì)PQA200/300 的使用模型作了進(jìn)一步的改進(jìn)。利用這種新的擴(kuò)展技術(shù)，就能夠在預(yù)測各種視頻格式 （HD、SD、CIF等） 的主觀視頻質(zhì)量等級(jí)時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)的PQR 測量。在測量時(shí)計(jì)入了用于觀看視頻的不同顯示類型 （例如隔行掃描或逐行掃描，CRT 顯示器或LCD 顯示器） 以及不同的觀看條件 （例如房間的亮度和觀看距離）。

為了預(yù)測在以下各種變化參數(shù)的亮度刺激下的宏觀行為響應(yīng)，已開發(fā)了人類視覺系統(tǒng)模型:

• 包括超閾值的 （supra-threshold） 的對(duì)比
• 平均亮度
• 空間頻率
• 時(shí)域頻率
• 角度范圍
• 時(shí)域范圍
• 環(huán)繞
• 偏心率 （Eccentricity）
• 方向
• 自適應(yīng)效應(yīng) （Adaptation effects）

利用視覺科學(xué)文獻(xiàn)中的參考刺激響應(yīng)數(shù)據(jù)，在上述參數(shù)的適當(dāng)組合范圍內(nèi)已對(duì)PQA500 采用的人類視覺模型進(jìn)行了校正。經(jīng)過這樣的校正后，該模型就能提供高度準(zhǔn)確的預(yù)測。

在下面幾個(gè)圖形中，提供了與人類視覺特性相關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)示例，它們是用來校正PQA500 人類視覺系統(tǒng)模型的。其中圖 （A） 給出了調(diào)制靈敏度與時(shí)域頻率的關(guān)系曲線，圖 （B） 是調(diào)制靈敏度與空間域頻率的關(guān)系曲線。有1400多個(gè)校正點(diǎn)支持高度準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

圖：調(diào)制靈敏度與時(shí)域頻率的關(guān)系曲線（A）


圖：調(diào)制靈敏度與空間域頻率的關(guān)系曲線（B）
 

下圖 （C） 為一含有運(yùn)動(dòng)場景的參考序列的單幀畫面，圖 （D） 是PQA500 從這個(gè)參考序列的原始幀中計(jì)算得出的感知對(duì)比圖。由感知對(duì)比圖可以看出，觀察者是如何感知這個(gè)參考序列的。感知對(duì)比圖背景的模糊是因?yàn)閿z像機(jī)搖鏡頭時(shí)的時(shí) 域掩蔽所引起，而跑步者周圍的黑色則顯示出他與背景之間的強(qiáng)對(duì)比度所產(chǎn)生的掩蔽效應(yīng)。PQA500創(chuàng)建參考序列和測試序列的感知圖，而后由這兩個(gè)感知圖生 成DMOS 圖。

參考圖像（C）


感知模型 （D）
 

用PSNR 比較預(yù)測DMOS

在以下的例子中，參考 （E） 是來自Vclips庫文件中的一個(gè)場景，（F） 則是通過壓縮系統(tǒng)后的測試圖像，其圖像質(zhì)量有所降低。與參考圖像 （E） 相比較，測試圖像 （F） 中跑步者周圍的背景有些模糊。用PQA500對(duì)參考與測試視頻片斷之間的差異進(jìn)行測量，其結(jié)果為PSNR。在PSNR 圖 （G） 中，白色加亮區(qū)域給出原始圖像與劣化圖像之間的zui大差異。PQA500進(jìn)行的另一種測量是使用預(yù)測DMOS 算法，它生成的DMOS 感知差分圖由 （H） 表示。利用PQA500的人類視覺模型，您可以觀察到圖像的劣化區(qū)。在這種情況下，圖像中的跑步者的劣化程序不如PSNR 指示的那樣明顯。

參考圖像 （E）


測試圖像 （F）


PSNR 圖 （G）


DMOS 感知差分圖 （H）
 

提示模式 （Attention Model）

在PQA500中，融合了一種新的提示模式，為預(yù)測人眼關(guān)注點(diǎn) （focus of attention） 提供支持。該模式包:

• 目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)
• 人的膚色檢測識(shí)別
• 位置
• 對(duì)比度
• 形狀
• 尺寸的考慮
• 明顯失真的影響
• 其它錯(cuò)誤 （編碼參數(shù)/ 內(nèi)容的輔助優(yōu)化）

用戶可以定制這些提示參數(shù)，以強(qiáng)化或忽略某項(xiàng)功能。每項(xiàng)測量均可使用提示模式，可由用戶配置。在評(píng)估一些特定應(yīng)用時(shí)，提示模式是特別有用的。例如，如果被評(píng)測內(nèi)容是運(yùn)動(dòng)節(jié)目，要求觀察者高度關(guān)注該場景的一些局部區(qū)域。人眼敏感的區(qū)域即為提示模式圖示中的加亮區(qū)域。

提示模式圖的例子：跑步者被加亮
 

失真檢測

在失真檢測 （Artifact Detection） 報(bào)告中給出圖像邊緣處多種不同的變化:

• 邊緣損失或邊緣模糊
• 邊緣增加或振鈴/ 雜波
• 相對(duì)垂直或水平方向的旋轉(zhuǎn)或邊緣塊效應(yīng)
• 圖像塊中的邊緣損失或DC 塊效應(yīng)

失真檢測能以任意組合方式如同主觀和客觀測量的加權(quán)參數(shù)那樣工作。利用這些不同的測量組合，有助于進(jìn)行深入的研究以改善系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。

例如，它有助于回答這樣的問題："較多地使用去塊效應(yīng)濾波（de-blocking filtering）能夠改善DMOS 嗎?"或者，"應(yīng)當(dāng)較少地使用前置濾波處理（pre-filtering）嗎?"

如果邊緣塊加權(quán)的DMOS 大于模糊加權(quán)的DMOS，那么邊緣塊則是主要的失真，這時(shí)也許應(yīng)當(dāng)考慮較多地使用去塊效應(yīng)濾波。

在某些應(yīng)用中，當(dāng)邊緣增多時(shí)，例如出現(xiàn)振鈴和雜波，它們比其它失真更令人討厭。針對(duì)這樣的應(yīng)用，用戶可以定制加權(quán)并進(jìn)行配置，以反映觀察者的感受，從而改善DMOS 的預(yù)測。

同樣地，也可以使用這些失真加權(quán)測量PSNR，以確定每一失真對(duì)PSNR 測量有多大的影響。

上述的提示模式和失真檢測均可以與知測量或主觀測量結(jié)合使用。舉例來說，這樣我們就可以在zui有可能出現(xiàn)特別明顯失真的地方去測量其失真程度到底如何。

失真檢測菜單
 

全面的圖像質(zhì)量分析

PQA500 提供了測試序列和參考序列的質(zhì)量之間的全參考 （full-reference，F(xiàn)R）測量比較和亮度信號(hào)的無參考（ n o -reference，NR） 測量。由無參考測量中的差值， 則可以手動(dòng)進(jìn)行縮減參考（Reduced reference，RR） 測量。這組測量包括:

• Critical Viewing （臨界觀察，基于人類視覺系統(tǒng)模型，全參考） 圖像質(zhì)量
• Casual Viewing （隨機(jī)觀察，提示加權(quán)，全參考或無參考） 圖像質(zhì)量峰值信雜比 （PSNR，全參考）
• Focus of Attention （關(guān)注點(diǎn)，可運(yùn)用全參考和無參考測量）
• 失真檢測 （全參考，但不包括DC 塊效應(yīng)）
• DC 塊效應(yīng) （全參考和無參考）

除了按照默認(rèn)的ITU BT-500條件進(jìn)行測之外，用戶還可以通過預(yù)置和用戶定義的組合方式，例如顯示類型、觀看條件、人類視覺響應(yīng) （統(tǒng)計(jì)上的）、關(guān)注點(diǎn)（focus of attention） 和失真檢測等，使PQA500能夠支持上述測量。利用用戶可配置的條件特性，有助于優(yōu)化CODEC參數(shù)，使之適合于特定的應(yīng)用，通過在幾種不同的測量條件 下的測量結(jié)果，以進(jìn)一步研究什么樣的條件會(huì)影響圖像質(zhì)量測量結(jié)果。也可以修改預(yù)配置的測量組來設(shè)置用戶定義的測量條件，然后在配置測量對(duì)話菜單中作為一種 附加的測量組保存并調(diào)用。