H.265 编 码 视 频 质 量 评 价摘要：本 文 着 重 研 究 了 H.265 编 码 的 高 清 视 频 质 量 评 价 方 法 ， 以 用 于 未 来 测 试H.265 编 码 器 的 性 能 。 根 据 ITU VQEG 的 最 新 研 究 进 展 ， 介 绍 了 高 清 视 频 的 主观 评 价 和 客 观 测 量 方 法 ， 并 且 分 析 了 目 前 已 有 的 客 观 测 量 技 术 的 主 要 实 现 方 法和 与 主 观 评 价 方 法 相 关 度 的 结 果 ， 最 后 给 出 H.265 编 码 视 频 质 量 测 量 技 术 的 发展 建 议 ， 并 指 出 针 对 H.265 编 码 器 的 测 试 ， 实 验 室 环 境 ， 全 参 考 的 方 法 是 首 选 ，而 无 参 考 的 方 法 是 研 究 趋 势 。关键词: H.265 高清视频质量评价 客观测量方法一、引言H.265 视 频 解 码 器 ， 又 称 高 效 率 视 频 编 码 （ HEVC， High Efficiency Video Coding） ， 是 JCT-VC ( The Joint Collaborative Team on Video Coding )正 在 设 计 的 最 新视 频 编 码 算 法 ， 以 取 代 目 前 用 于 高 清 和 全 高 清 （ 19201080） 视 频 编 解 码 的 H.264 标 准。 通 过 运 动 图 像 专 家 组 （ MPEG， Motion Picture Experts Group） 和 ITU-T 的 协 作 努 力， 目 前 H.265 已 经 完 成 草 案 ， 预 计 在 2013 年 初 发 布 标 准 。 据 H.265 的 发 言 人 ， 新 的 视 频标 准 在 数 据 传 输 和 码 流 效 率 上 较 之 前 的 编 码 算 法 ， 将 提 高 67 。 针 对 网 络 传 输 流 媒 体 的分 辨 率 越 来 越 大 ， 对 于 带 宽 要 求 也 越 来 越 高 的 情 况 ， H.265 可 提 供 类 似 质 量 下 更 小 的 码率 。H.265 标 准 发 布 后 ， 对 于 不 同 厂 家 H.265 编 码 器 的 测 试 将 是 非 常 艰 巨 的 任 务 。 如 何 准确 的 测 量 H.265 编 码 的 视 频 质 量 ， 是 值 得 探 讨 和 研 究 的 。 目 前 测 量 编 码 器 的 效 果 ， 多 用 测量 编 码 后 的 视 频 质 量 来 反 应 。 针 对 H.265 编码后的高清视频，应着重研究高清视频的质量评价技术。目前比 较 常 用 的 视 频 质 量 客 观 评 价 标 准 是 PSNR。 PSNR 是 最 普 遍 ， 最 广 泛 使 用的 评 价 视 频 质 量 的 客 观 测 量 方 法 ， 不 过 许 多 实 验 结 果 都 显 示 ， PSNR 的 分 数 无 法 和 人 眼 看到 的 视 觉 品 质 完 全 一 致 ， 而 对 于 PSNR 来 说 ， 有 可 能 PSNR 较 高 者 看 起 来 反 而 比 PSNR 较低 者 差 。 这 是 因 为 人 眼 的 视 觉 对 于 误 差 的 敏 感 度 并 不 是 绝 对 的 ， 对 于 高 清 视 频 ， 由 于 分 辨率 较 高 ， 人 眼 对 于 细 节 的 敏 感 度 有 可 能 降 低 ， 比 如 几 个 图 像 边 缘 像 素 的 损 伤 ， 比 起 同 样 视频 低 分 辨 率 的 来 说 就 显 得 微 不 足 道 。 同 样 视 频 低 分 辨 率 格 式 的 和 高 分 辨 率 格 式 的 PSNR一 样 的 情 况 下 ， 高 分 辨 率 的 人 眼 观 看 质 量 感 觉 会 更 好 些 。所 以 客观测量方法结果如何尽量逼近主观评价的结果，是视频质量评价的研究重点。下面 章 节 将 首 先 介 绍 高 清 视 频 的 主 观 评 价 技 术 ， 然 后 根 据 ITU 目 前 已 有 的 客 观 测 量 方 法 标准 化 工 作 ， 分 析 高 清 视 频 质 量 客 观 评 价 技 术 ， 最 后 给 出 H.265 编 码 视 频 质 量 测 量 技 术 的发 展 建 议 。二、主观评价技术主 观 评 价 ， 即 组 织 一 定 数 量 的 观 看 者 ， 根 据 自 己 观 看 视 频 的 感 官 ， 为 视 频 质 量 打 分 。高 清 视 频 （ HDTV） 的 主 观 评 价 技 术 ， 参 见 ITU-T P.9101， 一 般 采 用 ACR HR（ The Absolute Category Rating scale method with Hidden Reference） 的 方 法 ， 同 一 时 间只 显 示 一 个 视 频 ， 可 以 是 原 始 无 损 伤 视 频 SRC (Source Reference Channel or Circuit)， 也 可 以 是 编 码 后 的 损 伤 视 频 PVS （ Processed Video Sequence） ， 如 图 1， 一 般 显示 时 间 为 10s。图 1 主 观 评 价 视 频 显 示 间 隔然 后 观 看 者 根 据 表 1 给 视 频 级 别 给 视 频 打 分 ， 如 图 1， 一 般 情 况 下 ， 先 显 示 原 始 没 有损 伤 的 视 频 ， 然 后 显 示 损 伤 视 频 。 打 分 软 件 后 台 对 分 数 进 行 分 析 ， 可以取 SRC 与 PVS 之差 DMOS（Difference Mean Opinion Score）值，也可以只取 PVS 的分值 MOS 值。某个视频最终的 DMOS 和 MOS 值取参与打分者的平均值。5 Excellent4 Good3 Fair2 Poor1 Bad表 1 视 频 感 官 质 量 等 级根 据 ITU-R BT.500-12， 在 一 般 情 况 下 ， 对 于 分 辨 率 为 高 清 （ 1080p） 的 视 频 ， 每 位观 众 坐 在 直 接 观 看 距 离 等 于 三 倍 画 面 高 度 的 地 方 （ 即 3H=3*1080） 观 看 视 频 。 对 于 高 清视 频 来 说 ， 显 示 终 端 比 较 统 一 ， 统 一 采 用 HDTV 或 LCD 显 示 器 。三、客观测量技术客 观 测 量 方 法 的 结 果 应 尽 量 逼 近 主 观 评 价 的 结 果 ， 即 客 观 测 量 的 DMOS 或 MOS 值 ，应 与 主 观 评 价 的 DMOS 或 MOS 值 有 较 高 的 相 关 度 。 目 前 ， 最 简 单 的 客 观 测 量 方 法 ， 就 是 PSNR， 但 是 效 果 不 理 想 。 除 此 以 外 ， 全 参 考 测 量 （ Full-Reference, FR） ， 部 分 参 考 测量 （ Reduced-Reference, RR） 和 无 参 考 测 量 （ No-Reference, NR） 是 目 前 国 际 研 究 的 重点 视 频 质 量 客 观 评 价 方 法 。 FR 因 为 有 源 视 频 可 以 参 考 ， 所 以 适 合 在 实 验 室 环 境 和 终 端 可以 获 得 源 视 频 的 情 况 下 。 RR 和 NR 适 合 实 时 的 没 有 源 视 频 作 为 参 考 的 情 况 下 。 目 前 ， FR可 以 达 到 与 主 观 测 量 较 高 的 相 关 度 。 NR 和 RR 与 主 观 评 价 的 相 关 度 不 理 想 。 以 下 章 节 首 先介 绍 客 观 测 量 技 术 的 标 准 化 现 状 ， 然 后 详 细 分 析 这 几 种 客 观 评 价 方 法 。1.标准化现状ITU 的 VQEG （Video Quality Experts Group）从 1997 年开始致力于视频质量评价标准的研究，由 ITU-T SG 12, SG 9, 和 ITU-R 11E (now 6G)的专家组成，根据视频分辨率（SDTV，HDTV，Multimedia）分成 3 个小组进行工作，对每种分辨率视频质量的测量技术进行测试和评估。有关高清视频的客观质量评价方法在 HDTV 小组中研究。目前 HDTV 小组完成了高清视频第二阶段的测试报告，还没有发布最后的标准，报告包括了主观评价实验和客观测量方法的测试，基于大量的视频序列实验，分析了参与实验的各个机构的客观测量方法与主观评价的相关度，为今后的标准化和相关研究人员作为参考。报告中参与实验的视频格式有四种 1080i 60 Hz (30 fps) , 1080p (25 fps), 1080i 50 Hz (25 fps) , 1080p (30 fps)。编码算法：MPEG-2，H.264 (AVC high profile 和 main profile)。码率 130Mbps。报告给出了 6 个客观测量方法的性能测试结果，并与 PSNR 做比较，其中全参考的模型有 5 个，部分参考的有 1 个，而提交的无参考的方法，由于都不是很成熟，最终没能进行测试。以下章节将介绍报告中的参与测试的客观测量方法。2. PSNRPSNR，Peak Signal to Noise Ratio，即峰值信噪比，严格意义上说 PSNR 是属于全参考测量方法的，但由于其算法理念与现在全参考算法很不相同，所以单独分析，目前的客观测量方法多与 PSNR 比较，一般与主观评价相关度比 PSNR 高的模型被看做性能比较好。高清视频的 PSNR，根据 ITU-T J.340，首先根据公式（1）,找到使得 MSE 最小值的 Gain(xS,yS,tS) 和 Offset(xS,yS,tS)，公式 （1）其中三维矩阵 O 和 P 代表源视频和处理后的视频，SROI 为视频的图像像素计算区域 ，TROI 为视频的序列的时长，x 和 y 是图像的像素坐标，t 为视频序列的某一帧，xS, yS 和 tS 为三个不同维度的偏移步长。然后计算公式（2），获得 PSNR 值。公式（2）其中 R 像素的宽度，比如，如果是 8bit 的视频，R 的值就是 8,10bit 的视频，R 的值就是 10。3.全参考测量方法（FR）图 2 全参考测量方法如图 2，是一个典型的视频质量全参考测量方法示意图，如果只对编码器进行测量，那可以看做传输无损的视频质量测量。全参考测量方法以原始的（没有损伤的）视频作为参考，将损伤视频和其作比较，分析两者的视频特征参数，然后确定特征参数与 DMOS 值之间的映射关系，从而完成对损伤视频的质量测量。对于编码器损伤，特征参数一般选择影响观看者视觉感受的信息，主要包括视频格式、图像感官参数、图像内容参数、视觉参数等，具体的参数见表 2。表 2 客观测量特征参数表视频格式 图像感官参数 图像内容参数 视觉参数码率 块效应 运动复杂度 视觉掩盖效应帧率 模糊 纹理复杂度 视觉锐度噪声 对比度抖动 跳帧 黑屏 停顿 大多数研究机构和厂家的全参考测量方法是根据不同的业务应用，组合不同的特征参数，基于各种数学模型，确定特征参数映射到 DMOS 函数。报告中参与 FR 测量方法测试的模型有 5 个，分别是 NTT 的 HVS 算法，OPTICOM 的 PEVQ 模型，Swissqual 的 VQuad-HD 模型，Tektronix 的 HDTV FR 模型，Yonsei 的 FR 模型，这 5 个模型的主要实现方法和结果如下： NTT 主要采用基于 HVS 的算法，与主观评价的相关度，其对大部分视频的测量结果要优于 PSNR，但是对个别视频的结果不如 PSNR，PSNR