面向IPTV的H.264高清编码视频质量评估.doc

面向IPTV的H.264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；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IPTV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 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 9201 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）；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1SJ/T 11324-2006-I.数字电视接收设备术语，