Tektronix PQA500 圖像質量分析系統

詳細資料：

特點

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

Tektronix PQA500 圖像質量分析系統

應用

• • CODEC 設計、優化和驗證
  • 性能測試，傳輸設備和系統評測
  • 數字電視質量驗證
  • 視頻壓縮業務
  • 開發和生產數字消費產品

圖像質量分析系統

PQA500是一代的圖像質量分析儀，它是泰克公司在榮獲艾美獎的PQA200/300的基礎上研發的新產品。PQA500采用了基于人類視覺 系統的概念，提供了一整套可重復的、并與主觀人眼視覺評估十分接近的客觀圖像質量測量。PQA500 的客觀圖像質量測量為工程技術人員優化視頻壓縮和圖像重現提供了寶貴的信息，使工程技術人員能夠為用戶和觀看者提供高質量的用載體和分配傳輸業務。

壓縮視頻需要新的測試方法

對電視系統而言，真實的測量應當是觀察者的滿意程度。我們可以通過測量靜態測試信號的失真的方法以間接地表征模擬視頻和全帶寬數字視頻的圖像質量 特性。但是，表征壓縮電視系統的圖像特性則要困難得多。壓縮系統中的圖像質量是隨著數據率、圖像的復雜度以及所采用的編碼算法等的變化而動態地改變。鑒于 靜態測試信號的性質，它不能提供壓縮視頻系統中圖像質量的真實特性。對于壓縮視頻系統圖像質量的測試，雖然可以使用具有自然內容和運動的測試場景，通過人 眼觀察場景以報告圖像質量評估結果。然而，這種評估壓縮視頻系統的方法效率低，也非常不客觀。對于CODEC設計和運行質量的評估而言，憑借人眼觀察的主 觀測試方法是不實用的。在這種情況下，能夠替代圖像質量主觀評估的方法，就是PQA500提供的一種快速的、實用的、可重復的客觀測量。

在傳統上，人眼觀察測試是按照TU-RRec. BT.500-11 所描述的方法進行的。在一密閉的受控環境中播放含有自然內容和自然運動的測試場景，觀察者根據自已對圖像質量的感受給出一差值平均主觀計分或DMOS。使 用這種方法的擴展測試，經整理后可以產生*的主觀評分。不過，這種評估壓縮視頻系統的方法效率低，進行這樣的測試往往需要幾個星期甚至幾個月的時間。進 行這樣的測試，費用也可能是非常高昂的，而且所得到的結果是不可重復的。因此，利用人眼觀察的主觀的DMOS 測試對于CODEC設計是不實用的，對于運行中的質量評估而言，效率也是很低的。而PQA500提供了一種快速的、實用的、可重復的客觀測量， 用它來代替圖像質量的主觀DMOS 評估。

UI Top Image of PQA500
 

系統評測

PQA500 可用于視頻系統中每一部件的安裝、驗證和故障查找，因為視頻技術是不可知的：既然系統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 于視頻質量劣化的評定。不僅可以評測系統中的CODEC技術，而且可以評測具有潛在可見差異的任何過程。例如，可以用來評定數字傳輸錯誤、格式轉換（機頂 盒中的1080i至480p的轉換）、3-2 下拉變換、模擬傳輸劣化、數字錯誤、慢顯示響應時間 （slow displayresponse times）、幀頻降低 （用于移動傳輸和、電視會議） 等，總之，可以評定所有的圖像轉換過程，無論是對它們分別進行評定還是任意的組合評定。

PQA500 是如何工作的

PQA500 采用兩個視頻文件作為它的輸入：一個文件是原始的參考視頻序列，另一個文件是該參考視頻序列經過壓縮、損傷后或經處理過的序列版本。首先，PQA500 對這兩個視頻序列在空間域和時間域中進行校準，在這一過程中無需使用嵌入在視頻序列中的校正條紋（stripe）。而后儀器對基于人類視覺系統和提示模型 （attention models） 的測試視頻的質量進行分析，輸出與主觀評測高度相關的質量測量結果。這個測量結果包括總的圖像質量累計度量值、逐幀的測量度量值以及每幀的損傷映射圖示。 PQA500 也可以提供傳統的圖像質量測量結果，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量測量結果。有了這一功能，就可以為諸如格式轉換之類的各種視頻再應用（repurposing applications）的評測提供支持。例如，DVD創作、IP廣播和半導體器件設計等。PQA500也能為時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換處理的方式，對長度完整的整部電影的圖像質量作出定量分析。

預測人類視覺感受

PQA500 測量系統的開發是基于人類視覺系統模型，并且增加了新的算法規則，從而對PQA200/300 的使用模型作了進一步的改進。利用這種新的擴展技術，就能夠在預測各種視頻格式 （HD、SD、CIF等） 的主觀視頻質量等級時進行傳統的PQR 測量。在測量時計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）。

為了預測在以下各種變化參數的亮度刺激下的宏觀行為響應，已開發了人類視覺系統模型:

• 包括超閾值的 （supra-threshold） 的對比
• 平均亮度
• 空間頻率
• 時域頻率
• 角度范圍
• 時域范圍
• 環繞
• 偏心率 （Eccentricity）
• 方向
• 自適應效應 （Adaptation effects）

利用視覺科學文獻中的參考刺激響應數據，在上述參數的適當組合范圍內已對PQA500 采用的人類視覺模型進行了校正。經過這樣的校正后，該模型就能提供高度準確的預測。

在下面幾個圖形中，提供了與人類視覺特性相關的科學數據示例，它們是用來校正PQA500 人類視覺系統模型的。其中圖 （A） 給出了調制靈敏度與時域頻率的關系曲線，圖 （B） 是調制靈敏度與空間域頻率的關系曲線。有1400多個校正點支持高度準確的測量結果。

圖：調制靈敏度與時域頻率的關系曲線（A）


圖：調制靈敏度與空間域頻率的關系曲線（B）
 

下圖 （C） 為一含有運動場景的參考序列的單幀畫面，圖 （D） 是PQA500 從這個參考序列的原始幀中計算得出的感知對比圖。由感知對比圖可以看出，觀察者是如何感知這個參考序列的。感知對比圖背景的模糊是因為攝像機搖鏡頭時的時 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對比度所產生的掩蔽效應。PQA500創建參考序列和測試序列的感知圖，而后由這兩個感知圖生 成DMOS 圖。

參考圖像（C）


感知模型 （D）
 

用PSNR 比較預測DMOS

在以下的例子中，參考 （E） 是來自Vclips庫文件中的一個場景，（F） 則是通過壓縮系統后的測試圖像，其圖像質量有所降低。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對參考與測試視頻片斷之間的差異進行測量，其結果為PSNR。在PSNR 圖 （G） 中，白色加亮區域給出原始圖像與劣化圖像之間的大差異。PQA500進行的另一種測量是使用預測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。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，為預測人眼關注點 （focus of attention） 提供支持。該模式包:

• 目標的運動
• 人的膚色檢測識別
• 位置
• 對比度
• 形狀
• 尺寸的考慮
• 明顯失真的影響
• 其它錯誤 （編碼參數/ 內容的輔助優化）

用戶可以定制這些提示參數，以強化或忽略某項功能。每項測量均可使用提示模式，可由用戶配置。在評估一些特定應用時，提示模式是特別有用的。例如，如果被評測內容是運動節目，要求觀察者高度關注該場景的一些局部區域。人眼敏感的區域即為提示模式圖示中的加亮區域。

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
• 相對垂直或水平方向的旋轉或邊緣塊效應
• 圖像塊中的邊緣損失或DC 塊效應

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

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

如果邊緣塊加權的DMOS 大于模糊加權的DMOS，那么邊緣塊則是主要的失真，這時也許應當考慮較多地使用去塊效應濾波。

在某些應用中，當邊緣增多時，例如出現振鈴和雜波，它們比其它失真更令人討厭。針對這樣的應用，用戶可以定制加權并進行配置，以反映觀察者的感受，從而改善DMOS 的預測。

同樣地，也可以使用這些失真加權測量PSNR，以確定每一失真對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合使用。舉例來說，這樣我們就可以在有可能出現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
 

全面的圖像質量分析

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

• Critical Viewing （臨界觀察，基于人類視覺系統模型，全參考） 圖像質量
• Casual Viewing （隨機觀察，提示加權，全參考或無參考） 圖像質量峰值信雜比 （PSNR，全參考）
• Focus of Attention （關注點，可運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）
• DC 塊效應 （全參考和無參考）

除了按照默認的ITU BT-500條件進行測之外，用戶還可以通過預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 （統計上的）、關注點（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，有助于優化CODEC參數，使之適合于特定的應用，通過在幾種不同的測量條件 下的測量結果，以進一步研究什么樣的條件會影響圖像質量測量結果。也可以修改預配置的測量組來設置用戶定義的測量條件，然后在配置測量對話菜單中作為一種 附加的測量組保存并調用。