Ovisnost kvalitete televizijske slike o brzini prijenosa videosignala : doktorska disertacija - Bauer, Sonja (Zagreb : S. Bauer, 1996)
Sažetak: Postupcima kompresije videosignala se postiže redukcija brzine prijenosa izvornog videosignala do razine koja je neophodna za postizanje zahtjevane kvalitete slike u pojedinoj primjeni videosignala. Algoritmi kompresije videosignala se zasnivaju na uklanjanju prostorne i vremenske redundancije u slici. ISO/IEC MPEG skupina stručnjaka (Moving Picture Experts Group) je definirala algoritam kodiranja videosignala namjenjen pohranjivanju digitalnog videosignala koji se zasniva kako na uklanjanju prostorne redundancije unutar pojedine slike, tako i na uklanjanju vremenske redundancije između uzastopnih slika za postizanje visokog stupnja kvalitete slike uz niske brzine prijenosa.
Izobličenja slike koja se pojavljuju u sustavima digitalnog videosignala se razlikuju od onih koja se pojavljuju u analognim sustavima i ovise o primjenjenom postupku kodiranja i uklanjanja redundancije. Općenito se svojstva postupaka kompresije videosignala mogu ocijeniti objektivnim i subjektivnim mjerilima kvalitete. Objektivne mjere kvalitete su one koje se zasnivaju na proračunavanju srednje kvadratne pogreške ili odnosa signal/šum. One imaju ograničenu djelotvornost u predviđanju kvalitete komprimiranih slika kako ih vidi promatrač. Stoga se koriste subjektivne mjere kvalitete koje su prilagođene svojstvima ljudskog vizuelnog sustava a dobiju se provedbom subjektivnih psiho-fizičkih ispitivanja organiziranih tako da pokažu kako će promatrači ocijeniti kvalitetu slike.
Stoga subjektivna ispitivanja kvalitete slike imaju veću djelotvornost u određivanju utjecaja postupaka kompresije na kvalitetu slike. Porastom primjene MPEG postupka kodiranja, ocjena utjecaja navedenog postupka na kvalitetu slike dobiva sve veći značaj. Subjektivni postupci ispitivanja kvalitete televizijske slike propisani ITU-R preporukom BT.500 mogu biti korišteni i za ocjenu kvalitete slike nakon MPEg kodiranja, ali ispitne sekvence trebaju biti pažljivo odabrane i s različitim razinama aktivnosti i operacijama kamere jer je kvaliteta slike u sustavima s visokim stupnjem kompresije u velikoj mjeri ovisna o sadržaju slike. Ispitivanje subjektivne kvalitete slike MPEG-1 postupka kodiranja je provedeno korištenjem dvopodražajnog postupka s ocjenom izobličenja slike ("EBU" postupak).
MPEG postupak kodiranja je ispitan u odnosu na kvalitetu slike i izobličenja nastala u postupku dekodiranja. Referentna sekvenca u ispitivanju je bila izvorna sekvenca bez uključenog postupka kompresije. Kako bi se postigla ravnoteža između kritičnog i umjereno kritičnog ispitnog materijala odabrane su četiri vrste ispitnih sekvenci s različitim razinama aktivnosti i brojem detalja u sceni. Ispitne sekvence su generirane korištenjem Sun video-sustava. Sun video-sustav je sustav za dohvat i kompresiju videosignala u stvarnom vremenu koji sadrži sklopovsku podršku za nekoliko postupka kompresije uključujući MPEG-1. Sun video-sustav radi u bliskoj vezi s XIL bibliotekom funkcija za procesiranje slike koja sadrži skupinu atributa čijim postavljanjem je moguće utjecati za postupak kodiranja i dekodiranja videosignala.
Atribut "COMPRESSOR_BITS_PER_SECOND" je korišten za određivanje brzine prijenosa na izlazu iz kodera, čime je izravno upravljano kvalitetom slike jer razina izobličenja slike ovisi o dozvoljenoj brzini prijenosa. Za konstantnu brzinu prijenosa mijenjan je atribut "DECOMPRESSOR_ QUALITY" kako bi se utjecalo na provedbu postupka dekompresije. Dobiveni rezultati subjektivnog ispitivanja su statistički obrađeni i za sve kombinacije ispitnih sekvenci i parametara ispitivanja je proračunata srednja iskustvena vrijednost i disperzija razdiobe ocjena. Vjerodostojnost rezultata ispitivanja je provjerena usporedbom ocjena koje je pojedini promatrač dodijelio istoj ispitnoj sekvenci u dva različita ispitivanja.
Srednja iskustvena vrijednost cijelog eksperimenta je 3.193 što ukazuje na dobar odabir ispitnog materijala koji je omogućio da većina ocjena bude upotrjebljena od većine promatrača. Srednja iskustvena vrijednost raste porastom brzine prijenosa za sve četiri ispitne sekvence do određene granične vrijednosti (vrijednosti praga), nakon koje nastavak porasta brzine prijenosa ne utječe na porast srednje iskustvene vrijednosti. Sekvence videosignala s većom razinom pokreta i većim brojem detalja u sceni (manjom količinom redundantnih informacija) u području nižih brzina prijenosa daju manju srednju iskustvenu vrijednost nego sekvence s većom količinom redundancije.
Uzrok tome je u samom algoritmu kodiranja jer koder, da bi postigao zahtjevanu razinu brzine, prvo smanjuje ili uklanja redundanciju, a nakon toga, ako brzina prijenosa još nije na dovoljno niskoj razini, počinje s nizom aproksimacija u slici sve dok se brzina prijenosa ne dovede na željenu razinu. Prag brzine prijenosa je brzina prijenosa za koju je redundancija u slici potpuno uklonjena i daljnje snižavanje brzine prijenosa je moguće samo uz aproksimacije u postupku kodiranja koje dovode do pojave vidljivih izobličenja u slici. Koder će raditi bolje za slike s manjim brojem detalja i nižom razinom pokreta.
Srednje iskustvene vrijednosti za sekvence dekodirane s različitim kvalitetama pokazuju da pri najnižoj razini kvalitete postupka dekompresije, najnižu srednju iskustvenu vrijednost ima sekvenca s najvećim brojem detalja u sceni, koja može biti rekonstruirana samo uz mnogobrojne aproksimacije koje rezultiraju u niskoj kvaliteti slike. Ocjena kvalitete slike u sustavima digitalnog videosignala je složen postupak jer parametri koji su objektivna mjera kvalitete ne odgovaraju doživljaju viđene slike u čijem stvaranju posreduje ljudski vizuelni sustav.
Stoga je najbolji način vrednovanja kvalitete slike onaj koji se zasniva na pažljivo provedenim subjektivnim psihofizičkim ispitivanjima koja vode računa o svojstvima ljudskog vizuelnog sustava i doživljaja slike, pokazujući kako će promatrači ocijeniti kvalitetu slike. Stoga su subjektivna ispitivanja najbolji način određivanja utjecaja postupaka digitalne kompresije videosignala na kvalitetu slike. Ključne riječi: izvori videosignala, brzina prijenosa, kompresija videosignala, MPEG kodiranje, Sun video-sustav, kvaliteta slike, ispitne video-sekvence, subjektivna ocjena
Abstract: Video compression algorithms are designed to reduce the bit rate of the original source as much as possible and still maintain the subjective picture quality required by the application. Bit rate reduction can be obtained by removing spatial (intraframe) and temporal (interframe) redundancies of the pictures. ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) standardized video compression algorithm for digital storage media, (so called MPEG-1), which uses both interframe and intraframe coding to reduce temporal and spatial redundancy and achieve high quality full motion video at low bit rates. Picture impairments in digital video systems are different from those that occur in analogue systems and depend on the methods of coding and redundancy reduction employed.
Generally, the performance of a video compression system can be evaluated objectively or subjectively. The objective methods are based on computable distortion measure such as mean squared error or signal to noise ratio (SNR). Objective measurements have limited effectiveness in predicting the quality of compressed images as seen by the observers. On the other hand, subjective assessment is geared directly toward properties of the human visual system. Subjective assessments are controlled psycho-physical experiments designed to find out how the observers would judge picture quality. It is the reason why subjective assessment is the most effective method for determining the influence of video compression method on picture quality. With the increasing applications of MPEG coding the assessment of MPEG coding impairments becomes very important.
Subjective methods for convenient television picture quality and impairment assessment given in ITU-R BT.500 can be applied to MPEG codec but the test sequences should be chosen very carefully with different types of movement and camera operation. The reason is that the quality available from high compression systems depends very much on the content of the picture. The testing methodology for subjective evaluations of MPEG-1 picture quality was the double-stimulus impairment scale method with five-grade impairment scale ("EBU Method"). MPEG-1 codec performance was examined in terms of basic decoded picture quality and impairment associated with decoding process. The original source sequence without compression was used as the reference condition.
To obtain a balance of critical and moderately critical material four kinds of test sequences with different levels of movements and number of details in scene were identified. The test sequences are made using Sun Video system. Sun Video is real-time video capture and compression system which provides on board hardware video compression and supports several video compression techniques including MPEG-1. The Sun Video system is designed to work closely with the XIL 1.1 Imaging Library. XIL contains a class of attributes that can be set for the particular compressor and decompressor. Setting any of the MPEG-1 compression attributes affects how an MPEG-1 compressor compresses images. The "COMPRESSOR_BITS_PER_SECOND" attribute was used to tell the encoder how many bits it can use to encode one second's worth of pictures.
The level of impairments in test sequence depends on allowed bit rate. The different bit rates result in different picture qualities. For the constant compressor bit rate decompression attribute "DECOMPRESSOR_QUALITY" was changed. Statistical analysis of the test results was performed. The mean opinion score (MOS) and variance were computed for every combination of the test condition and the test sequence. The analyses of the data confirmed that the observers performed within accepted limits of consistency. The coherence of the results was checked by examining the grades given by the same observer to the same picture in the same test session. The grand mean score (average value of all grades) is 3.193. It indicates that the test material was carefully chosen so that all grades are used by the majority of observers.
The MOS of test sequence with low level of activity and test sequence with high level of activity and more details coded with different bit rates show that MOS increase with increasing the bit rates and trend to saturate for higher bit rates. Also, statistical results show thet sequence with low level of activity gives higher grades then the sequence with high level of activity for the same bit rates. It is more obviously in the low bit rate region. When MPEG-1 coder extracted redundant information, if it is still not enough to reduce the bit rate to the required level, it makes a series of approximations on the picture until the bit rate comes down to the value needed. The result is typically noise and blocking in the picture when a given "bit rate threshold" (determined by redundancy) is exceeded.
Beyond this threshold things get worse for the quality, because more approximation need to be made. The lower the bit rate is required, the earlier the approximation will make faults. It means that codec works better for pictures without details and subject movement (high redundant pictures). The MOS of test sequences decompressed with different quality of decompression levels show that for the lowest decompression quality sequence with many details and subjects movement has the lowest MOS. This sequence can be reconstructed only with many approximations that result in very low picture quality. The evaluation of quality for digital systems is a complex affair, and it is mistake to believe that a few simple quality measures characterize a system.
The objective measures such as Signal to Noise Ratio and Mean Squared Error do not correlate well with subjective quality measures. So, in the coding of video signals, subjective measures of quality are more relevant than the objective measures. Subjective assessments are geared directly toward properties of the human visual system and designed to find out how the observers would judge picture quality. It is the reason why subjective assessment is the most effective method for determining the influence of video compression method on picture quality. Key Words: video signal sources, bit rate, video signal compression, MPEG coding, Sun video-system, picture quality, test video-sequence, subjective assessment
Doktor tehničkih znanosti - elektrotehnika
mentor: Branka Zovko-Cihlar; Komisija za ocjenu: Viljem Jerič, Branka Zovko-Cihlar, Davor Butković; Komisija za obranu: Viljem Jerič, Branka Zovko-Cihlar, Davor Butković, Leo Budin, Borivoj Modlic; datum obrane: 27.05.1996.; datum promocije: 18.10.1996.
Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 1996
Bibliografija: str. 167-178
Sažetak
Keywords: Video signali -- Kodiranje