Дунаев П.А.

  Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск, Россия

 СУБЪЕКТИВНЫЕ И ОБЪЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЦИФРОВОМ ТВ

 

Важным аспектом внедрения цифрового ТВ вещания является возможность оценки качества ТВ изображения и измерений параметров цифрового ТВ канала. Оценка каче­ства ТВ изображения может производиться прямыми методами – непосредственно оценкой изображения на экране, или косвенными, по качеству ТВ сигнала на выходе испытуемого канала. В зависимости от режима испытаний может использоваться тот или иной тестовый материал. Оценка может производиться как результат наблюдения человека или группы людей или с помощью приборов, фиксирующих ухудшение каче­ства изображения или искажения ТВ сигнала. Испытания могут проводиться как в ходе эксплуатации, на реальном программном материале, так и вне эксплуатации, с помощью специально подобранных тестовых сигналов и сцен. Возможные сочетания раз­личных методов и режимов испытаний показаны в табл. 1.

 

Таблица 1. Методы и режимы испытаний ТВ систем

Метод испытаний

Вид тестового материала

в процессе эксплуатации

вне эксплуатации

Метод субъективных

экспертиз (качество изо-бражения)

Программный материал

Тестовые кадры или сцены

Метод приборной оцен-ки качества изображения (качество изображения)

Программный материал

Тестовые кадры или сцены

Объективные измерения параметров сигнала (ка-чество сигнала)

Тестовый сигнал в

интервале кадрового

гашения

Полномерный тестовый сигнал

             

Ввиду отсутствия стандартизованных методов контроля в основу большинства методов и критериев оценки качества компрессированного цифрового ТВ изображения и звуко­вого сопровождения положен непривычный для большинства практических ТВ инже­неров принцип: «если система хороша для пользователя, то она хорошая». Этот прин­цип нашел свое отражение в концепции «качества обслуживания QoS» (Quality of Service) [1]. МСЭ определяет качество обслуживания как «совокупный эффект характеристик обслуживания, которые определяют степень удовлетворения пользова­теля услуг». Пользователь – ключевой элемент этой концепции.

Рис. 1. Компоненты типовой системы цифрового телевидения

 

Цифровая ТВ система может быть описана в терминах четырех главных компонен­тов: источник программы; средства обработки программы; линии передачи; зритель. Компоненты связаны соответствующими интерфейсами через шлюзы (рис. 1). Сквоз­ное QoS будет определено требованиями всех пользователей на разных участках систе­мы. Итоговый перечень технических требований может быть достаточно внушитель­ным. Например, для телефонии он достигает 350 наименований. Для цифрового телевидения полный перечень параметров пока не утвержден.

Все параметры можно разделить на две группы – требующие измерений или связан­ные с мониторингом (наблюдением) изображения и звука. Измерение дает наиболее точную и адекватную оценку параметра, но может потребовать более сложного оборудо­вания. Точные измерения важны на таких этапах, как разработка, изготовление, выбор оборудования, приемочные испытания, ввод системы в действие. Мониторинг ис­пользуется для поддержания QoS в процессе эксплуатации. Он требует непрерывной оценки в реальном времени ограниченного набора параметров, часто с меньшей точнос­тью. В качестве параметров QoS для мониторинга могут использоваться качество сигнала (косвенный параметр), качество изображения, наличие дефектов на изображении и др.

Рис. 2. Уровни тестирования в комплексе производства программ

В комплексе производства программ можно выделить три уровня тестирования, как показано на рис. 2: 1) уровень видеосигнала; 2) уровень протокольного стыка комп­рессированного сигнала; 3) физический интерфейс с системой передачи. На первом уровне по прямым или косвенным признакам оценивается качество изображения, здесь имеют дело с композитным или компонентным сигналом стандартного качества или сигналом ТВЧ. На втором уровне рассматриваются форматирование транспортного по­тока и преобразование его для подачи в канал связи, на третьем – физическое соедине­ние с каналом передачи. Передача аналоговых и несжатых цифровых видеоизображений может оцениваться традиционными методами оценки испытательных сигналов. В не­линейных системах, к которым относится и система цифрового сжатия, должно оцени­ваться непосредственно качество изображения. Понятно, что под «качеством изображе­ния» понимается его ухудшение по сравнению с исходным, а не присущее изображению как результату творческого процесса некоторое содержание.

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 [3]. 

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 [2]. Таким образом, передаваемый поток данных дополнительно выполняет функции измерительной информации для сквозного контроля всего цифрового тракта в процессе передачи.

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 [4].

Созвездие для конкретного типа модуляции 64-QAM представлено на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

               

 

 

 

Рис. 3. Созвездие для типа модуляции 64-QAM

 

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.

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 [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.

 

Литература:

1. Tektronix. A Guide to Maintaining Quality of Service for Digital Television programs. www.tek.com

2. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1989.

3. 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".

14. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Тракт передачи радиосигналов в системах цифрового наземного ТВ вещания. Электросвязь, № 6, 1998.