: архив : архив журнала "625" : 1999 : #1

Качество изображения и измерения в цифровом телевидении
Марк Кривошеев, Александр Мкртумов, Владимир Федунин

Цифровые технологии в телевидении позволили устранить многие недостатки, присущие аналоговым системам, и значительно повысить качество доставки потребителям аудиовизуальной и другой информации. На их основе разработаны эффективные алгоритмы сжатия потоков цифровых сигналов программ ТВ-вещания. Однако практически не у дел осталась сложившаяся методология и техническая база измерений. Новые средства обработки и передачи аудиовизуальной информации потребовали новых подходов к контролю и измерениям.

Хотим подчеркнуть, что основополагающая концепция измерений и оценки качества изображений в цифровом ТВ-вещании впервые предложена и в деталях разработана в России [см. 1, 2 в Списке литературы, приведенном в конце статьи].

Она включает следующие основные положения:

1. Методы субъективных и объективных испытаний ТВ систем должны учитывать специфические особенности цифровой обработки и передачи аудиовизуальной информации.
2. Для выявления и оценки искажений при цифровом сжатии испытательные изображения должны быть подвижными, а измерительные сигналы - предусматривать изменения формы и параметров.
3. При контроле в процессе передачи функции "испытательных строк" могут выполнять компоненты цифрового сигнала испытываемой системы.
4. Точность субъективных и объективных испытаний должна обеспечивать возможность выявления даже малых ухудшений изображений и искажений измерительных сигналов, главным образом, в допороговой области цифровой системы.
5. Весовые функции должны учитывать особенности восприятия искажений в тракте цифрового вещания.

Одновременно с выбором основных параметров цифровых ТВ-систем обычно формулируют требования к тракту в целом и отдельным его звеньям, а также определяют критерии оценки их работоспособности. При этом необходимо использовать методы измерений, позволяющие наиболее эффективно выявить специфические искажения в комплексе цифровой аппаратуры.

Так, при анализе искажений и решении метрологических задач целесообразно разделить цифровые ТВ-системы на два класса: без устранения избыточности в ТВ-сигнале или с небольшим цифровым сжатием и с высокой степенью сжатия. Для проверки систем первого класса можно использовать, с определенными ограничениями, стандартные измерительные сигналы и контрольно-измерительную аппаратуру, разработанные для систем аналогового телевидения [1, 2]. Одно из ограничений, например, предусматривает снижение размаха измерительного сигнала при оценке линейных искажений, что позволяет устранить влияние перегрузки системы по уровню на результаты измерений.

Высокая степень сжатия в цифровых системах достигается за счет межкадрового кодирования ТВ сигнала с предсказанием отдельного кадра на основе предыдущих и последующих кадров. Использование пред- и послеистории текущего кадра обуславливает случайный характер начальных условий для предсказания и приводит к тому, что в отличие от аналоговой системы реакция кодера на измерительный сигнал может отличаться от его отклика на сигнал соответствующего фрагмента изображения. Могут встретиться случаи, когда измерительный сигнал после декодирования искажен, а декодированное изображение имеет достаточно высокое субъективное качество, и наоборот, наблюдается существенное ухудшение изображения при сравнительно малых искажениях измерительного сигнала. Таким образом, при высокой степени цифрового сжатия во многих случаях не обеспечивается адекватность искажений измерительных сигналов и ТВ изображений и возможно несоответствие результатов объективных и субъективных испытаний системы, так как качество воспроизведения одного и того же ТВ кадра после его декодирования становится зависимым не только от искажений тракта, но и от случайного содержания предшествующих и последующих кадров. Окончательное решение о работоспособности системы в целом в этом случае можно вынести лишь на основе тщательного подбора и управления весовыми функциями или непосредственной оценки качества получаемых ТВ изображений.

В практике цифрового телевидения в настоящее время и впредь будет использоваться несколько форм представлений сигналов и стандартов, относящихся к производству программ (например, в студии), кодированию источников, мультиплексированию, формированию транспортного потока данных и распределению сигналов программ вещания. Поэтому можно предложить классификацию методов измерений в цифровом ТВ-вещании [3], показанную на рисунке. На нем приведены: обобщенная структурная схема цифровой системы, описание сигналов в различных точках и основные виды испытаний системы на соответствие используемым в ней стандартам.

Здесь можно выделить следующие основные варианты:

• цифровая студия (система без устранения избыточности аудиовизуальной информации или с небольшим цифровым сжатием);
• система для кодирования источников сигналов с высокой степенью цифрового сжатия, например, на базе стандарта MPEG-2;
• система распределения цифровых сигналов программ ТВ-вещания (КТВ, спутниковая, наземная).

Измерения в цифровой студии главным образом сводятся к оценкам параметров аналоговых и цифровых сигналов, системных искажений, включая, относительную задержку сигналов изображения и звука, проверку параллельных и последовательных интерфейсов и др. Цифровые измерительные сигналы, применяемые при испытаниях студийной аппаратуры, стандартизованы в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.801 [4].

Измерения в цифровом ТВ-вещании

Выше уже отмечалась возможная неадекватность искажений измерительных сигналов и изображений. Это значительно повышает роль субъективных экспертиз, результаты которых наиболее полно и, что особенно важно, с позиций зрителя оценивают работоспособность цифровой системы ТВ-вещания в целом. Такие экспертизы дополняют объективные измерения, обеспечивающие проверку отдельных режимов работы кодеров.

Важным видом испытаний каналов спутниковых и кабельных систем ТВ, наземных станций и сетей распределения является анализ протоколов и инструкций для декодеров, периодически передаваемых в виде таблиц в составе транспортного потока данных. В системах на основе стандарта MPEG-2 передаются, например, таблицы PSI (специфическая программная информация), РАТ (информация, связанная с программой вещания), РМТ (таблица карты программ), САТ (таблица ограниченного доступа) и другие. В транспортном потоке содержится также сервисная информация SI и информация, ориентирующая пользователя в передаваемых программах (EPG, электронный гид по программам). Проверка правильности их приема позволяет судить о "здоровье" кодеров и возможности декодирования транспортного потока. Эти таблицы и другая информация, передаваемая одновременно с ТВ сигналом, могут выполнять функции цифровой испытательной строки. Они не видны на декодированном изображении и могут выделяться в пунктах контроля для проверки системы [1, 2]. Таким образом, передаваемый поток данных дополнительно выполняет функции измерительной информации для сквозного контроля всего цифрового тракта в процессе передачи.

Сигнальное созвездие

Кроме того, контроль и измерения в процессе передачи можно осуществлять, используя некоторые особенности цифровой модуляции сигналов. Для сокращения занимаемой полосы частот применяют многоуровневую или многопозиционную модуляцию, например, типа QAM (квадратурная АМ) либо QPSK (квадратурная фазовая манипуляция). При этом сигнал на выходе демодулятора приемника можно представить в виде сигнального созвездия, т.е. диаграммы дискретных значений цифрового сигнала [5].

Созвездие для конкретного типа модуляции 64-QAM представлено на рисунке. Оси координат соответствуют синфазной I и квадратурной Q составляющим сигнала. Шумы и помехи трансформируют сигнальные точки в "облака". Центром "облака" остается сигнальная точка, а его "размытость" характеризует остаточный уровень несущей, нарушение баланса уровней сигналов I и Q, коэффициент модуляционных ошибок и другие параметры. Можно измерить также квадратурные искажения, возникающие вследствие неортогональности сигналов I и Q. Этот параметр оценивается по угловому смещению созвездия на приеме.

Показателями качества приема цифрового сигнала программ ТВ-вещания являются фазовое дрожание и коэффициент ошибок на входе внешнего декодера кода Рида-Соломона и декодера Витерби (спутниковые системы). Когда проводится оценка цифровой системы наземного ТВ-вещания, в дополнение к уже названным характеристикам следует измерять такие параметры, как точность установки частот несущих в передатчике, избирательность и чувствительность приемника, уровень когерентных интерференционных помех и т.п.

Объективный контроль цифровых систем ТВ-вещания дополняют субъективной экспертизой декодированного изображения и звука. Искажения изображений в цифровом телевидении принято классифицировать по эффектам, наблюдаемым на видеоэкране [6]. Существующие методы, регламентированные, например, в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.500 [7], предусматривают участие в субъективных экспертизах не только специалистов, но и неспециалистов, оценки качества которых основываются скорее на опыте наблюдения изображений на экранах домашних телевизоров.

Разделение ТВ-экрана при сравнении изображений

В связи с этим можно предложить новую классификацию [3], обеспечивающую единый подход к субъективной оценке искажений ТВ-изображений экспертами любого уровня. Она предусматривает разделение искажений изображения на крупноструктурные, среднеструктурные и мелкоструктурные. Такое разделение соответствует особенностям визуального восприятия. Некоторые виды искажений с одним и тем же характером проявления, например, гранулярный шум, эффект "грязного" окна и т. п. в зависимости от размеров флуктуирующих элементов, "капель" и других компонент могут быть отнесены к нескольким группам. Крупно- и среднеструктурными искажениями являются, например, гранулярный шум, эффект "грязного окна", прерывистость, то есть межполевое или межкадровое различия положения подвижных контуров, и многое другое. Группа мелкоструктурных искажений включает размытость, дрожание и ложные контуры, смазывание подвижных участков, гранулярный шум, эффект "грязного окна", прерывистость и многие другие. Преимущества данной классификации состоят в том, что характер проявления искажений связывается с их геометрическими "размерами". Это облегчает процесс нормирования, так как однотипные искажения в зависимости от "размеров" могут обуславливаться разными причинами

Рекомендации по субъективной оценке качества ТВ-изображений, например, МСЭ-Р BT.500, предусматривают сравнение изображений, предъявляемых экспертам, одновременно на двух ТВ-экранах или раздельно на одном. Точность сравнения различных участков ТВ-изображения станет выше, если использовать разработанный в России метод полей сравнения или специальных яркостных и цветовых отметок [2]. Для этого в аналоговый или цифровой сигнал вводят сигнал поля сравнения, который позволяет сопоставить на ТВ-экране смежные участки изображения и, в итоге, оценить исследуемый участок изображения или соответствующие ему сигналы. В зависимости от поставленной задачи поле сравнения может иметь равномерную или меняющуюся яркость, быть черно-белым или цветным сюжетом и т.п.

Одинаковый спектральный состав свечения сравниваемых полей, находящихся в непосредственном контакте, - важное требование. Оба поля имеют одну и ту же структуру, определяемую типом растра приемного экрана (строки, точки и т.п.). Важно также, что можно рассматривать оба поля одновременно двумя глазами, и легче обнаруживать различия в яркости и цвете. Все это позволяет различать перепады яркости в пределах 2-3%.

Цифровые системы существенно отличаются от аналоговых. Отсюда и необходимость в оценке малых изменений качества изображений. Качество доставки информации аналоговыми системами снижается постепенно по мере роста уровня помех и искажений. В цифровых системах, напротив, качество доставки информации высокое, если помехи и искажения не превышают некоторый порог. Но, если порог превышен, наблюдается резкое (скачкообразное) ухудшение качества. При испытаниях важно знать, насколько система приблизилась к порогу. Поэтому контрольно-измерительная аппаратура должна быть сориентирована на весьма высокую точность измерений в окрестностях порога.

Для исследований систем цифрового телевидения важен динамический метод субъективных экспертиз [1, 2], в его основе - подвижные поля сравнения и поля сравнения с подвижным сюжетом. Подвижные поля должны совершать поступательное и вращательное движения, а также обеспечивать медленное изменение уровня ТВ сигнала. Для проверки системы предсказания кодера подвижный фрагмент изображения должен перемещаться в обе стороны от его центрального положения.

Поле сравнения с подвижным сюжетом можно сформировать из исходного ТВ-сигнала, что к тому же позволяет учесть условия испытаний. В результате одновременно удается на одном экране сравнивать части изображения, соответствующие сигналам на входе и выходе проверяемого устройства или системы. Сравнение полей - дело техники. Его можно доверить наблюдателю (эксперту) или инструменту (измерительному прибору) для оценки параметров входного и выходного сигналов.

Как выглядит экран при проведении субъективных экспертиз по методу полей сравнения поясняет рисунок: сплошные линии - контуры экрана формата 16:9; пунктирные линии дополняют его до формата 4:3. Экран разделен посередине вертикальной линией. Два верхних поля А и В - сравниваемые ТВ-изображения. Снизу - дополнительные изображения А1, А2, В1, В2 (формат 16:9) или А1 - А4, В1 - В4 (формат 4:3). На экране формата 4:3 вместо изображений А1 - А4 и В1 - В4 можно воспроизводить два дополнительных изображения без разделения соответствующей части телеэкрана. Эта часть экрана может быть выделена, например, для изображений распределения пикового отношения сигнал/шум, отнесенного к каждому элементу исследуемого ТВ-изображения, или распределения искажений, превышающих пороги их заметности. Возможно также отображение различной графической и текстовой информации, в частности, инструкций для экспертов.

Поля сравнения получили международную поддержку и используются в новом методе субъективных экспертиз с двумя стимулами и непрерывной шкалой качества, являющемся модификацией стандартизованной в Рекомендации ВТ.500 процедуры с одним стимулом и непрерывной шкалой качества [8, 9]. Стандартная процедура дополнена одновременной демонстрацией анализируемой и эталонной видеопоследовательностей, что позволяет выявлять даже небольшие изменения качества изображения во времени, в том числе вблизи пороговой области цифровой системы и порога визуальной заметности искажений.

Сложной и актуальной задачей остается определение качества изображений, прошедших кодеки с цифровым сжатием информации. Как известно, процедуры субъективной оценки качества, рекомендованные МСЭ-Р, требуют большого объема испытаний и времени, что делает целесообразным их применение лишь в целях исследований и разработки оборудования. Объективные методы, поиском которых занято множество исследователей разных стран, предлагающих различные методы, пока не привели к созданию принятой в международном масштабе методологии, надежно гарантирующей адекватные результаты. В связи с этим уточняются представительные параметры, разрабатываются достоверные весовые функции, учитывающие специфические особенности восприятия искажений в цифровом тракте, а также эффективные алгоритмы их использования [1, 2, 8]. В то же время задачи контроля качества продукции, приемо-сдаточных и сертификационных испытаний, выбора типа ТВ-оборудования, эксплуатационного контроля и т.п. требуют надежной и оперативной методики, базирующейся на доступной по цене аппаратуре.

В принципе такая методика может быть аналогична применяемой при сертификации технической базы производства телепродукции [10], но следует помнить, что объективные измерения с помощью традиционных тест-сигналов, как и субъективная оценка качества изображения, проводятся квалифицированными экспертами. Однако, как показывают эксперименты, применение этой методики для испытаний кодеков стандарта MPEG-2 не обеспечивает достаточно точную оценку изменений качества ТВ изображений даже в случае проверки одного кодека при близких значениях скорости цифрового потока не его выходе.

В таблице приведены результаты субъективной экспертизы ряда сюжетов, выполненные при различных скоростях цифрового потока в кодеке MPEG-2. Экспертизы проведены во ВНИИТР. Общая кривая зависимости, несомненно, прослеживается, но имеются и отдельные, нарушающие ее монотонность выбросы, затрудняющие определение различий, в данном случае для скоростей 5,6 и 7 Мбит/с.

Экспериментальные результаты экспертиз имеют важное значение при оценке эффективности кодеков и определении числа сигналов программ вещания, которые можно передавать по цифровому каналу связи с заданным качеством ТВ-изображений.

Для повышения точности оценки предлагается следующая методика, основанная на применении полей сравнения. На контрольный монитор с помощью системы синхронизации и коммутации выводится статический или динамический тестовый сюжет, левая половина которого соответствует входу испытываемого кодека, то есть источнику тест-сигнала, а правая - выходу кодека. Граница между частями изображения, со входа и выхода кодека, должна быть минимальна, в идеале - невидима. Наблюдатель оценивает сюжет, в основном, вдоль границы. При этом фрагменты обоих участков изображения одновременно анализируются системой зрительного восприятия, что повышает точность сравнения. Результат может интерпретироваться по шкале ухудшения, либо по шкале сравнения [11].

Как известно, контрастная чувствительность зрения намного превосходит оценочную по точности [12]. Это можно использовать, вводя между источником тестового изображения и контрольным монитором устройство тарированных ухудшений качества изображения. Такими ухудшениями могут быть снижение четкости (одно- или двумерное), введение шума и т. д., либо их комбинации. Наблюдатель плавно меняет степень ухудшений до выравнивания качества обоих фрагментов. При этом фиксируется объективная величина ухудшений. Может быть введена также периодическая (~ 1 c) манипуляция положения границы. Задачей наблюдателя в этом случае является сведение к минимуму скачкообразных изменений качества изображения в зоне манипуляции.

Субъективная оценка качества изображения для кодека MPEG-2

Искажения, вызываемые компрессией, весьма разнообразны. В некоторых случаях это может осложнить работу, если характер искажений принципиально отличается от имеющихся в библиотеке ухудшений. В дальнейшем, видимо, целесообразно определять один из типов кодеков как эталонный. Это полностью согласовано с принятой МЭК практикой. Так, в частности, проводятся испытания носителей магнитной записи и сравнение устройств, тестируемых по данной методике.

Итак, концепция оценки качества изображения и измерений в цифровом телевидении, разработанная еще в 70-е годы, получила широкую международную поддержку. Анализ исследований, проводимых в данной области в различных странах, показывает, что их основные направления полностью соответствуют этой концепции и подтверждают правильность основных ее положений. Все эти годы она способствовала разработке и оценке качества новых цифровых систем и созданию метрологической базы цифрового телевидения.

Список литературы

1. Цифровое телевидение / Под ред. М.И. Кривошеева. М.: Связь, 1980.
2. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1989.
3. Кривошеев М.И., Мкртумов А.С., Федунин В.Г. Основные положения концепции оценки качества изображения и измерений в цифровом телевидении // Второй международный конгресс "Прогресс технологий телерадиовещания". М., 4-6 ноября 1998. Тезисы докладов.
4. Recommendation ITU-R BT.801 "Test signals for digitally encoded colour television signals conforming with Recommendations ITU-R BT.601 (Part A) and ITU-R BT.656".
5. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Тракт передачи радиосигналов в системах цифрового наземного ТВ вещания. Электро-связь, № 6, 1998.
6. Recommendation ITU-R BT.813 "Methods for objective picture quality assessment in relation to impairments from digital coding of television signals".
7. Recommendation ITU-R BT.500 "Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures".
8. ITU. Chairman of Study Group 11. The new approaches to quality assessment and measurement in digital broadcasting. Doc. 10-11Q/9, 6 October 1998.
9. ITU. Joint Working Party 10-11Q. Draft proposal for modification of Recommendation ITU-R BT.500 "A novel method for error robustness evaluation in video communication: the double stimulus using a continuous quality evaluation". Doc. 10-11Q/TEMP/9-E, 21 October 1998.
10. ОСТ 58-18-96. Техническая база производства телерадиопродукции. Методы сертификации. Общие требования. Основные параметры и методы испытаний. Ч. 1. Телепродукция / Федеральная служба России по телевидению и радиовещанию. М., 1996.
11. ГОСТ 26320-84. Оборудование телевизионное студийное и внестудийное. Методы субъективной оценки качества цветных телевизионных изображений. М.: Изд-во стандартов, 1985.
12. А. Роуз. Зрение человека и электронное зрение. Мир, Москва, 1977.