视频质量的主客观评估方法研究

西安电子科技大学
硕士学位论文
视频质量的主客观评估方法研究
姓名：李健
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：常义林
20090101
第一章绪论
第一章绪论
１．１引言
２１世纪是一个数字信息时代，数字信息化几乎涉及到世界的各个角落，改变了人类的生活和工作方式。

以多媒体和网络为依托的信息技术已成为拓展人类能力的创造性工具。

信息化的一个主要特征就是多媒体技术的广泛应用，随着多媒体业务的不断拓展，多媒体技术已成为工业界和学术界的一个研究热点。

同时，超大规模集成电路技术、数字信号处理技术、双通道ＶＲＡＭ（ＶｉｄｅｏＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）和网络技术的飞速发展，有效地促进了数字视频压缩算法和视频处理器结构的改进，使得多媒体技术的实际应用成为可能。

多媒体内容丰富，包括文字、声音、图像、图形和视频等数据，信息容量大，表达能力强，它代替单一的语音通信模式已是不可阻挡的趋势。

以ＩＭＴ－２０００标准为核心的第三代（３Ｇ）移动通信系统有效地改善了通信网的通信质量和通信带宽，它以及第四代和后四代移动通信追求的主要目标之一就是实现多媒体业务。

视频又是多媒体信息中最重要的成分，它具有直观、形象、准确、高效和应用广泛等特点，但视频信息的庞大数据量对通信系统中有限的带宽和存储空间提出了严峻的挑战【ｌ】。

因此，视频数据的高效压缩意义重大，是降低存储成本，缓解网络带宽，突破存储空间和处理器主频限制的关键技术。

目前，绝大部分视频压缩算法采用有损压缩方法去除视觉冗余信息，但压缩后视频牺牲了信源的部分信息，由于经过编码压缩后的视频流或视频片段的质量直接反映了改压缩算法或压缩算法的性能，因此视频质量评估成为一个非常值得关注的问题【２Ｊ。

数字视频质量评估对于视频处理、压缩和视频通信等领域起着十分重要的作用：它可以实时或非实时的监控视频系统的性能和各种视频传输信道的ＱｏＳ（Ｊ］艮务质量），并给出反馈以调节编解码器或信道的参数，保证视频质量在可接受的范围内；对各种不同的编解码器的编解码输出视频质量给出易于理解的定量的量度，便于对编解码器的性能进行设计、评估和优化；视频质量评估还可以设计、优化符合人的视觉模型的图形图像显示系统【３１１４１。

传统的针对模拟信号的视频质量评估方法是测量诸如信号幅度、定时关系、信噪比之类的物理参数。

某些情况下，为了表征信号传输和处理中的各种线性和非线性失真，在视频中插入静态测试信号并在接收端进行分析，这种方法得到的数值与主观质量的相关性很好，并已经制定了相关的标准。

视频质量的主客观评估方法研究
随着数字视频压缩技术的引入，传统的视频质量评估方法已无法适应新的应用要求。

一方面，数字视频压缩算法的设计目标与模拟算法不同，它不是尽可能的复制原始信号波形，而是在视觉效果上逼近原始图像，因而无法用波形的相似程度来衡量质量的好坏；另一方面，由于带宽和速率上的限制，压缩后的视频去除了大量的针对人眼的冗余信息，其质量很大程度上依赖于视频本身的内容。

另外，诸如方块效应、闪烁、边缘模糊现象等影响，使得对数字系统的视频质量评估更加困难，因而需要针对数字视频系统的特点，设计新型的质量评估方法【５】。

近年来，针对数字视频质量提出了很多评估方法，这些方法主要可以分为两类：主观评估和客观评估。

因为人眼是很多数字视频系统的接受者，因此采用人眼直接观察视频质量的主观评估方法是最为直接的方法，此方法已长期被应用于实践，但是该方法必须提供严格的测试环境，考虑大量的影响因素和可能性，因而实现起来步骤复杂，代价昂贵，可移植性差。

客观评估方法主要是在计算机上运行成熟的算法，以估计人眼进行观察的视频质量，它与主观评估相比，具有速度快、费用低和可以嵌入到数字视频通信系统等优点，因此比较实用，是目前常用的视频质量评估方法。

但是，由于现有的客观评估算法没有考虑人眼的视觉特性，在某些情况下，会出现主客观质量评估不相符的情况，因此，如何寻找一种能够将主客观评估方法结合起来的新的视频质量评估准则，已经成为该领域专家学者的重点研究方向。

１．２视频质量评估工作的发展历程
国际标准化研究机构非常重视视频质量评估的研究，曾经参与视频质量评估研究的标准化小组有：ＩＴＵ．Ｔ的ＳＧ９和ＳＧｌ２；ＩＴＵ．Ｒ的ＷＰ６Ｑ；ＩＥＥＥ的广播技术协会。

１９９７年１０月，视频质量专家组ＶＱＥＧ在意大利都灵成立，成员主要来自ＩＴＵ—ＲＳＧＩ１，ＩＴＵ－ＴＳＧ９和ｌＴＵ．ＴＳＧｌ２。

ＶＱＥＧ的工作框架是对视频质量客观评估方法进行研究，并向相关标准化组织推荐性能突出的方法作为候选标准。

１９９８年５月，ＶＱＥＧ通过了视频质量主观评估法的测试计划。

测试主观评估法的目的就是为提交测试的客观评估法的测试提供视频质量数据。

客观评估的优劣及准确性，只能通过和主观测试的结果相比较才能得到结论。

与此同时，ＶＱＥＧ推出了不同环境下视频质量客观评估法的测试计划。

１．ＶＱＥＧ第一阶段ＦＲ．ＴＶ测试
２０００年５月，ＶＱＥＧ发布了ＦＲ．Ｔｖ组第一阶段测试报剖６１。

在报告中，ＶＱＥＧ对１０中不同研究机构提交的客观评估模型及常用的ＰＳＮＲ模型进行了测试，对各种方法测试的数据与主观评估测试的数据作了相关性分析，其中有７种模型得到了较好的结果。

８视频质量的主客观评估方法研究
即便存在着上述的缺点，主观质量评估仍是衡量视频质量最为重要的手段之一。

在各类视频编码标准制定的过程中，主观质量的评估也贯穿始终【Ｉｏ】。

２．２视频质量客观评估方法
由于主观视频质量评估过于复杂且结果易受多种因素影响，使得主观评估无法适应当前多数视频应用场合。

因此，在实际应用中需要一种客观、易实现的视频质量评估方法。

客观评估方法就是利用数学模型测量视频质量，它与主观评估方法相比，具有速度快、费用低、易于实现、自动实时监控和可以嵌入到数字视频通信系统等优点，因此比较实用，是目前常用的视频质量评估方法并已成为当前视频质量评估研究的重点。

大部分的视频应用当中，人是最终的视频接受者，人对视频质量的主观感受最为真实和准确，所以在相同的视频序列和相同的条件下，就要求任何客观评估的结果都应与主观评估结果具有很好的相关性。

２．２．１视频质量客观评估典型模型分析
对于一个视频质量客观评估方法来说，关键的是找到一个或几个最合适的视频质量量度来衡量视频质量的好坏。

根据失真视频与其相应的原始参考视频的需要程度，可以把视频客观质量评估方法分成三大类：全参考视频质量评估方法，部分参考视频质量评估方法和无参考视频质量评估方法。

１）全参考视频质量评估方法
全参考视频质量评估模型（Ｆｕｌｌ．Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）必，须完整提供原始视频信息和失真视频信息。

评估模型结构如图２．４所示。

评价结果
图２．４全参考视频质量评估模型框图
这种评估方法比较适用于对视频编解码系统性能测试、比较和优化的场合，也是目前研究成果比较多的评估方法。

例如目前广泛使用的峰值信噪Ｌｌ＇，（ＰｅａｋＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ，ＰＳＮＲ）等。

原始参考视频序列可以提供大量的参考信息，有
１０视频质量的主客观评估方法研究
估视频质量以及基于神经网络的评估方法等。

尽管存在上述多种视频质量客观评估方法，且广泛的应用在视频通信系统中，但由于各种限制，相对于主观评估方法来说，客观评估方法更多的是表明失真序列相对于原始序列的失真程度，而不是表示出视频序列的真正质量，因此有必要进一步深入研究主客观相结合的视频质量评估方法。

２．２．２基于数学统计特性的评估方法
１）均方根误差（ＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ，ＭＳＥ）定义为原始视频序列ｆ（ｍ，ｒｌ，ｋ）与失真视频序列五（ｍ，ｎ，ｋ）之间的均方误差，即
ＭｓＥ２瓦杀否萎荟［石（聊＾∞一正（聊＾七）】２式（２－１）式（２．１）中，Ｋ为视频序列的帧数，Ｍ×Ｎ为图像的大小，ＫＭＮ为视频序列的总像素数。

归一化均方误差（ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ，ＮＭＳＥ）是一种基于能量归一化的测量方法，定义为：
脚＝∑∑∑［彳（聊，刀，ｋ）－ｆ２（ｍ，，ｚ，尼）】２／∑∑∑［ｆｌ（ｍ，甩，七）ｒ
女５０所。

０月２０＾。

０朋。

ｏ”２０式（２－２）２）另一种常用的视频序列客观评估方法是峰值信噪比（ＰｅａｋＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ，ＰＳＮＲ），其定义为：
厂２
雕撇＝１０１９—广１可可—上竖—————＿式（２．３）
面杀荟善善【石沏以后）一五（ｍ＾七）】２式（２—３）中，Ｌ为视频信号的峰值，对每个彩色分量通常取Ｌ＝２５５。

在这里彳（ｍ，ｒｌ，ｋ）代表原序列在第ｋ帧中位于（ｍ，ｎ）处的像素值，五（聊，刀，ｋ）代表失真序列中位于第ｋ帧（所，以）处的像素值。

ＰＳＮＲ的计算是基于独立的像素差值，忽略了序列内容和观测条件对失真可见度的影响，因此它往往和主观感知的视频质量的一致性较差。

３）规范化误差（ＮＥ，ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｒＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＥｒｒｏｒ）：
∑∑【厂（研，ｎ）－ｆ’（肌，刀）】２
式（２＿４）
∑∑ｌｆ（ｍ，刀）Ｉ
ｍ＝ｌｎ＝ｌ
这种方法的优点在于它的简明性，适用于低明暗度的图像，这是由于低明。