数字视频的全面认识和分层测试_邓向东 下_

数字视频的全面认识和分层测试（下）◎　邓向冬国家广电总局广播电视规划院中心研究所　所长（上接第７期６４页）５　表示层从一般意义上讲，表示层包括代码的处理，例如，转码、压缩、加密等。

具体到数字视频系统就是跟无压缩视频和压缩视频表示相关的内容。

因此，可以把ＧＢ／Ｔ　１４８５７－１９９３和ＧＹ／Ｔ　１５５－２０００中有关的语义部分归入表示层（并非严格意义上的），包括：有效样点数、总样点数、有效行数、取样结构、量化级、ＰＣＭ编码方式、码字用法等。

在与这部分相关的测试中，出现不合格频率最高的项目是有效行缺失和有效样点缺失。

不少厂家的编码器、解码器、转码软件、播出服务器等设备或软件输出的有效样点变成了７０４或６４０个，有效行缺失了１６行、２４行或更多，这样会导致台标、字幕、画面内容不完整或清晰度下降，并且这些不符合标准的设备可能会引起下游系统的潜在问题。

即使在一些大台的播出系统验收测试中，我们也经常发现有这样的设备，而且还是很知名的品牌。

对于压缩视频，我们把与传输有关的传输流ＴＳ层划到数据链路层，把基本流ＥＳ层归到表示层。

没有把ＥＳ归到应用层，是为了突出ＥＳ的基础性作用。

这部分的相关标准有：（１）　ＧＢ／Ｔ　１７９７５．２－２０００《信息技术　运动图像及其伴音信号的通用编码　第２部分　视频》（ＭＰＥＧ－２）（２）　ＧＢ／Ｔ　２００９０．２－２００６《信息技术　先进音视频编码第２部分：视频》（ＡＶＳ）（３）　ＩＴＵ－Ｔ　Ｈ．２６４ 《Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｖｉｄｅｏ　ｃｏｄｉｎｇ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒｉｃａｕｄｉｏｖｉｓｕａｌ　ｓｅｒｖｉｃｅｓ》（４）　ＳＭＰＴＥ　４２１Ｍ　《ＶＣ－１　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　Ｖｉｄｅｏ　ＢｉｔｓｔｒｅａｍＦｏｒｍａｔ　ａｎｄ　Ｄｅｃｏｄｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ》对这部分应进行的测试项目有：Ｐｒｏｆｉｌｅ／Ｌｅｖｅｌ语法符合性、句法符合性，有效样点、ＧＯＰ／ＶＯＰ分析（ＶＯＰ是视频对象层面Ｖｉｄｅｏ　Ｏｂｊｅｃｔ　Ｐｌａｎｅ，与ＭＰＥＧ－２中的ＧＯＰ原理相似），ＶＢＶ／ＨＲＤ等各种缓存测试、量化值分析、运动矢量分析、宏块分析等。

由于数字视频自身包含的巨大数据量和分析所需要的庞大计算量，这些项目的测试以及数据解读也相当复杂，目前较好的测试设备有罗德与施瓦茨公司的ＤＶＭ　４００等，都需要购买相应的选件。

对我们近年测试结果的统计，除语法符合性、句法符合性出现错误之外，常见的不合格项目是解码缓存错误，尤其是与Ｈ．２６４、ＭＰＥＧ－４有关的设备。

ＭＰＥＧ－２采用的是视频缓存校验器ＶＢＶ模型（Ｖｉｄｅｏ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｖｅｒｉｆｉｅｒ），由ＧＢ／Ｔ　１７９７５．２的附录Ｃ规定；而Ｈ．２６４使用了ＨＲＤ模型（Ｈｙｐｏｔｈｅｔｉｃａｌ　Ｒｅｆ－ｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｃｏｄｅｒ），由ＩＴＵ－Ｔ　Ｈ．２６４的附录Ｃ规定。

缓存溢出作为一种常见问题，会导致一些接收解码芯片在某些条件下解码出错。

图３表示了ＩＢＰ帧情况下，ｌｏｗ＿ｄｅｌａｙ等于０，存在帧重排延时，正常的缓存占用情况。

从图３可见，存在问题的压缩码流会导致图像解码时缓存发生上溢或下溢，ＥＳ分析可以准确地发现此类问题，例如，ＭＰＥＧ－２规定的标清最大总ＶＢＶ缓存为１７９２ｋｂ，高清最大总ＶＢＶ缓存为９５５２ｋｂ；Ｈ．２６４的ＨＲＤ规定则较为复杂，需要根据多个参数进行确定。

当被测设备输出的压缩视频码流需要解码器的缓冲区占用超过标准规定值，就会引起解码出错，尽管ＭＰＥＧ－２、Ｈ．２６４都提供了多种掩盖办法，对于一般图像内容在短时间内不易看出，但对于广播电视系统而言是不允许出现这种错误的，特别是接收解码设备存在多种型号且无法控制，所以在视频压缩系统中应作为重点进行测试。

６　应用层对于数字视频来说，应用层的测试内容可以分为：纯客图３ ＢＰ帧存在帧重排延时的缓存占用示意观测试、图像质量主观评价的客观化测试和主观评价这三类。

一些具体的应用系统由相对应的标准另行规定它们专用的测试项目和方法。

６．１　纯客观指标测试（１）传统指标测试的意义和作用如果把数字视频看作是个通道，承载的图像内容是应用的话，那么可以把经过数字通道以后的模拟指标归入此类，例如，视频幅度、幅频特性、非线性失真、信杂比、Ｋ系数、时延、矢量幅度／相位误差等。

同时，测试者应该注意到如果此数字通道仅仅是个无任何处理的ＳＤＩ简单通道，根据数字域的基本特性，只要没有误码，进去“０”，出来还是“０”，进去“１”，出来还是“１”，每一个码字都完全对应。

在这样的情况下，只要进行误码性能测试即可，如果对这样的通道还去测试幅频特性、非线性失真、信杂比就真的是闹笑话了，是对数字电视原理不了解。

另一方面，在实际的系统中往往存在着一些处理和变换，其中间环节可能包括比特变换、数模／模数转换、压缩编解码、色域变换等各种各样的信号处理过程。

这些处理是完全可能带来图像质量下降的，如何来衡量信号的损伤，历经多年实践检验的传统测试项目还是具有重要意义。

在这样的情况下，可以方便、准确地发现问题。

（２）视频通道的ＡＢ分类为了全面地考察和评价，按照通道特性和测试要求的不同，我们可以将数字视频通道分为以下Ａ、Ｂ两种类型：①Ａ类为不带复杂视频信号处理（如压缩编解码等）的通道，通常为演播室视频通道、不含视频服务器的播出通道等。

这种类型的通道由于不经过压缩编解码等复杂视频信号处理过程，通常图像质量损伤很小或者无损伤。

②Ｂ类为带复杂视频信号处理（如压缩编解码、色域变换等）的通道，通常为网络制作通道、硬盘播出通道、网络制播通道等。

这种类型的通道由于经过了压缩编解码或色域变换等处理，图像质量损伤相对较大。

对于Ａ类，我们认为，只要测试传输特性，确保没有误码即可；而对于Ｂ类，应该测试视频幅度、幅频特性、非线性失真、信杂比等重要传统指标。

下面举３个例子：在一次高清系统测试中，高清信号经过了某高清录像机后，信号幅频特性测试显示，亮度信号的带宽不足１０ＭＨｚ，而高清标准规定的亮度取样频率为７４．２５ＭＨｚ，标称的亮度信号带宽应为３０ＭＨｚ，明显在该录像机中使用了截止频率小于１０ＭＨｚ的低通滤波器或者是进行了下变换（从１９２０到１０２４、１４４０或其他）再作上变换，使高清图像的清晰度大打折扣。

对这些情况，传统的幅频特性是最为简健、有效的测试手段。

在对国外某知名厂家的播出服务器测试中，给其送入静态测试信号，如多波群、２Ｔ、五阶梯等，都出现了Ｙ和Ｐｂ分量正常，而Ｐｒ分量变形、不正常的现象。

后来发现是软件程序上存在Ｂｕｇ，检查后进行了软件升级。

一次对多个厂家多种型号的机顶盒测试中，发现采用同样芯片的３种机顶盒输出图像质量差别很大，后来在测试发现其中２种机顶盒的视频幅频特性和视频信杂比都不合格。

对于这些的数字电视系统，传统的考核体系仍然具有重要的参考价值，可以帮助我们发现很多问题。

切不可认为使用数字电视系统，传统的指标就没用意义和用处了；当然也不可对数字系统的原理和特性视而不见，还仅仅测试原来的模拟指标。

（３）测试信号（容易忽略的要点）在对数字视频通道的通道视频特性进行测试时，有一点是必须注意的，即测试使用的测试信号应该是“合法”、“有效”的信号，特别是存在色域变换的系统，ＹＵＶ到ＲＧＢ、ＲＧＢ到ＹＵＶ的处理将使得五阶梯等“非法”信号彻底变形，而这并不一定是被测系统不合格。

这个问题在业界争议已久，我们接到过很多电视台的询问，以及几乎所有的非编厂商对用户不理解的抱怨。

对于一些使用了ＲＧＢ域进行处理的非编等系统来说，由于摄像机的原始信号来自ＲＧＢ域，虽然后来转为ＹＵＶ域输出，但其自身是不会输出超限信号的，所以从这个角度看，我们应该允许非编工作站的内部处理，因为它们确实不会对真实的视频信号产生变形。

当然转换和处理的视频质量损失，可以另外通过活动测试图像序列等进行评价。

所以在视频通道测试时，如果发现输出信号异常，应首先检查是否是使用了不合法的信号。

假如是合法信号，还存在异常，则是被测系统的问题了。

由北京电视台牵头、国家广电总局广播电视规划院参与的《标准清晰度串行数字视频通道技术要求和测量方法》行业标准正在制定中，该标准正考虑对数字视频通道的以上指标和测试方法进行规定。

６．２　图像质量主观评价的客观化测试对数字压缩图像质量的评价，严格条件下的主观评价是最准确和最有价值的方法。

但是对于一般单位，往往不具备进行实施主观评价的环境、设备和人员。

这样，图像质量主观评价的客观化测试成为一种便捷、快速、低成本的图像质量评估手段，在很多地方得到了应用。

（１）　评估的算法和指标目前在世界范围内广为使用的图像质量主观评价客观化测试算法和指标，共有５大类，其中４种已成为国际电联ＩＴＵ－Ｒ　ＢＴ．１６８３的模型１、２、３、４，另一种是泰克公司的模型。

说到图像质量的客观测量，就不能不说到ＩＴＵ－ＲＢＴ．１６８３，它是整个ＩＴＵ以及ＭＰＥＧ组织进行图像质量客观评价的基础。

它的名字是《全参考条件下标准清晰度数字电视广播客观可感知视频质量测量技术》（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌｖｉｄｅｏ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｄｉｇｉｔａｌ　ｂｒｏａｄｃａｓｔ　ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｆｕｌｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）。

在其之后，电联又制定了若干建议书，包括简化参考模型、无参考模型、客观质量的用户要求等，均是以ＢＴ．１６８３为基础而制定的。

在整个标准架构中，ＢＴ．１６８３是图像质量客观评价的一个里程碑，它的作用就类似于ＢＴ．６０１对于数字电视、ＢＴ．５００对于主观评价的作用。

与此相关一些重要建议书整理如下，供使用中参考，另有２个ＢＴ系列的建议书还正在制定当中。

①ＢＴ．１７２１ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ　ｉｍａｇｅｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｃｒｅｅｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｍａｇｅｒｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅａｔ－ｒｉｃａｌｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ②Ｊ．１８８ Ａ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｃｏｄｅｃｓ　ｗｉｔｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ③Ｊ．１４９ Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｓｐｅｃｉｆｙｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｉｄｅｏ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｍｅｔｒｉｃｓ　（ＶＱＭ）④Ｊ．１４８ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ａｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ　ｍｕｌ－ｔｉｍｅｄｉａ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ⑤Ｊ．１４７ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｂｙ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｉｎ－ｓｅｒｖｉｃｅ　ｔｅｓｔ　ｓｉｇｎａｌｓ⑥Ｊ．１４４ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ　ｖｉｄｅｏ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｂｌｅ　ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｆｕｌｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅ⑦Ｊ．１４３ Ｕｓｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ　ｖｉｄｅｏｑｕａｌｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃａｂｌｅ　ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ在ＢＴ．１６８３中共规定了４种模型和相应的评价指标，分别整理如表７所列。