9.8.2. Измерение качества изображения в цифровых телевизионных каналах с компрессией

Искажения и дефекты телевизионного изображения после компрессии-декомпрессии. В цифровом телевидении отсутствует ряд неприятных для восприятия дефектов на изображении, свойственных аналоговому телевидению. В то же время специфика обработки видеоданных в кодерах цифрового сжатия приводит к появлению других дефектов (артефактов), отсутствующих в исходном изображении. Например, для стандарта кодирования с информационным сжатием MPEG-2 представляют трудность сюжеты с мелкими статическими деталями и сложным движением в других частях изображения, с участками шума, с вращением и изменением масштаба, наплывами, полупрозрачными объектами. Для оценки влияния на качество телевизионного изображения процессов компрессии-декомпрессии рассмотрим более подробно некоторые, чаще всего возникающие, артефакты.

Заметность шумов квантования. Эти шумы, присутствующие и в системах полноскоростного цифрового телевидения, становятся особенно заметными в системах со сжатием.

Потеря разрешающей способности - обусловлена устранением избыточности в первую очередь в высокочастотной части спектра пространственных частот. Мелкие детали либо размываются, либо полностью пропадают в изображении.

Блочность - структура типа шахматной доски. Если кодирующему устройству недостает битов, становится видимой структура блоков ДКП. Блочность особенно заметна, если глаз телезрителя следит за движущимися объектами.

Эффект мозаики - выглядит подобно блочности, но воспринимается как различие яркости в поле соседних блоков, а не на границе. Возникает при слишком грубом квантовании коэффициентов ДКП, когда постоянные составляющие пространственных частот в соседних блоках заметно отличаются.

Шумы типа «москито» - характерны для всех систем с ДКП и квантованием и проявляются на резких границах (например, надписях). При преобразовании из временной в частотную область влияние перепада отсчетов на границе распространяется на весь макроблок, при этом высокочастотные коэффициенты квантуются более грубо, чем низкочастотные. При обратном преобразовании в отсчеты и далее в аналоговый сигнал вдоль первоначальной границы образуется характерный узор.

Окантовка на границах - проявляется как возникновение окантовок на резких перепадах яркости изображения. При нехватке битов в первую очередь обрезаются высокочастотные коэффициенты,, и это может повлиять на форму сигнала яркости вблизи ступеньки - вызвать колебательный процесс на вершине импульса.

Размытие цветов - имеет такую же причину, что и эффект окантовки на границах, но проявляется на участках изображения с резкими скачками в сигнале цветности.

Артефакты, связанные с движением, такие, как подергивание или неправильное расположение блока пикселей, могут появляться в системе, использующей усложненный алгоритм компенсации движения или просто пропускающей кадры из-за нехватки битов.

Ложные границы - если при компенсации движения в опорном кадре заметна блочная структура, то она может переноситься в новый кадр со смещением относительно границ блока (из-за неточности компенсации), появятся ложные границы.

Эффект «грязного окна» - проявляется как полоски или шумы, которые - остаются неподвижными, в то время как объект движется за ними (как будто рассматриваешь сцену через грязное окно). Обычно является следствием недостатка битов для кодирования межкадровых разностей.

Неправильный цвет макроблока, отличающийся от исходного и от соседних макроблоков. Причиной может быть тот факт, что сопряжение блоков ведется только по сигналу яркости. Опорный блок при высокой корреляции по сигналу яркости может иметь совсем другой цвет, и это отражается на цвете предсказанного блока.

Волнообразные шумы - видны при медленном панорамировании по очень детализированной сцене, например, по изображению группы болельщиков на спортивном мероприятии. Как и москито, это результат грубого квантовайия высокочастотных коэффициентов, но движение вызывает рассеяние, и они появляются периодически как детали, движущиеся по блоку ДКП.

Оценка качества изображения методом субъективных экспертиз. Конечной целью телевизионного вещания является удовлетворение запросов телезрителей, поэтому приоритет в оценке качества отдается субъективной оценке. В цифровом телевидении с компрессией роль субъективных методов возрастает. Естественно, что для адекватной оценки качества телевизионного изображения недостаточно мнения одного человека о просмотренном видеоматериале. Разные люди имеют различное представление о качестве, оно зависит также от сюжета. Причем для телевизионного изображения с цифровой компрессией, в отличие от обычного аналогового, недостаточно понаблюдать короткий отрезок сюжета и сделать вывод о всей программе, необходимо просмотреть сюжет полностью.

Таблица 9.4. Структуры шкал Рекомендации МСЭ-Р ВТ.500 для оценки субъективного качества телевизионного изображения

Баллы	Оценка
	качества	ухудшения
5	Отлично	Незаметно
4	Хорошо	Заметно, но не мешает
3	Удовлетворительно	Слегка мешает
2	Плохо	Мешает
1	Очень плохо	Сильно мешает

Субъективные экспертизы качества телевизионного изображения уже много лет проводятся по методикам Рекомендации МСЭ-Р ВТ.500 [18]. В ходе испытаний эталонные изображения оцениваются в баллах группой экспертов, принимающих решение о степени пригодности для данного применения. Методики нормируют виды тестовых изображений, условия тестирования, шкалу оценок и т.п. В группе должно быть не менее 15 экспертов, сеанс показа должен продолжаться не более 30 мин. Если тестирование проводится для оценки качества системы при оптимальных условиях функционирования, используется 5-балльная шкала оценки качества, для оценки ухудшений при неоптимальных условиях работы применяется шкала ухудшений. Структуры обеих шкал приведены в табл. 9.4.

По результатам испытаний проводится статистическая обработка полученных измерений. Объемы экспертизы, в зависимости от поставленной задачи, могут варьироваться от единичных испытаний, проводимых группой из нескольких человек, до широкомасштабных полевых испытаний, проводимых многими сотнями экспертов в течение многих месяцев.

К преимуществам оценки методом субъективных экспертиз можно отнести следующие факторы: удается получить сравнимые результаты для обычных телевизионных цифровых систем и систем с компрессией; получаемая средняя оценка мнений хорошо соответствует широкому диапазону неподвижных и движущихся изображений. К недостаткам этих методов следует отнести необходимость рассматривать большое количество тестовых изображений, значительные затраты средств и времени на подготовку наблюдений и оборудования, трудоемкость организации проведения тестирования. Субъективные испытания в их нынешнем виде применимы только для целей разработки и едва ли могут быть рекомендованы для текущего мониторинга, т.е. повторяющихся измерений для оценки качества подготавливаемых видеоматериалов.

Оценка качества изображения после декомпрессии методом, объективных измерений. Для аппаратурной оценки, качества изображения на выходе цифрового телевизионного канала с компрессией необходимо оценить качество обработки сигнала на передающей и приемной сторонах (операции фильтрации, аналого-цифрового преобразования, устранения избыточности на передающей стороне и обратные операции на приеме). Канал передачи также может вносить искажения типа импульсной помехи, но чаще цифровой сигнал или передается, или не передается. Поэтому единственным критерием качества его работы можно считать достоверность передачи.

Поиски объективных методов оценки качества сосредоточились на двух направлениях:

- поиск цифровых испытательных сигналов, по результатам прохождения которых через цифровой телевизионный тракт можно было бы достоверно судить о влиянии качественных показателей тракта на любое реальное изображение;

- разработка методов непосредственной оценки качества изображения с учетом природы зрительного восприятия человека. Первое направление развивает группа британских компаний во главе с фирмой Snell&Wilcox в проекте ТСМ (Test Card «М» - испытательная таблица «М»). Разработанная таблица содержит набор специально созданных цифровых потоков изменяющейся сложности со строго определенными параметрами. Каждый поток включает один или несколько подпотоков сжатого видео, звука, дополнительных данных. С их помощью можно протестировать устройства обработки компрессированных сигналов. Основное отличие предлагаемых испытательных сигналов от традиционных, статических - это воспроизведение подвижных изображений, которые содержат плавно движущиеся элементы, не прерывающиеся на границах цикла, что позволяет выявить такие дефекты декодирования, как рассыпание кадра, «замораживание», повтор кадров и т.д. Физическим носителем записи испытательных потоков тест-таблицы «М» является диск CD-ROM.

Второе направление в объективной оценке качества представляет анализатор качества изображения PQA-200 фирмы Tektronix (США). Специалисты данной фирмы считают, что для исключения влияния содержания программы на результат измерений следует не оценивать качество изображения непосредственно, а показать, как ухудшилось изображение воспроизводимой сцены по сравнению с эталоном. В результате проведенных исследований разработано два метода объективного измерения качества телевизионного изображения:

- сравнение фильтрованных эталонного и воспроизводимого изображений;

- извлечение особенностей из обоих изображений и их сравнение.

Первый метод - наиболее точный, он использует матричный алгоритм для обработки каждого телевизионного изображения или последовательности в фильтрованное изображение, похожее на исходное, но с меньшим объемом информации. Фильтрованное изображение эталона и испытуемого кадра или сюжета сравниваются по пикселям, и по специальному алгоритму вычисляется оценка.

Второй метод использует математический расчет для извлечения особенностей одиночного изображения (пространственные характеристики) или последовательности изображений (временные характеристики). Объем получаемой информации не превышает нескольких сотен байтов на изображение. Эту информацию нетрудно передать вместе с компрессированным сигналом к удаленному месту испытаний, где она будет использована для сравнения с аналогичными особенностями изображения на выходе канала.

Исследования показали, что первый метод дает лучшую корреляцию с результатами субъективных испытаний.

Разработанный по первому алгоритму анализатор качества изображения PQA-200 работает в режиме сравнения изображений и предлагается как реальная замена субъективных методов оценки с помощью экспертов. Прибор содержит генератор эталонного тестового материала и анализатор. В процессе измерений двухсекундный отрезок тестовой видеопоследовательности пропускается через испытуемый кодер сжатия, записывается в память и анализируется с помощью быстродействующего процессора путем сравнения с оригиналом. Результат выдается в виде числа, называемого оценкой качества изображения (PQR - Picture Quality Rating). В качестве критерия оценки используется восприятие изображения человеком, основанное на модели человеческого зрения.

Оценки, данные прибором PQA-200, весьма близки к оценкам, полученным для тех же сюжетов в результате субъективных тестовых испытаний. Коэффициент корреляции достигает 0,9 [18].

Контрольные вопросы:

9.1. Какими способами телевизионные программы доводятся до телезрителей?

9.2. В каких частотных диапазонах ведется наземное телевизионное вещание?

9.3. Как обеспечивается совместная работа большого количества телевизионных передающих станций?

9.4. С какой целью осуществляется смещение несущих частот передающих телевизионных радиостанций?

9.5. Перечислите основные принципы спутникового телевизионного вещания.

9.6. Расскажите об особенностях спутниковых систем распределения телевизионных программ.

9.7. Как осуществляется непосредственное телевизионное вещание с помощью ИСЗ?

9.8. Перечислите основные преимущества системы спутникового цифрового телевизионного вещания DVB-S.

9.9. В чем заключаются конструктивные особенности приемопередающих устройств системы непосредственного телевизионного вещания?

9.10. Каким способом реализуется условный доступ в спутниковых цифровых приемниках?

9.11. Поясните основные принципы передачи аналоговых телевизионных сигналов по радиорелейным линиям.

9.12. Какие способы построения систем кабельного телевидения Вы знаете?

9.13. Какие схемы построения систем кабельного телевидения на коаксиальном кабеле используются на практике?

9.14. В чем заключаются конструктивные особенности систем кабельного телевидения на основе волоконно-оптического кабеля?

9.15. Расскажите об основных принципах работы источников и приемников оптического излучения.

9.16. Какие способы модуляции находят применение в распределительных сетях систем кабельного телевидения, использующих волоконно-оптический кабель?

9.17. Приведите функциональную схему цифровой мультисервисной сети кабельного телевидения.

9.18. В каких диапазонах частот работают сотовые системы телевидения?

9.19. Дайте общую характеристику сотовым системам телевидения.

9.20. Поясните принципы организации звукового и телевизионного вещания в сети Интернет.

9.21. Каким образом осуществляется оценка качества телевизионных изображений с помощью испытательных таблиц?

9.22. Перечислите основные типы измерительных сигналов системы непрерывного контроля работы телевизионного тракта и дайте их общую характеристику.

9.23. Каким способом производится контроль диаграммы уровней и переходной характеристики телевизионного тракта?

9.24. В чем заключаются преимущества измерения переходной характеристики телевизионного тракта с помощью синусквадратичного импульса?

9.25. Расскажите об особенностях измерения нелинейных характеристик телевизионного тракта.

9.26. Как осуществляется контроль передачи сигналов цветности?

9.27. Какими способами оценивается качество изображений в цифровых телевизионных каналах с компрессией?