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1、面向面向 IPTV 的的 H.264 高清编码视频质量评估高清编码视频质量评估罗斯青 1，肖 晴 2，胡 源 3 （1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中国电信股份有限公司上海分 公司 上海 201200；3.中国电信上海信息产业(集团)有限公司 上海 201200）摘要 高清晰度视频质量能够有效提升 IPTV 的业务体验，但是高清视频对编码速率 和网络条件的要求都很高。本文在 IPTV 环境下，基于 H.264 编码技术，对不同码率下的 高清编码视频进行了主观质量评测，为在现阶段 IPTV 网络环境下开展高清视频业务提供 有效的技术参考。 关键词 IPTV；高清电视；
2、视频质量评估1 引言 高清晰度电视（HDTV）相对目前的标准清晰度节目在图像质量上有质的提升。随着 2008 年奥运会的到来，数字高清电视技术将会逐步得到应用，能够给人们呈现出更加清晰、 更加具有视觉冲击力的高清晰画面。高清晰的图像质量同样也是 IPTV 的发展方向，在现 有 IPTV 业务中增加高清节目，能够显著提升用户对 IPTV 的认知度和业务体验，从而帮助 运营商增加用户数和业务收入。 众所周知，在一定的编码条件下，编码速率越高，图像质量越好，但网络带宽是运营 商的宝贵资源，也是影响实际部署方案的关键参数之一，因此需要对高清编码技术进行研 究和测试，评估为了达到目标图像质量而需要提供的
3、最小网络带宽。 2 相关技术 IPTV 业务是以电视机为显示终端和机顶盒为主要终端，基于宽带网络传送包含视频、 文本、图形等数字多媒体数据，为用户提供业务质量保证的可管理的一种宽带增值业务， 一般也称为“三重播放” （triple play）业务。由于宽带网络的双向特性，IPTV 业务提供给 用户与平台互动的能力，使得以往“我等电视”变成“我点电视” ，同时还带给用户丰富多 彩的宽带信息服务，从而极大提升了用户看电视的业务体验。目前，国际上主要的电信运 营商，包括中国电信都已经部署了 IPTV 的商用网络，其中上海电信已经成为中国最大的 IPTV 本地网，截至 2007 年底用户数已突破 22
4、 万。 HDTV 最早是在 ISO/IEC 13818-2 标准中定义的一种视频图像格式，是 MPEG-2 视频 高级（high level）应该支持的分辨率要求。目前国际上对于 HDTV 的定义尚没有完全统一， 如原 ITU-R 给高清晰度电视下的定义是：一个透明系统，使得一个正常视力的观众在距该 系统显示屏高度的 3 倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印 象。国际规范中规定了两种 HDTV 分辨率格式：1 9201 080 和 1 280720。而 2006 年颁 布的中国数字电视国家标准1则将 HDTV 定义为：图像清晰度在水平和垂直两个方向近似 为模拟电视系统图
5、像清晰度的 2 倍，图像格式为 1 9201 080，图像宽高比为 169，并能 传送数字声音的电视系统。尽管标准未完全统一，但有一点是肯定的，即 HDTV 的图像清 晰度相对于目前模拟电视是质的飞跃。随着 2008 年奥运会的临近，中国已宣布将采用高清 技术向全世界直播北京奥运会。因此，高清晰度已经成为电视业务的发展方向。 H.264 视频编码技术是由 ITU-T 的 VCEG（视频编码专家组）和 ISO/IEC 的 MPEG（活动图像编码专家组）联合组建的 JVT（联合视频组）制定的数字视频编码标准， 在 ITU-T 中称为 H.264，在 ISO/IEC 中称为 MPEG-4 的第 10
6、 部分。H.264 使图像压缩技术 上升到了一个更高的阶段，相比第二代的 MPEG-2 能够在更小的带宽上提供高质量的图像 质量。有研究表明，在同等的画质下，H.264 比上一代编码标准 MPEG-2 能够平均节约 60%左右的传输码流，尤其适合对于图像质量要求高，但带宽资源有限的业务场景，例如 IPTV 业务。全球很多 IPTV 业务运营商都将 H.264 作为节目内容编解码格式的标准，包括比利 时电信，美国 AT&T 以及中国电信等。 3 视频质量评估方法 视频质量的评估主要有主观评价（subjectibe assessment）和客观评价（objective assessment）两种方
7、法，其中主观评价是按照一定的质量标准，由人眼直接观察来评价图像 质量的方法。由于人眼是最终的图像接收者，主观评价被认为是最为准确的评价方法，但 主观评价需要精确的控制，过程复杂，效率低。而客观评价是由工具基于人眼模型和图像 特征，按照一定的算法对图像进行测试并评分，其优点是可靠、可重复、高效率，但难点 在于人眼视觉系统复杂，模型很难准确模拟人眼的视觉感受。 尽管已有多个国际标准化组织在研究视频质量客观评价的标准，但由于人眼系统复杂， 该项工作尚未完成，因此图像质量的优劣还主要采用主观评测的方法。由于是面向 IPTV 应用环境，测试环境与以往数字电视的图像质量主观评价测试有所不同，模拟了 IPT
8、V 高 清实际部署的头端环境。 （1）节目源序列 本文中的测试评估采用了 4 个标准测试序列，每段节目时间长度为 10 s，一共 252 帧 （包含 2 帧灰场信号） ，每个序列的内容及其图像特征如表 1 所示（以上序列色彩空间均为420，录制到 HDCAM 磁带后，作为测试的节目源） 。（2）目标序列和参考序列如图 1 所示，将同样的节目源通过 HD-SDI 接口分别送给 H.264 高清编码器和 MPEG- 2 高清编码器，并对编码的媒体流进行录制，保存为目标序列和参考序列。 目标序列的主要编码参数为： CBR 编码，MPEG-2 TS 封装，H.264 Main profilelevel
9、 4.1/1 9201 08025 f/s，启 用 B-frame、B-slice 和 CABAC 编码，场编码模式，GOP=12。 以上参数相同的情况下，分别设置了不同的视频编码速率。根据目前 H.264 高清编码 技术的现状，本次评估设置了 5 Mbit/s、6 Mbit/s、7 Mbit/s 和 9 Mbit/s 4 组编码速率，结合 不同的序列，得到速率和序列组合不同的共计 16 个目标序列。值得注意的是，以上的速率 均为纯视频内容的编码速率。 参考序列的主要编码参数如下：CBR 编码， MPEG-2 TS 封装，MPEG-2 Main profileHigh level /1 920
10、1 08025 fs，场编码模式，GOP=12，视频编码速率为 20 Mbit/s。 考虑到目前除了在美国有使用 1 280720 的高清分辨率外，世界各国的数字电视以及 新一代高清光盘标准都采用了 1 9201 080 的高清格式标准，我国目前的高清节目也以 1 9201 080 为主，因此本文中主观评测的参考序列和目标序列都采用了 1 9201 080 的分 辨率。 （3）基于 IPTV 的主观评价测试环境 如前文所述，本次评估的目标为 IPTV 高清节目，因此测试环境是在 IPTV 业务环境下 进行，包括了 IPTV 业务平台、IPTV 机顶盒等。基于 IPTV 的高清节目主观评价测试环
11、境 如图 2 所示。主观评测用的显示设备采用 42 寸 LCD 平板电视，物理分辨率支持 1 9201 08050 Hz。考虑到现阶段主流的电视机视频接口配置情况，机顶盒与 LCD 大屏幕之间仍采用 YPbPr 模拟分量线连接，而没有使用 HDMI 数字接口。 由于评价是基于 IPTV 业务环境，因此将录制的目标序列和参考序列发布到 IPTV 平台 上，通过控制点播的方式进行节目回放和主观评测。评测现场的其他环境条件基本参照 ITU-R BT.500-112标准，本文不做详述。 4 评价方法及结果处理 主观评价的方法依据 ITU-R BT.500-11 和 ITU-R BT.710-23，采用
12、 DSIS（double stimulus impairment scale method） ，又叫做 EBU 法，这种方法可以用于图像质量劣化方面 的评价，检测系统的可靠性。评价方法是先播放参考序列，即 MPEG-2 高清序列，再播放 有一定损伤的目标序列，即基于 H.264 压缩方法的不同压缩码率的高清序列，评价员记下 最初的基准图像，再针对后面的测试图像来评价优良程度，一共播放两遍。参加评测的主 要为非专业人员，总人数为 40 人。评价等级采用 5 级损伤制：5，无察觉（imperceptible） ； 4，有察觉，但不讨厌（perceptible but not annoying） ；
13、3，有察觉，有些讨厌（slightly annoying） ；2，讨厌（annoying） ；1，非常讨厌（very annoying） 。最终的评测结果需要进行一致性检验和数据处理。数据处理方法包括计算出每个被测 图像的平均得分、标准偏差和 95置信度区间。使用的公式参照 ITU-R BT.500-11 附件 2.2 节规定，本文不做详述。 5 评测结果及分析 16 个目标序列评测结果如图 3 所示。从最终的测试结果上，利用现有的高清编码器，视频码率设定为 7 Mbit/s 以上时，能 获得较好的主观评价结果，将视频码率再提升至 9 Mbit/s 的测试码流的图像质量相比较 7 Mbit/s
14、 没有显著的改善。通过对测试人员的访谈了解到，原因可能是视频码率 9 Mbit/s 的 图像比较锐利，在运动后反而给人不流畅的感觉。而视频码率 7 Mbit/s 则在平滑度和锐利 度上取得较好平衡，从主观上更容易接受。基于目前 H.264 实时编码技术，为了达到与 MPEG-2 高清相当的图像质量，节目的 视频编码速率不应低于 7 Mbit/s，由于采用了 MPEG-2 TS 协议进行封装，并采用 IP 网络进 行承载，相应的用户端的接入带宽要求不应低于 10 Mbit/s。这样的速率要求对目前 ADSL 接入技术是一个很高的挑战，需要很好的线路质量来支持。未来在大规模部署的情况下， 需要采用
15、 ADSL2+、FTTH 等支持更高速率的技术来承载 IPTV 高清节目。当然，随着 H.264 视频编码技术的不断发展和进步，在相同的节目源和带宽条件下，编码出来的高清 节目图像质量将越来越好。6 结束语 本文主要介绍了在 IPTV 环境下进行的高清图像质量评估测试，该测试将同源的 H.264 高清序列与 MPEG2 高清序列进行了主观质量评测，并根据测试结果提出了在现有编码技 术条件下，为保证图像质量应该采用的最小编码速率指标。 当然，要在 IPTV 网络中部署和实施基于 H.264 的高清节目，需要综合考虑头端编码 技术、IPTV 业务平台和系统、承载网络、用户终端等。为了实现 IPTV
16、 高清节目的现网应 用，在本文相关研究基础上，还需要进一步研究业务平台、承载网络等对于高清节目的支 持能力。相信随着 IPTV 相关技术的逐步成熟，IPTV 高清节目将很快能够得到现网部署和 应用，给用户带来高清晰的视觉体验。 参考文献 1 SJ/T 11324-2006-I.数字电视接收设备术语， 2006 2 ITU-R BT.500-11. Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures（电视图像质量主观评价法） ，2002 3 ITU-R BT.710-2.Subjective assessment of image quality in high- definition television（高清晰度电视图像质量的主观评价） ，1994
