Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

521

«Методы объективной оценки качества изображения при его ухудшении

вследствие цифрового кодирования телевизионных сигналов» [10.1].

В октябре 1997 года на собрании представителей 11-й ИК МСЭ-Р,

9-й ИК и 12-й ИК МСЭ-Т в Турине (Италия) была сформирована группа

экспертов VQEG (Video Quality Experts Group), которой поручили разра-

ботку методов объективной оценки качества изображений в цифровом

ТВ вещании с ориентацией на максимально возможную корреляцию

результатов субъективных и объективных испытаний вещательных

систем. Одним из существенных достижений группы стала разработка

методик объективных и субъективных испытаний цифровых систем, поз-

воляющих определять эффективность различных объективных методов

измерения качества ТВ изображений [10.74-10.76, 10.93, 10.165].

Разработкой международных стандартов в области оценки качества

изображения, контроля и измерений параметров ТВ систем в новой 6-й

ИК занимается Рабочая группа РГ 6Q под председательством V. Baroncini

(Италия). Ее мандат включает изучение методов субъективной оценки

качества изображений и звука, методов объективных измерений качес-

тва программ вещания с учетом особенностей их восприятия зритель-

ным и слуховым аппаратом человека, методов оценки качества вещания

«от начала до конца» («end-to-end») и методов объективного измерения

искажений с помощью испытательных сигналов.

Одним из основных направлений деятельности РГ 6Q является ис-

следование методов объективной оценки качества ТВ изображений с ис-

пользованием модели зрительного аппарата, осуществляемое совмест-

но с неформальной группой экспертов VQEG, 9-й ИК и 12-й ИК МСЭ-Т.

Ставится задача определить единый метод оценки, обеспечивающий

наилучшую корреляцию результатов субъективных и объективных

измерений качества изображения.

Для решения этой задачи и проблемы отмеченной выше неадекватности

объективных и субъективных оценок качества изображения в цифровых

ТВ системах со сжатием видеоданных предложен метод метрик качества

ТВ изображений VQM (Video Quality Metrics), при котором тождествен-

ность результатов субъективных и объективных измерений достигается

путем добавления поправок к объективным оценкам и осуществляется

трансформация (кросскалибровка) различных метрик в целях их объеди-

нения в общую шкалу оценок [10.117, 10.121, 10.127, 10.128, 10.134,

10.187-10.189]. На основе этого предложения был разработан проект

Рекомендации ВТ.1676 «Методология определения точности и кросс-

калибровки метрик качества изображения» [10.190].

10.2. КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВ СИСТЕМ

522

ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ, КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ

При объективной оценке качества изображений необходима так-

же коррекция рассогласования исходного, поступающего от источни-

ка цифрового видеосигнала и обрабатываемого измерителем сигнала

в пространственной и временной областях, путем калибровки модели.

Такая коррекция может выполняться на основе контроля различия

видеосигналов с использованием сведений об исходном сигнале, пере-

даваемых с произвольной скоростью при наличии доступа к источнику

или со скоростями 10, 5, 1 и 0,5 кбит / с в случае ограниченного доступа,

например, при пространственном разнесении источника и измерителя

[10.253]. Рекомендуется осуществлять согласование сигналов с точнос-

тью до одного пикселя и одного кадра соответственно в пространственной

и временной областях при расхождении этих сигналов в пределах ± 20

пикселей, ± 2 кадра; ± 1, ± 3 с в цифровых ТВ системах и ± 3 с в систе-

мах мультимедиа, характеризующихся большой задержкой сигналов

и отсутствием их различия в пространственной области. Регламентиру-

емые диапазоны корректируемых значений цифрового коэффициента

передачи и офсета пикселей видеосигнала составляют соответственно

± 10 % и ± 10 цифровых уровней серого.

В ряде случаев при объективном измерении качества изображения

приходится учитывать искажения сигнала, вносимые видеокодерами.

В [10.254] приводятся методика и данные измерений изменений цифро-

вого коэффициента передачи и пространственного сдвига видеосигнала,

возникающих в кодерах по стандарту MPEG-4 и Рекомендации Н.264

МСЭ-Т. Показано, что типовые кодеры не вносят заметных искажений

указанного типа, и их величина не влияет на результаты расчета мет-

рик входного и выходного сигналов при объективной оценке качества

изображений в цифровых ТВ системах. Выявлено незначительное сни-

жение значений офсета сигнала при повышении его цифровой скоро-

сти. Отмечается, что в случае большого уровня вносимых искажений,

например, в смешанных аналого-цифровых трактах требуется калиб-

ровка измерительной аппаратуры в целях устранения влияния этих

искажений на результаты оценки качества изображения.

В [10.255] рассмотрен один из возможных методов объективного

измерения качества изображения в системе передачи мультимедиа,

подобный описанному выше методу автоматического дистанционного

контроля, в котором также используется обратный канал для передачи

и сравнения с эталоном результатов измерений в точке приема. Прием-

ник системы содержит формирователь информации о выпадении и за-

держке пакетов видеоданных, а также об искажениях принимаемого

523

изображения типа «замораживания» и подергивания кадров, блоково-

го эффекта, дрожания фрагментов и др. На основе такой информации,

передаваемой по обратному каналу, и потока видеоданных на выходе

кодера в передатчике формируется сигнал, идентичный сигналу, при-

нятому приемником. Результаты сравнения этого сигнала и исходного

сигнала на входе кодера используются для объективного измерения ка-

чества принимаемого изображения. Рассмотренный метод основывается

на предложенном в нашей стране способе дистанционного контроля ТВ

тракта [10.20, 10.201], позволяющем преобразовывать измерительную

информацию в НЧ аналоги и передавать их по узкополосным обратным

каналам, например, в пункты регистрации результатов измерений.

Методы объективного измерения параметров сигналов, определяю-

щих качество ТВ изображений, основываются на использовании тео-

рии весовых функций и взвешивающих цепей [10.20, 1 0.171, 10.176,

10.216], учитывающих специфику визуального восприятия искажений

ТВ изображений, и на созданных в развитие этой теории моделей зри-

тельного аппарата. К 2000 году было предложено более 10 различных

таких моделей зрения, анализ результатов испытаний которых, при-

веденный в [10.101], показал, что в настоящее время еще нельзя одно-

значно рекомендовать какой-либо единый достаточно точный метод

объективных измерений качества изображения в системах ТВ вещания

с цифровым сжатием на основе предсказания.

Параллельно с изучением моделей зрения продолжается поиск но-

вых решений использования взвешивающих цепей, примеры которых

приведены в [10.111, 10.152]. Метод, рассмотренный в [10.111], основан

на wavelet-преобразовании [10.215] сигналов каждого кадра эталонного

(исходного) и анализируемого ТВ изображений. По результатам преоб-

разования вычисляют векторы среднеквадратических разностей срав-

ниваемых сигналов всех кадров и вектор, соответствующий среднему

значению разностных векторов, с информацией о пространственных

частотах разности сигналов изображений. Далее осуществляются од-

номерное wavelet-преобразование этого вектора и представление полу-

ченных данных в виде вектора среднеквадратического значения часто-

тных компонентов разности сигналов в пространственной и временной

областях. Объективную оценку качества анализируемого изображения

предлагается производить по результатам перемножения указанного

вектора на вектор весовой функции, учитывающей особенности визу-

ального восприятия различных частотных компонентов зрительной

системой человека. Исследование аналогичных методов объективной

10.2. КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВ СИСТЕМ

524

ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ, КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ

оценки качества проводится и в других международных организациях

по стандартизации, в частности, в Международной электротехнической

комиссии (IEC) [10.118]. Метод оптимизации результатов объектив-

ных измерений с помощью вектора весовой функции, рассмотренный

в [10.111], предложено использовать в целях повышения точности оцен-

ки качества ТВ изображений путем определения пикового значения

отношения сигнал / помеха [10.123].

На основании доклада российских специалистов на конференции

Международной конвенции радиовещания IBC-2001 [10.152], посвя-

щенного контролю качества изображения в системах с видеокомпресси-

ей, было предложено дополнить Вопрос изучения 44 / 6 (бывш. 64-4 / 11)

указаниями о необходимости непрерывной оценки и контроля качест-

ва изображения в цифровых системах ТВ вещания и исследованиями

характеристик изображения, которые можно было бы рекомендовать

при объективных измерениях его качества [10.119, 10.143].

В рамках исследований в соответствии с упомянутым Вопросом изуче-

ния группой экспертов VQEG был предложен новый метод объективных

измерений качества ТВ изображений, основанный на введении в коди-

руемый цифровой видеосигнал незаметных для телезрителя сигналов

измерительных маркеров малого уровня, выделении их в точке приема

для определения указанного качества на базе оценки искажений при

передаче маркеров [10.107].

Учитывая, что при производстве и распределении программ цифро-

вого ТВ вещания применяются форматы как стандартного телевидения,

так и ТВЧ с частотами кадров 50 и 60 Гц, администрация связи Авс-

тралии предложила проект нового Вопроса изучения требований к ис-

пытательным видеопоследовательностям и измерительным сигналам,

приемлемым для систем с использованием этих форматов [10.210]. Был

предложен также проект новой рекомендации на измерительный сиг-

нал цветных полос и его отображение на мониторах с форматами экрана

16:9 и 4:3 [10.211]. Для продолжения изучений в данной области было

решено создать группу докладчиков под председательством D. Fibush

(США) [10.213].

На собрании РГ 6Р в апреле — мае 2004 года Австралия представила

модифицированный вариант проекта указанной рекомендации [10.212],

в которой сигнал цветных полос комбинировался с сигналами для про-

верки разрешающей способности системы, синхронизации изображения

и звука, амплитудной характеристики и др. Приводилось изображение

испытательной таблицы, соответствующей комбинированному измери-

525

Рис. 10.2. Мультиформатная тест-таблица

12,5%

7,0%

100%

9,3%

3,5%

2,5%

100%

75%

ɉɪɚɜɚɹ ɛɨɤɨɜɚɹ ɡɨɧɚ

Ɂɨɧɚ ɮɨɪɦɚɬɚ 4 ɯ 3

Ʌɟɜɚɹ ɛɨɤɨɜɚɹ ɡɨɧɚ

576 480 720 1080

USER-DEFINED TEXT

10.2. КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВ СИСТЕМ

526

ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ, КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ

тельному сигналу. Предложения Австралии стали основой Рекоменда-

ции ВТ.1729 «Универсальная эталонная тест-таблица для цифрового

телевидения высокой / стандартной четкости».

Собрание РГ 6Р в октябре — ноябре 2004 года рассмотрело вклад

Австралии [10.248] с предложениями по модификации этой таблицы,

на основе которого был разработан проект новой рекомендации со спе-

цификацией мультиформатной таблицы (рис. 10.2) для применения

в цифровых системах стандартного телевидения и ТВЧ с различными

частотами разложения изображения по кадрам [10.249].

Тест-таблица с форматом 16:9 содержит центральную зону форма-

та 4:3 и две одинаковые по размерам боковые зоны. В центре таблицы

расположен круг на сером фоне, содержащий наборы штриховых изоб-

ражений и маркеры, указывающие полосу пропускания системы (0,8

частоты Найквиста) и частоту Найквиста для систем с разложением

на 483, 576, 720 и 1080 строк.

В верхней части круга имеется черная зона с информацией для поль-

зователя о канале передачи или источнике сигнала. Ниже расположена

белая полоса, являющаяся эталоном для размещенного еще ниже набора

цветных полос, который может использоваться при контроле передаю-

щих ТВ камер, кодеков, мониторов и другой аппаратуры для цифрового

представления и излучения сигналов.

Ниже цветных полос расположены изображения пилообразных из-

менений составляющей яркости Y и цветоразностных составляющих

B-Y и R-Y.

Далее помещены упомянутые выше наборы штрихов, соответству-

ющих сигналам качающейся частоты Y (отвечает числу строк от 120

до 1920), B-Y, R-Y (число строк от 60 до 960), и изображение града-

ционного клина, ступеньки которого соответствуют 10 % максималь-

ного размаха видеосигнала между уровнями черного и белого.

Под градационным клином расположена полоска, перемещающаяся

по горизонтали слева направо и предназначенная для проверки синх-

ронности изображения и звука, а также фиксации активного состояния

тракта. При пересечении полоской середины зоны появляется изоб-

ражение сигнала синхронизации звука с вертикальными участками,

соответствующими опережению, совпадению и запаздыванию звука

относительно видеосигнала.

В нижней части круга расположена красная полоска на желтом

фоне, используемая для проверки расхождения составляющих ярко-

сти и цветности.

527

Левая боковая зона таблицы содержит изображение сигналов качаю-

щейся частоты B-Y (отвечает числу строк от 32 до 360), R-Y, B-Y (стро-

ки от 32 до 360) для формата 4:2:0. Имеются маркеры, указывающие

частоты Найквиста для систем с прогрессивной разверткой изображе-

ния на 483 и 576 строк.

В правой боковой зоне помещено изображение сигналов качающих-

ся частот Y, R-Y, B-Y для формата 4:2:2, соответствующих числу строк

от 64 до 720. Предусмотрены маркеры частот Найквиста, аналогичные

маркерам в левой боковой зоне.

Германия предложила универсальную электронную испытательную

таблицу в виде изображения вертикальных цветных полос, в нижнюю

часть которого вводятся два поочередно сменяющих друг друга дина-

мических элемента с индивидуальными звуковыми сопровождениями

[10.258]. Первый из них предназначен для проверки передачи сигналов

и представляет собой горизонтальную узкую черную полоску, переме-

щающуюся вверх и вниз в вертикальном направлении. Второй элемент

служит для оценки взаимной задержки изображения и звука и выпол-

нен в виде широкой черной полосы, изменяющей свое горизонтальное

положение. Первому элементу соответствует трехуровневый звуковой

испытательный сигнал по Рекомендации J.27 МСЭ-Т «Испытательные

сигналы для настройки цепей передачи международных звуковых про-

грамм». Другой динамический элемент сопровождается синхронным

пакетом звуковых колебаний частоты 1 кГц. Сигнал испытательной таб-

лицы соответствует изображению формата 4:3 и может быть трансфор-

мирован в формат 16:9 путем изменения формы квадратных пикселей,

эквивалентного анаморфотному преобразованию этого изображения.

Исследование методов измерения параметров систем с устранением

избыточности (цифровым сжатием) осуществляется в настоящее время

Рабочей группой РГ 6Q в соответствии с Вопросом 44-1 / 6 «Объективные

параметры качества изображения и соответствующие методы измерений

и контроля для цифрового телевидения». Определяются испытательные

видеопоследовательности, измерительные сигналы, методы объектив-

ного контроля и измерений качества изображений. Исследуются пара-

метры цифровых ТВ сигналов, рекомендуемые для измерения с помо-

щью квалиметров, искажения изображения и методы их коррекции.

Изучаются методы согласования скремблирования и цифрового сжатия

данных вещания в целях сохранения требуемого субъективного и объ-

ективного качества изображения в системах с ограничением доступа

к аудиовизуальной информации.

10.2. КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВ СИСТЕМ

528

ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ, КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ

Одним из основных направлений деятельности РГ 6Q является сотруд-

ничество с международными организациями по стандартизации, в том

числе с Проектом DVB. В рамках семейства стандартов DVB разработано

руководство по измерениям в системах цифрового ТВ вещания [10.250],

одна из частей которого является общей для систем передачи ТВ программ

(наземных, кабельных и спутниковых), а другая посвящена контролю

канального оборудования. Учитывается, что входным и выходным сиг-

налом цифровых систем DVB является транспортный поток MPEG-2.

Контроль этого потока предусматривает анализ его структуры и син-

таксиса. Важнейшие проверяемые параметры разбиты на три группы

в соответствии с их значимостью для решения задач мониторинга. В пер-

вую группу входят параметры, анализ которых позволяет убедиться

в том, что транспортный поток может быть декодирован с помощью

стандартного декодера. Индикаторы этих параметров указывают на по-

терю синхронизации, ошибки в синхробайте пакетов потока, ошибки

в таблицах соединения программ и структуры программы, ошибки в не-

прерывности счета пакетов данных. Данная группа параметров имеет

первый, т. е. наивысший приоритет. Если индикаторы первой группы

указывают на ошибки, то мониторинг остальных параметров потока

не имеет смысла.

Группа второго приоритета включает параметры для непрерывного

и периодического мониторинга транспортного потока MPEG-2. К этим

параметрам относятся ошибки в заголовках пакетов потока, ошибки

в контрольных суммах таблиц с программной информацией, нарушения

правил передачи отметок опорного времени и другие подобные нарушения.

В третью группу входят параметры, относящиеся к системе вещания.

Руководство TR 101 290 [10.250] определяет как общие, так и специ-

фические параметры для наземных, кабельных и спутниковых систем.

Наборы этих параметров варьируются на различных стадиях изготов-

ления и эксплуатации цифровых ТВ передатчиков. Часть рекоменду-

емых параметров может быть отражена в национальных стандартах

на вещательное оборудование для метрологического обеспечения его

выпуска. Другая часть предназначена в основном для использования

при эксплуатации систем.

Для спутниковых и кабельных систем рекомендуется фикси-

ровать их основные общие параметры, включая показатели го-

товности, коэффициент битовых ошибок (BER) перед декодерами

Рида-Соломона и Витерби, потерю синхронизации, пропадание сиг-

нала, прием искаженных пакетов транспортного потока, фазовое

529

дрожание и нестабильность тактового сигнала символов данных,

отношение мощностей РЧ и ПЧ сигналов, мощность шумов, чис-

ло цифровых ошибок после декодера Рида-Соломона, параметры

синфазного и квадратурного радиосигналов с отображением сиг-

нального модуляционного созвездия (коэффициент ошибок моду-

ляции, системная ошибка и ее девиация, относительное значение

мощности остатка несущей, дисбаланс амплитуд, квадратурные

искажения, уровень когерентных интерференционных помех, фа-

зовое дрожание радиосигнала, отношение сигнал / шум), уровень

интерференционных помех в модуляторах и преобразователях

частоты (для систем КТВ).

Рекомендуется также проверять запас помехоустойчивости, ка-

чество передачи радиосигнала, эквивалентное ухудшение отношения

несущая / шум, изменения коэффициента BER в зависимости от от-

ношения энергии сигнала, затрачиваемой на передачу одного бита

информации, к величине спектральной мощности шума, фазовое

дрожание РЧ несущей, АЧХ, ФЧХ и импульсную характеристику

канала, уровень внеполосных помех и другие специфические пара-

метры цифровых систем КТВ. В спутниковых системах измеряют ко-

эффициент битовых ошибок на входе декодера Витерби, изменения

коэффициента BER на приеме в зависимости от отношения энергии

сигнала на бит информации к величине спектральной мощности шума

и спектр ПЧ сигнала.

Значительная часть руководства [10.250] посвящена измерению

специфических параметров системы цифрового наземного вещания

DVB-T. К ним относятся характеристики РЧ сигнала, селективность

приемника, полоса захвата его ФАПЧ, фазовое дрожание колебаний

задающих генераторов в передатчике и приемнике, отношение мощ-

ностей и спектр РЧ и ПЧ сигналов, мощность шумов, динамический

диапазон чувствительности приемника в случае гауссовского распре-

деления шумов в радиоканале и т. д.

10.2.2. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ

В настоящее время существуют следующие основные Рекомендации

МСЭ-Р по измерениям и контролю в цифровом ТВ вещании:

1. Рекомендация BT.801 «Испытательные сигналы для цифровых ко-

дированных сигналов цветного телевидения, соответствующих Реко-

мендациям МСЭ-Р BT.601 (Часть A) и МСЭ-Р BT.656».

10.2. КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВ СИСТЕМ

530

ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ, КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ

Рассматриваются цифровые измерительные сигналы, рекоменду-

емые для оценки искажений при аналого-цифровом преобразовании

видеосигнала, включая его фильтрацию, дискретизацию и квантова-

ние, и искажений цифрового сигнала, в том числе, цифровых ошибок,

джиттера (временного дрожания) данных и потери кадровой синхро-

низации. Первая группа сигналов предназначена для измерения оши-

бок квантования видеосигнала и расхождения во времени активных

участков аналоговой и цифровой строк сигнала при аналого-цифровом

преобразовании его в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ. 601

(Часть А), а также для проверки правильности формата мультиплек-

сирования сигналов и работы интерфейсов по Рекомендации ВТ.656.

Вторую группу измерительных сигналов рекомендуется использовать

при испытаниях корректоров кабельных линий и схем автоматичес-

кой подстройки частоты и фазы. Измерительные сигналы формируют-

ся на основе набора стандартных структур, описывающих отдельные

фрагменты этих сигналов.

2. Рекомендация BT.1204 «Методы измерений для цифрового видеоо-

борудования с аналоговыми входом / выходом».

Регламентируются методы измерений аналоговых характеристик

аппаратуры для аналого-цифрового преобразования видеосигнала с ана-

логовыми входом / выходом с использованием испытательного пилооб-

разного сигнала малого размаха с наложенным на него синусоидальным

сигналом. Приводятся структурные схемы измерений отношения сиг-

нал / помеха, дифференциальных усиления и фазы, импульсной харак-

теристики и нелинейности составляющей яркости видеосигнала.

3. Рекомендация BT.1363 «Спецификация джиттера и методы измере-

ния джиттера последовательных цифровых сигналов, соответствующих

Рекомендациям МСЭ-Р BT.656, BT.799 и BT.1120».

Приводятся рекомендуемые методы измерений джиттера (фазово-

го дрожания) последовательных цифровых сигналов по Рекоменда-

циям МСЭ-Р ВТ.656, ВТ.799 и ВТ.1120, используемых в ТВ студиях,

приемниках и регенераторах сигналов программ цифрового вещания.

Рассматриваются процедуры измерения уровня джиттера цифровых

сигналов на входах и выходах аппаратуры.

4. Рекомендация ВТ.1676 «Методология определения точности и кросс-

калибровки метрик качества изображения».