有效測量高解析影像系統性能

輝輝仔

HD(高解析)電視系統的目標是創造一種新的品質體驗(QoE)。這種QoE由幾個因素決定，其中最重要的就是影像和聲音品質。品質與內容之間呈反比關係。當品質相同時，內容就成為決定節目優劣的關鍵，而內容相同時，品質則成為決定因素。無論如何，電視總是一種商業行為，每家廠商都必須確定一種策略來平衡內容與品質之間的矛盾。

' i+ G3 J* }8 {* l0 {* z( s測試與測量的目的不外乎提高和管理節目品質。與汽車產業類似，我們必須接受這樣一個事實，那就是品質控制並不是一個在節目製作後期進行修修補補的過程，必須從一開始就著手，並且在節目製作過程中的每一個環節都貫徹執行。


儘管類比訊號與全頻寬數位視訊的品質能夠通過測量靜態測試訊號的失真來間接表徵，但壓縮電視系統面臨更加艱鉅的挑戰。一個壓縮系統中的影像品質可能隨數據率、影像複雜度以及所採用的編碼演算法不同而動態變化。測試訊號的靜態本質並不能反映影像品質的真實特徵。此時，可以採用具有正常內容與運動影像的測試場景來測量訊號品質，並根據觀眾的報告確定測量結果，但這種評估壓縮視訊系統性能的方法效率低得可憐。Tektronix公司的影像品質分析儀PQA500則為影像品質的主觀評估提供了一種快速、實用、可重複並且客觀的測量方案。
  k& S! k7 o' z5 b: T9 V

% X6 i" Q7 t2 S( K2 F, h& yPQA500介紹
$ Q9 ?0 T1 V' f
3 ~5 X6 D% Q% N+ S
PQA500的輸入是兩個視訊文件：一個原始參考視訊序列文件和一個經壓縮或處理過的受損參考文件。首先，PQA500無需視訊序列中內嵌的校準條紋即可對這兩個輸入序列進行空間和時間的對齊，然後根據人類視覺系統與注意力模型對測試視訊的品質進行分析，並輸出一個與主觀評價高度相關的品質測量結果，其中包括輸入視訊的整體品質報告、逐訊框測量結果以及每一訊框影像的受損圖。此外，PQA500還提供了PSNR(峰值訊息雜訊比)等作為業界基準傳統影像品質測量數據，以及用於測量典型視訊損傷和檢測影像瑕疵的影像損傷診斷工具套件。
9 e0 s) o5 i; p% |: I
! e4 J- r0 P% v
每一個參考視訊序列和測試短片都有不同的解析度和訊框速率。PQA500可進行HD和SD之間、SD和CIF之間及其它多種組合方式下的影像品質測量。PQA500還支援時間不限的測量短片，允許透過各種轉換技術對整部電影的影像品質進行定量測試。
( S# A" O8 a5 G9 y

5 k, ?2 e1 P9 ~. Y, k* cSMPTE 372M標準


$ g  n0 [6 q; {& @為獲得最佳品質的視訊材料，1080p50或1080p60格式成了最佳選擇。由於這兩種格式需要在後期製作中進行RGB 4:4:4處理，因此需要高速介面來處理額外的數據。目前，大多數設備都依靠雙鏈路來實現這一高速介面，但SMPTE 372M雙鏈路標準在傳輸視訊和音訊數據時支援多種模式與色彩空間。要提供最佳測量結果，必須進行單通道分析、通道間時序測量，並為色彩分級應用提供組合波形與向量。Tektronix公司的WFM/WVR7120模組化波形監測系列產品就能為此類應用提供分析，其精密度能在1.5Gbit/s下進行可靠的實體層測量。
$ V# H7 c- f! e/ M5 O9 V' Y
! D) T+ K2 D$ F* H" x) [; r3 n
口唇同步問題

+ j2 `* ~' \  E' M4 ~+ D& t
電視訊號中最讓人討厭的品質損傷是音視訊的不同步。這種問題在業界被稱作口唇同步問題。當音訊處理與視訊處理的時間出現差異，二者沒有正確對齊時，就會產生這種問題。


業界已經有人嘗試利用在線測試和糾正方法來解決這個問題，但大多數編碼方案實際上都砍掉了輔助數據域，而傳統在線測試訊號就位於這個輔助數據域內。隨著多通道音訊和壓縮格式的環繞聲音訊的日益普及，這一問題解決起來變得更加困難。


9 g) Y; n, r  T# D* E因此利用一組特定的音視訊程式進行離線測試仍是可選的方法之一。儘管大多數訊號採用的測試模式需要依靠作業員的聽覺與視覺來尋找音視訊之間的正確定時關係，但Tektronix提供的測試程式已整合在高階分析儀與新的WFM7120中。
( j  |3 H) A) x& ~0 O
. F! C1 i' U7 ~) v
- f( s- A0 U  m4 D在使用這種測試程式時，首先要將一組相關的音訊與視訊測試訊號送入系統，然後由波形監視器對這組音、視訊之間的時序差異進行精確測量。該測試訊號支援SD和HD數位格式。
+ h' H" Y2 n# A! j

跨層監測
2 o) ^* B5 F7 |, M2 \

HDTV能否取得商業成功，關鍵取決於能否為收看者提供最佳的影像品質。在衛星和有線電視應用中處於領先地位的標準是H.264/MPEG-4 Part 10，而在IP領域佔主導地位的是VC-1和H.264。

2 q  b! K3 o" f4 I2 w+ Q. h! y% U! e
要想充分利用這些視訊編解碼器的所有潛在好處，就必須正確地除錯訊號傳送通道，不論這種通道是衛星傳輸、有線傳輸、地面傳輸還是IP傳輸。在行動電視中使用的是CIF或QCIF等解析度較低的格式，但存在的問題與IP通道非常相似。對於傳統的衛星電視、有線電視或地面廣播電視等系統來說，必須同時關注射頻域和視訊域。

4 W. |" S3 u* P5 V
1 G# H! z# r2 B6 A這種方法被稱作跨層監測，是一種預處理方法，在遇到傳輸問題時能進行快速的故障隔離與故障根源識別。為了達到規模效益，Tektronix公司在其儀器中導入了射頻通道輪流檢測機制，可以在各個通道間進行智慧的循環檢測，同時仍能優先處理關注度較高或價值較高的通道。在IP域，現在已經可以實現跨許多段的快速監測，能立刻指示重要的訊號故障並加以深入診斷，因而幫助設計人員正確查找問題所在。
4 u. O4 B, G( U3 L3 b0 O. r8 r
* P2 S, I& S) {9 b4 b! s& M
MTM400 MPEG、射頻和IP監視器可確保服務品質要求和服務等級約定得到追蹤和滿足。


1 K# x0 U8 u4 a" Q基礎數據串流分析
. k$ y6 S. F5 Z: f8 ?0 U% w
7 X! I5 W1 _: e0 r$ }
& z6 \4 Q5 ]( Z' z) o  Y5 C1 E- [: J' T% R為了改善H.264品質，Tektronix還開發了一套測試套件用於基礎數據串流分析，以提高編程效率。該套件包含一個H.264多工器、一個緩衝記憶體分析儀和一個傳輸串流分析儀。其中H.264多工器可以幫助用戶利用Tektronix的Vclips測試數據串流庫製作測試傳輸串流，緩衝器分析儀用於驗證視訊轉換盒設計和數據串流的一致性，傳輸串流分析儀則用於確保傳輸的是經H.264編碼的數據串流。
- z% d$ t! @) c$ J

2 k: T8 T0 t$ i. l$ m該測試套件配合MT430等測試硬體就能進行即時測量。為了改善連接性與跨層測試功能，升級後的MT430已具備多種射頻與IP介面。

: o3 @2 u: g0 @+ a7 M1 l6 G
要支援HDTV的端到端測試需要不同域中的各種測試工具與專業技術，例如未壓縮的多種格式視訊和音訊、用於播放的壓縮視訊以及儲存與工作流程所需的文件型視訊等域。

' d3 x" g. A' n/ n, |5 T
圖1：Tektronix公司的PQA500影像品質分析卡\MTM 400 MPEG傳輸數據串流監測儀。