ITU-R BT 813 FRENCH-1992 Methods for objective picture quality assessment in relation to impairments from digital coding of television signals《与电视信号数字编码带来损害有关的客观图像质量评定的方法》.pdf

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1、 Rec. UIT-R BT.813 1 RECOMMANDATION UIT-R BT.813*Mthodes dvaluation objective de la qualit de limage en fonction des dgradations qui rsultent du codage numrique des signaux de tlvision (Question UIT-R 44/6) (1992) LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que, avec la gnralisation du

2、codage numrique et de la transmission dbit binaire rduit, lvaluation des dgradations dues au codage revt une importance cruciale; b) que lon a besoin de procder des mesures objectives pour des valuations spcifiques comme les contrles de routine et loptimisation des systmes; c) que lon peut dfinir pl

3、usieurs types de mesures objectives pour les divers systmes et applications numriques; d) que ladoption de mthodes normalises est essentielle pour lchange dinformations entre divers laboratoires, recommande 1 que lon utilise, pour obtenir des mesures objectives de la qualit de limage numrique, les m

4、thodes gnrales dcrites dans lAnnexe 1; 2 que lon choisisse les mesures objectives appropries un systme ou une application en fonction des informations donnes dans lAnnexe 1. ANNEXE 1 1 Introduction Lvaluation des dgradations dues au codage est devenue dune importance cruciale avec lutilisation accru

5、e du codage numrique et de la transmission dbit binaire rduit. La comprhension des mthodes dvaluation est importante non seulement pour tudier la qualit de codage des nouveaux quipements, mais aussi pour interprter les rsultats des mesures faites sur des appareils de ce genre, ainsi que les dfinitio

6、ns des objectifs de qualit. De plus, les codecs numriques et toutes les oprations numriques adaptatives ou non linaires ne peuvent pas tre pleinement caractriss au moyen des signaux dessai et des mires traditionnels de la tlvision. La qualit des codecs qui servent la distribution peut se mesurer obj

7、ectivement, les spcifications de la qualit sexpriment en fonction des apprciations subjectives dobservateurs. _ *La Commission dtudes 6 des radiocommunications a apport des modifications rdactionnelles cette Recommandation en 2002 conformment aux dispositions de la Rsolution UIT-44. 2 Rec. UIT-R BT.

8、813 Les tudes indiquent quil est souhaitable dtablir des relations entre les mesures objectives sur les signaux dgrads par le codage numrique et la qualit visuelle de limage ainsi obtenue. La prsente Annexe rend compte des progrs accomplis dans ce sens, mais le but est de plus en plus difficile atte

9、indre avec laccroissement de complexit des codecs. En thorie, la qualit dun codec prvue pour des applications de contribution pourrait donc tre dfinie en termes de caractristiques objectives ou subjectives car le signal quil produit nest pas destin au visionnage immdiat, mais la postproduction, lenr

10、egistrement et/ou au codage pour transmission ultrieure. Du fait de la difficult de dfinir la qualit pour une srie doprations de postproduction diffrentes, le principe choisi a consist dfinir les performances dune chane dappareils, y compris pour la fonction de postproduction, considre comme reprsen

11、tative dune application de contribution relle. Cette chane pourrait tre constitue dun codec, suivi par un dispositif de postproduction (ou par un autre codec dans le cas de lvaluation de la qualit intrinsque de la contribution), puis par un autre codec avant prsentation du signal lobservateur. Ladop

12、tion de cette stratgie pour les codecs destins aux applications de contribution a pour consquence que les procdures de mesure dcrites dans la prsente Annexe peuvent aussi tre utilises pour les valuer. 2 Classification des codes numriques La fonction du codage numrique est de rduire le dbit binaire n

13、cessaire pour reprsenter une squence dimages tout en garantissant une perte de qualit dimage minimale. Le matriel numrique y parvient en liminant de limage le plus possible dlments statistiquement redondants (cette premire tape thorique nintroduit donc aucune perte de qualit). Si lon doit rduire dav

14、antage le dbit binaire, il faut introduire une certaine distorsion dans limage, mais lun des objectifs dans la conception dun codec est de masquer cette distorsion en exploitant certaines insensibilits de perception du systme visuel humain. Il est commode de rpartir les codecs entre deux classes reg

15、roupant ceux utilisant un codage longueur de mot fixe et ceux o cette longueur est variable (on trouvera respectivement les dfinitions de ces termes aux 3.1 et 3.2). La seconde classe a un meilleur rendement et est plus complexe; elle comprend tous les systmes rcemment proposs pour le codage de la v

16、ido 4:2:2 entre 30 et 45 Mbit/s. La premire classe est cependant suffisante pour rduire la vido 4:2:2 140 Mbit/s, tout en conservant la qualit exige pour les applications de contribution. Il est aussi utile de subdiviser encore ces classes en considrant les codecs intratrame (ou spatiaux) et ceux in

17、terimages (ou intertrames) comportant des mmoires dimage (ou de trame) leur permettant dexploiter la redondance qui existe entre images (ou trames) conscutives. Il commence apparatre une troisime classe de codecs utilisant un codage mots de longueur variable, mais conus pour des rseaux dbit binaire

18、variable. Ces codecs peuvent en principe conserver limage dcode une qualit constante jusquau maximum de charge du rseau. Les essais de qualit de tels codecs devraient tenir compte de la nature du rseau utilis, ainsi que des statistiques des donnes injectes par tous ses usagers et ils restent tudier.

19、 3 Evaluation objective des codecs en termes de dgradation perue de la qualit dimage 3.1 Codecs mots de longueur fixe Dans les codecs mots de longueur fixe, on utilise un nombre invariable de bits pour reprsenter un nombre donn dchantillons de limage initiale. Par exemple, dans les codecs MIC ou MIC

20、D, mots de longueur fixe, un nombre invariable de bits est affect la reprsentation de chaque Rec. UIT-R BT.813 3 chantillon de limage et dans ceux du type transformation ou quantification vectorielle mots de longueur fixe, un nombre invariable de bits est attribu chaque bloc dchantillons de limage.

21、3.1.1 Mthodes bases sur lutilisation de signaux dessai artificiels Dans ces codecs, la dgradation introduite dans chacun des chantillons dimage reus dpend de la valeur de ses voisins, soit dans la mme trame (codecs intratrame), soit dans la mme trame et dans la prcdente (codecs intertrames). Il est

22、donc possible de provoquer artificiellement au moyen de signaux dessai numriques bi ou tridimensionnels les dgradations caractristiques du codage numrique appliqu limage. Certains des facteurs de dgradation ont reu des noms, comme les faux contours, le bruit granulaire, le flou, les effets de blocs,

23、 etc., qui correspondent la manire dont ils sont perus par les observateurs. Aprs avoir provoqu ces distorsions, on peut mesurer objectivement leur amplitude et en mettant profit lexprience acquise au cours des valuations subjectives, les rsultats peuvent tre mis en relation assez quantitative avec

24、la qualit du codec. Il peut tre difficile dtablir une relation entre les facteurs de dgradation et leur interprtation par les observateurs dans les systmes de codage intertrames ou dans ceux utilisant un traitement adaptatif car cette relation peut varier tout moment en fonction des mouvements ou de

25、 ladaptation de lalgorithme de codage. Une mthode qui constitue une solution possible ce problme utilise dabord pour les essais subjectifs des chelles tablies partir dadjectifs de sens oppos (technique de la diffrence smantique), puis les rsultats sont analyss par analyse de la composante principale

26、 pour en extraire les facteurs de dgradation de la qualit dimage. Les rsultats du classement peuvent tre tests en appliquant une analyse de rgression multiple qui met en relation les facteurs de dgradation et les jugements subjectifs. Le Tableau 1 prsente une liste de facteurs de dgradation de la qu

27、alit dimage. TABLEAU 1 Exemple de facteurs de dgradation de la qualit dans les systmes numriques et mesures physiques correspondantes (units) Ces mthodes semblent convenir pour lvaluation des codecs et constituer aussi des outils de conception dun codec, mais elles sont difficiles mettre en relation

28、 avec les performances de lappareil en face dimages relles, et ceci pour les raisons suivantes: la composition complexe dune squence dimages relles ne peut pas tre reprsente de manire satisfaisante par un nombre raisonnable de signaux dessai artificiels; Facteur de dgradation de la qualit dimage Mes

29、ure physique Flou Temps de monte de la rponse impulsionnelle Flottement de contours Gigue dans la rponse impulsionnelle Faux contours Sc-cau minimum c-c derreur de quantification Bruit granulaire Equivalent au rapport S / N analogique exprim en termes de Sc-c / NeffEffet de vitre sale Amplitude maxi

30、male du bruit Flou d au mouvement Temps de monte dune transition mobile Instabilit Diffrence de position des transitions mobiles entre images ou trames 4 Rec. UIT-R BT.813 les dgradations peuvent tre de nombreux types et tre difficiles classer du fait de leur nature subtile (par exemple, une distors

31、ion donne peut ntre visible que dans les parties textures dune image en mouvement dune faon particulire); il risque dtre difficile de dfinir des mesures objectives significatives des dgradations (par exemple, pour le rendu du mouvement). Signalons que la dure de ces mesures devrait correspondre la f

32、entre dobservation dont on dispose pendant la prsentation des essais subjectifs. 3.1.2 Mthodes bases sur des images naturelles et des erreurs de codage On peut considrer les squences dimages naturelles comme composes dun certain nombre de rgions diffrentes du point de vue de leur nature et de linflu

33、ence quelles exercent sur les codecs mots de longueur fixe. La nature de la squence aura donc un effet significatif sur la qualit perue par lobservateur. Il est aussi possible, en cas de comparaison entre deux codecs, que ce soit la squence en question qui dtermine quel est celui des codecs paraissa

34、nt tre le meilleur. Ces faits mettent en lumire limportance du choix des images employes dans les valuations subjectives (voir la Recommandation UIT-R BT.500), mais ils dmontrent aussi que la mesure objective dun codec donn doit prendre en compte la nature de limage si lon veut tablir une relation e

35、ntre les rsultats de cette mesure et ceux de lvaluation subjective. Les formes les plus courantes de mesure objective de la qualit sont bases sur les erreurs de codage dun codec, cest-dire sur la diffrence entre la squence dimages applique son entre et celle obtenue en sortie aprs dcodage. Ce signal

36、 de diffrence (souvent damplitude) peut lui-mme tre visualis et il constitue une aide utile pour les spcialistes de la conception des codecs. Il ne doit cependant pas tre utilis dans les essais subjectifs. 3.1.3 Mthodes bases sur lerreur quadratique moyenne normalise Lerreur quadratique moyenne de c

37、odage est frquemment utilise dans la mesure objective de la qualit des images dcodes. Il sagit de la moyenne sur lensemble des chantillons dune squence dimages des carrs de lerreur de codage sur les chantillons; sa valeur est gnralement normalise par rapport au carr de la largeur de la dynamique des

38、 chantillons dimage. On donne quelquefois lerreur quadratique moyenne normalise (EQMN) comme facteur de bruit de codage, sous la forme 10 log (EQMN). La popularit de la mthode EQMN tient sa simplicit mathmatique, mais le rsultat ne doit tre considr quavec prudence comme une mesure de la qualit aprs

39、dcodage. Par exemple, elle est incapable de faire la distinction entre un petit nombre dimportantes erreurs de codage (gnantes pour lobservateur) et un grand nombre derreurs de faible amplitude susceptibles de ne pas tre perues. On a tent de pondrer le signal derreur de codage par une opration logar

40、ithmique avant lvaluation de EQMN, grce un filtre reprsentant un modle de la vision et on a ainsi obtenu une meilleure corrlation avec le rsultat des valuations subjectives. La EQMN est un bon outil pour la mise au point des codecs o lon doit souvent comparer des mthodes de codage trs semblables, ce

41、st-dire utilisant des variantes mineures dun mme algorithme et o lon peut admettre que le traitement des erreurs est identique. 3.1.4 Mthodes bases sur des modles de la vision La sensibilit du systme visuel humain aux erreurs de codage dans une rgion donne de limage est fortement influence par les c

42、aractristiques de limage elle-mme dans cette rgion. Son incapacit tenir compte de ce fait est un des principaux points faibles de la mthode EQMN. On peut donner lexemple suivant de cette influence: on sait que la sensibilit dun observateur au bruit d une erreur de codage est rduite quand le spectre

43、de ce bruit concide approximativement avec Rec. UIT-R BT.813 5 celui de limage support. Ces proprits du systme visuel sont celles qui sont exploites dans les codecs o lon utilise des expriences subjectives ou des donnes psychovisuelles pour optimiser les paramtres du systme. Pour amliorer la corresp

44、ondance entre les mesures objectives de la qualit dimage et les jugements ports par les observateurs humains, il faut crer un modle de la vision capable dinterprter les erreurs de codage locales en tenant compte de limage support et de combiner toutes ces valuations locales pour parvenir une note de

45、 qualit globale. Ce principe est applicable aux codecs mots de longueur fixe ou variable et il est examin au 3.2.3. 3.2 Codecs mots de longueur variable Dans les codecs de tlvision o le dbit binaire de limage de source doit tre divis par un facteur dpassant deux, environ, on emploie des mthodes base

46、s sur le codage mots de longueur variable. Ces codecs ont un meilleur rendement car ils possdent une souplesse leur permettant daffecter dynamiquement les bits de codage aux parties de limage o ils permettent le mieux de maintenir la qualit de limage dcode. Il existe plusieurs manires dy parvenir, s

47、ans ncessairement employer un codage entropie de longueur variable. 3.2.1 Mthodes bases sur lutilisation de signaux artificiels Du fait de la souplesse de ces codecs, les dgradations quils peuvent causer un chantillon cod dpendent non seulement de la valeur des chantillons voisins, mais aussi de lvolution dans le temps de ces chantillons, jusqu une image antrieure ou plus. Il en rsulte que pour les codecs intratrames ou intertrames mots de longueur variable, si lon essayait de dfinir leurs caractristiques