Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока
В статье исследована проблема управления скоростью видеопотока в современных системах цифрового телевизионного вещания на этапах подготовки и передачи видеоконтента. Предложен метод управления скоростью по критерию качества видеоизображений, измеряемого с помощью объективных показателей и соответств...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Штучний інтелект |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60281 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока / П.В. Попович // Штучний інтелект. — 2011. — № 4. — С. 219-224. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-60281 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-602812014-04-14T03:01:30Z Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока Попович, П.В. Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений В статье исследована проблема управления скоростью видеопотока в современных системах цифрового телевизионного вещания на этапах подготовки и передачи видеоконтента. Предложен метод управления скоростью по критерию качества видеоизображений, измеряемого с помощью объективных показателей и соответствующего субъективному человеческому восприятию. У статті досліджена проблема управління швидкістю відеопотоку в сучасних системах цифрового телевізійного мовлення на етапах підготовлення і передавання відеоконтенту. Запропоновано метод управління швидкістю за критерієм якості відеозображень, що вимірюється за допомогою об’єктивних показників і відповідає суб’єктивному сприйняттю людини. In the article a problem of video stream bitrate control is carried out for the modern digital television broadcasting systems on the stages of preparation and transmission of video content. A rate control method is offered by the criteria of video pictures quality, measuring by means of objective indexes and corresponding to subjective human perception. 2011 Article Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока / П.В. Попович // Штучний інтелект. — 2011. — № 4. — С. 219-224. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1561-5359 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60281 621.397 ru Штучний інтелект Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений |
| spellingShingle |
Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений Попович, П.В. Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока Штучний інтелект |
| description |
В статье исследована проблема управления скоростью видеопотока в современных системах цифрового телевизионного вещания на этапах подготовки и передачи видеоконтента. Предложен метод управления скоростью по критерию качества видеоизображений, измеряемого с помощью объективных показателей и соответствующего субъективному человеческому восприятию. |
| format |
Article |
| author |
Попович, П.В. |
| author_facet |
Попович, П.В. |
| author_sort |
Попович, П.В. |
| title |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| title_short |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| title_full |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| title_fullStr |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| title_full_unstemmed |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| title_sort |
измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока |
| publisher |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Интеллектуальные интерфейсы и распознавание образов. Системы цифровой обработки изображений |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60281 |
| citation_txt |
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью видеопотока / П.В. Попович // Штучний інтелект. — 2011. — № 4. — С. 219-224. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Штучний інтелект |
| work_keys_str_mv |
AT popovičpv izmereniekačestvavideoizobraženijkaksposobupravleniâskorostʹûvideopotoka |
| first_indexed |
2025-07-05T11:22:55Z |
| last_indexed |
2025-07-05T11:22:55Z |
| _version_ |
1836805863643283456 |
| fulltext |
«Штучний інтелект» 4’2011 219
4П
УДК 621.397
П.В. Попович
Национальный технический университет Украины «КПИ», г. Киев
ppv@ztri.ntu-kpi.kiev.ua
Измерение качества видеоизображений
как способ управления скоростью видеопотока
В статье исследована проблема управления скоростью видеопотока в современных системах цифрового
телевизионного вещания на этапах подготовки и передачи видеоконтента. Предложен метод управления
скоростью по критерию качества видеоизображений, измеряемого с помощью объективных показателей
и соответствующего субъективному человеческому восприятию.
Введение
Учитывая постоянный рост потоков видеоинформации в современном мире, разра-
ботка эффективных электронных программно-аппаратных комплексов, предназначен-
ных для передачи видеоизображений, является важной и актуальной научно-технической
задачей. Практический опыт в сфере цифрового телевизионного вещания и результаты
экспериментальных исследований дают возможность сформировать задачу, важную
для обеспечения доставки качественного видеоконтента к конечному потребителю, ко-
торая заключается в управлении скоростью (битрейтом) видеопотока как на этапе соз-
дания видеоконтента, так и в процессе передачи (мультиплексирования) видеопрограмм.
Целью данной работы является разработка методов и моделей управления по-
током видеоданных как на этапе создания видеоконтента, так и в процессе его пере-
дачи на основании объективного и субъективного измерения качества видеоизобра-
жений с учетом применяемых методов сжатия для систем цифрового телевизионного
вещания.
Существует несколько методов управления скоростью видеопотока, общая суть
которых сводится к вычислению необходимого битрейта через известные глобальные
коэффициенты квантования начального и перекодированного видеопотока и средне-
квадратичную разницу остаточного кадра после компенсации движения. Однако эти
методы не позволяют изменять скорость видеопотока в зависимости от текущего качества
видеоизображения как в составе элементарного потока, так и в составе мультиплекса [1-3].
Поэтому предложено использовать для управления скоростью видеопотока критерий,
основанный на измерении качества передаваемого видеоизображения.
Транскодер видеопотока
Управление скоростью видеопотока осуществляется посредством устройства, назы-
ваемого транскодером. Транскодеры видеопотока работают по схемам с обратной
связью и без обратной связи [4]. Последние обладают лучшим быстродействием из-
за отсутствия прямого и обратного косинусного преобразования (ДКП) (рис. 1 а), но
имеют один серьёзный недостаток – они позволяют управлять скоростью видеопотока
только в ручном режиме, основываясь на заданном инженером значении скорости
видеопотока. Часто это значение не отражает реального качества видеокартинки.
Попович П.В.
«Искусственный интеллект» 4’2011 220
4П
Рисунок 1 – Видеотранскодер: а – без обратной связи; б – с обратной связью
(ДКПД – декодер кода переменной длины, ККПД – кодер кода переменной длины,
ДКВ – деквантователь, КВ – квантователь, ОДКП – обратное ДКП)
Для осуществления анализа качества видеоизображения и использования полу-
ченной оценки для регулирования скорости видеопотока необходимо применить
транскодер с обратной связью. В этом случае видеотранскодер должен полностью деко-
дировать видеоданные (рис. 1 б), получая дискретные значения отсчетов сигнала
яркости и цветоразностных сигналов каждого кадра видеопоследовательности для
последующей передачи их в блок анализа качества, который определяет объективный
показатель качества Qi
ср для каждого i-го кадра видеопотока и усредняет его на
некотором временном интервале. Усредненный объективный показатель качества Qср
связан со скоростью видеопотока R:
cp f( )Q R . (1)
Вид зависимости (1) устанавливается экспериментально, исходя из результатов
объективного и субъективного измерения качества тестовых последовательностей,
сжатых в соответствии с алгоритмом MPEG-2, который применяется в системах цифро-
вого телевидения.
Измерение качества видеоизображений
Качество видеоизображения можно измерять с помощью субъективных и объек-
тивных методов. Субъективные методы измерения качества дают результат, который
максимально отвечает восприятию человека, поскольку они основаны на оценках, пре-
доставленных экспертами в процессе наблюдения за контролируемыми видеоизобра-
жениями. В таком случае нельзя говорить об изменении битрейта на этапе создания
видеоконтента, но такие эксперименты дают возможность определить соответствие
между оценками качества и скоростью видеопотока для разных видеосцен, которые
могут иметь место в процессе видеотрансляции.
В табл. 1 приведено описание тестовых видеопоследовательностей, сжатых по
алгоритму MPEG-2 с различными скоростями видеопотока (2, 4, 6 и 8 Мбит/с), которые
были использованы для проведения экспериментальных субъективных и объективных
измерений качества.
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью...
«Штучний інтелект» 4’2011 221
4П
Таблица 1 – Описание тестовых видеопоследовательностей
№
п/п
Название
последовательности
Характеристика последовательности
1 Барселона Насыщенный цвет и эффект маскировки
2 Арфа
Насыщенный цвет, изменение масштаба
изображения, светлые участки, тонкие детали
3 Подвижная графика
Критическая для Betacam, цвет, подвижной текст,
тонкие буквы, искусственная природа изображения
4 Каноэ
Движение воды, движение в противоположном
направлении, много деталей
5 Болид Ф1 Быстрое движение, насыщенные цвета
6 В кафе Кинопленка, цвета кожи, быстрое панорамирование
7 Движущийся текст Текст с горизонтальным движением
8 Регби Движение и цвета
9 Календарь Движение и цвета
На рис. 2 приведены результаты экспериментального измерения качества на
основе субъективных оценок для этих видеопоследовательностей. Для субъективного
оценивания использован метод непрерывной шкалы качества с двойным раздраже-
нием (DSCQS) [1], [5] .
Анализируя результаты эксперимента, можно сделать следующие выводы:
− средние оценки качества понижаются с уменьшением скорости цифрового
потока;
− кодирование видеопоследовательностей со скоростями цифрового потока
менее 4 Мбит/с в большинстве случаев приводит к значительному ухудшению качества
изображения;
− при уменьшении скорости цифрового видеопотока наибольшее ухудшение
качества наблюдается в видеопоследовательностях, которые содержат динамический
сюжет и широкий диапазон цветов;
− наименьшее ухудшение качества наблюдается на искусственно созданных
изображениях.
Поэтому для улучшения качества изображения на этапе создания контента во
время передачи спортивных соревнований или сюжетов, которые содержат быстрое
движение, панорамирование и широкий диапазон переданных цветов, целесообразно
вводить динамическое регулирование скорости цифрового видеопотока путем изменения
глобального коэффициента квантования в зависимости от измеренного качества видео-
изображения на основе объективных методов.
Поскольку существует большое количество объективных методов измерения ка-
чества видеоизображений, целесообразно выяснить, какой из методов дает оценку, макси-
мально приближенную к оценке, отвечающей восприятию человека. Для решения этой
задачи введен критерий точности на основе коэффициента линейной корреляции Пир-
сона r между предвиденным значением объективной метрики и реальной субъектив-
ной оценкой.
Попович П.В.
«Искусственный интеллект» 4’2011 222
4П
Рисунок 2 – Результаты субъективного измерения качества
Для сравнения объективных метрик их результаты (VQR – Video Quality Rating)
надо привести к единой шкале, то есть к диапазону субъективных результатов (MOS –
Mean Opinion Score) с помощью кубического полинома [5]:
MOSp = А0+А1·VQR+А2·(VQR) 2+А3·(VQR) 3, (2)
где MOSp – предсказанные по результатам аппроксимации значения средних
оценок, А0, А1, А2, А3 – параметры полинома, которые определяются исходя из
минимизации суммы квадратов разницы между MOSp и MOS.
Максимальное значение коэффициента линейной корреляции Пирсона r = rmax
означает, что результаты измерения качества, полученные с помощью исследуемого
объективного метода, больше всего отвечают результатам субъективных измерений,
потому объективный метод, для которого выполняется это условие, можно использо-
вать для контроля качества видеопотока на этапе создания и передачи видеоконтента.
Исследованы три объективных метода измерения качества видеоизображений
[1], [6], [7]:
− метод, основанный на измерении пикового отношения сигнал-шум (PSNR –
Peak Signal-to-Noise Ratio);
− метод, основанный на вычислении индекса сходства изображения (MSSSIM –
Multi-Scale Structure Similarity Index Measure);
− метод, который базируется на вычислении дискретного косинусного преобра-
зования от изображения (VQM – Video Quality Measurement).
Значения коэффициента линейной корреляции Пирсона r, полученные для каж-
дого из этих методов, приведены в табл. 2.
Таблица 2 – Значение коэффициента корреляции Пирсона
Метод PSNR MSSSIM VQM
r 0,88 0,92 0,85
Измерение качества видеоизображений как способ управления скоростью...
«Штучний інтелект» 4’2011 223
4П
Анализируя полученные значения, можно сделать вывод, что максимальное
значение коэффициента линейной корреляции Пирсона имеет метод MSSSIM. Оценка
качества видеоизображений, вычисленная согласно этому методу, будет служить кри-
терием, в соответствии с которым будет осуществляться управление скоростью видео-
потока. На рис. 3 приведен результат измерения качества тестовых видеопоследователь-
ностей, описанных в табл. 1, с помощью метода MSSSIM в зависимости от скорости
видеопотока R. Представленные на рис. 3 значения объективного показателя качества
MSSSIM получены усреднением объективных оценок девяти тестовых видеопоследо-
вательностей для соответствующей скорости видеопотока.
Рисунок 3 – Зависимость показателя качества от скорости видеопотока
Таким образом, по результатам экспериментов получен аналитический вид зависи-
мости (1), связывающий объективный показатель качества со скоростью видеопотока:
ср 0,0104ln( ) 0,7994Q R , (3)
где Qср – усредненный объективный показатель качества видеоизображения в со-
ответствии с методом MSSSIM; R – скорость видеопотока.
Изменение скорости видеопотока
Управление скоростью видеопотока осуществляется путем изменения значения
глобального коэффициента квантования qтр в квантователе (рис.1 б), который связан
со значением глобального коэффициента квантования исходного видеопотока qо вы-
ражением [4]:
тр оq m q , (4)
где m – коэффициент, определяющий изменение скорости потока.
С другой стороны, отношение скоростей на выходе и входе транскодера (тре-
буемой скорости Rтр к исходной скорости Rо) связано линейной зависимостью с от-
ношением между значениями глобального коэффициента квантования исходного qо
и транскодированного qтр видеопотока [4]:
тр о
о тр
R q
R q
, (5)
где α и β – параметры модели.
Следовательно, используя выражение (3) и связав требуемую скорость видео-
потока Rтр с объективным показателем качества Qср, который зависит от класса видео-
последовательности и её характеристик – насыщенности цвета, изменения масштаба,
Попович П.В.
«Искусственный интеллект» 4’2011 224
4П
панорамирования, наличия движения (табл. 1), на основании выражений (4) и (5) можно
определить необходимый глобальный коэффициент квантования qтр для изменения
скорости видеопоследовательности этого класса.
Выводы
Предложенный подход даёт возможность изменять скорость видеопотока для
видеопоследовательностей определенных классов в зависимости от их объективного
качества, которое соответствует субъективному восприятию человека, при создании
телевизионных программ либо при формировании мультиплекса провайдерами спут-
никового, кабельного или IP-телевидения.
Литература
1. Ричардсон Я. Видеокодирование. H.264 и MPEG-4 – стандарты нового поколения / Ян Ричардсон. –
М.: Техносфера, 2005. – 368 с.
2. Li Z., Gao W. Adaptive Rate Control with HRD Consideration, ISO/IEC-JTC1/SC29/WGU and ITU-T
SG16. Q.6 Document JVT-H014 / Li Z., Gao W., et al. – May 2003.
3. Saw Y.-S. Rate-Quality Optimized Video Coding / Y.-S. Saw Kluwer Academic Publishers, 1998.
4. Formanek B., Ádám T. Rate control in MPEG-2 video bitrate transcoder / B. Formanek, T. Ádám // Proc.
of the 10th International Carpathian Control Conference. – 2009. – P. 297-300.
5. Rec. ITU-R BT.500-12. Methodology for the Subjective Assessment of the Quality of Television Pictures,
September 2009.
6. Wang Z. Multi-Scale Structural Similarity for Image Quality Assessment. / Z. Wang, P. Simoncelli,
A. Bovik. [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://compression.ru/ video/ quality_ measure/
msssim.pdf
7. Feng Xiao. DCT-based Video Quality Evaluation. [Электронный ресурс] / Feng Xiao. –
Режим доступа : http://compression.ru/video/quality_measure /vqm.pdf
Literatura
1. RichardsonJa. Videokodirovanie. H.264 i MPEG-4 – standarty novogo pokolenija M.: Tehnosfera. 2005. 368 s.
2. Li Z. Adaptive Rate Controlwith HRD Consideration, ISO/IEC-JTC1/SC29/WGU and ITU-T SG16. Q.6
Document JVT-H014.May 2003.
3. Saw Y.-S. Rate-Quality Optimized Video Coding. Kluwer Academic Publishers. November 1998.
4. Formanek B. Proc. ofthe 10th International Carpathian Control Conference. 2009. P 297-300
5. Rec. ITU-R BT.500-12. Methodologyforthe Subjective Assessmentofthe Qualityof TelevisionPictures.
September 2009.
6. Wang Z. Multi-Scale Structural Similarityfor Image Quality Assessment [Электронный ресурс]. – Режим
доступа : http://compression.ru/video/ quality_ measure / msssim.pdf
7. Feng Xiao. DCT-based Video Quality Evaluation [Электронный ресурс]. – Режим доступа :
http://compression.ru/video/quality_measure /vqm.pdf
П.В. Попович
Вимірювання якості відеозображень як спосіб управління швидкістю відеопотоку
У статті досліджена проблема управління швидкістю відеопотоку в сучасних системах цифрового телевізій-
ного мовлення на етапах підготовлення і передавання відеоконтенту. Запропоновано метод управління
швидкістю за критерієм якості відеозображень, що вимірюється за допомогою об’єктивних показників і
відповідає суб’єктивному сприйняттю людини.
P.V. Popovych
Video Pictures Quality Measurement as Rate Control Method of Video Stream
In the article a problem of video stream bitrate control is carried out for the modern digital television
broadcasting systems on the stages of preparation and transmission of video content. A rate control method is
offered by the criteria of video pictures quality, measuring by means of objective indexes and corresponding
to subjective human perception.
Статья поступила в редакцию 01.06.2011.
|