ITU-R BT 813 SPANISH-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 RECOMENDACIN UIT-R BT.813*Mtodos de evaluacin de la calidad de la imagen en relacin con las degradaciones debidas a la codificacin digital de las seales de televisin (Cuestin UIT-R 44/6) (1992) La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que la evaluacin de las

2、 degradaciones producidas por la codificacin tiene una importancia crtica debido a la aplicacin creciente de la codificacin digital y la transmisin a velocidad binaria reducida; b) que para evaluaciones especficas, tales como las que se efectan durante las supervisiones de rutina o cuando se procede

3、 a mejorar el sistema, son necesarias medidas objetivas; c) que se pueden definir diversos tipos de medidas objetivas para diferentes sistemas digitales y aplicaciones; d) que la adopcin de mtodos normalizados reviste importancia para el intercambio de informacin entre laboratorios, recomienda 1 que

4、 para obtener medidas objetivas de la calidad de la imagen digital se utilicen los mtodos generales descritos en el Anexo 1; 2 que se efecte la eleccin del mtodo de medicin objetiva adecuado para un sistema o una aplicacin sobre la base de la informacin descrita en el Anexo 1. ANEXO 1 1 Introduccin

5、La evaluacin de las degradaciones debidas a la codificacin tiene una importancia crtica debido a la aplicacin creciente de la codificacin digital y la transmisin a velocidad binaria reducida. La comprensin de los mtodos de evaluacin es importante no slo desde el punto de vista de la calidad de funci

6、onamiento de nuevos equipos de codificacin, sino tambin del de la interpretacin de las mediciones hechas sobre tales equipos y el de la especificacin de objetivos de calidad. Por otra parte, los cdecs digitales, al igual que todos los procesos digitales autoadaptables o no lineales, no pueden caract

7、erizarse totalmente con las cartas o seales de prueba de televisin tradicionales. La calidad de los cdecs para aplicaciones de distribucin se puede medir objetivamente, expresndose las especificaciones de calidad en trminos de la apreciacin subjetiva de los observadores. _ *La Comisin de Estudio 6 d

8、e Radiocomunicaciones efectu modificaciones de redaccin en esta Recomendacin en 2002 de conformidad con la Resolucin UIT-R 44. 2 Rec. UIT-R BT.813 De los estudios efectuados se deduce que es deseable establecer relaciones entre las mediciones objetivas de la degradacin de las seales por la codificac

9、in digital y la calidad de la imagen as obtenida. En este Anexo se avanza hacia ese objetivo, que se revela ms difcil de lograr a medida que aumenta la complejidad de los cdecs. Sin embargo, la calidad de un cdec diseado para aplicaciones de contribucin podra especificarse tericamente en trminos de

10、parmetros objetivos de calidad de funcionamiento, porque su salida no est destinada a una visualizacin inmediata sino a tratamiento posterior en estudio, almacenamiento y/o codificacin para transmisin ulterior. Dada la dificultad de definir esa calidad de funcionamiento para una diversidad de operac

11、iones de tratamiento posterior, el enfoque preferido ha sido especificar la calidad de funcionamiento de una cadena de equipo, incluyendo una funcin de tratamiento posterior, a la que se considera representativa de una aplicacin prctica de contribucin. Esta cadena podra constar tpicamente de un cdec

12、, seguido por una funcin de tratamiento posterior de estudio (o de otro cdec en el caso de evaluacin de calidad de contribucin bsica) seguido todava por otro cdec antes de que la seal alcance al observador. La adopcin de esta estrategia para las especificaciones de cdecs destinados a aplicaciones de

13、 contribucin significa que los procedimientos de medicin que se dan en este Anexo pueden tambin utilizarse para su evaluacin. 2 Clasificacin de los cdecs digitales La funcin de la codificacin digital es reducir la velocidad binaria necesaria para representar una secuencia de imgenes, asegurando al m

14、ismo tiempo una prdida mnima de la calidad de imagen. El equipo de codificacin hace esto eliminando, en primer lugar, toda la redundancia estadstica de las imgenes que se pueda (es decir, que no se pierde calidad como consecuencia de esta primera etapa conceptual). A continuacin, si hace falta ms re

15、duccin de velocidad binaria, hay que aceptar un cierto grado de distorsin en la imagen, si bien uno de los objetivos de diseo de los cdecs es ocultar esa distorsin, aprovechando determinadas insensibilidades de percepcin del rgano de visin humano. Conviene dividir los cdecs en dos clases, los que ut

16、ilizan codificacin de longitud de palabra fija y los que utilizan codificacin de longitud de palabra variable (vanse las definiciones en los 3.1 y 3.2 respectivamente). La segunda clase es ms eficaz y compleja e incluye todos los sistemas propuestos recientemente para codificar vdeo con relacin 4:2:

17、2 en la gama 30 a 45 Mbit/s. La primera clase es no obstante suficiente para permitir la reduccin de la seal de vdeo con relacin 4:2:2 a 140 Mbit/s, preservando al mismo tiempo la calidad exigida para aplicaciones de contribucin. Resulta til subdividir tambin estas clases de cdecs en cdecs intratram

18、a (o espaciales) y cdecs intercuadro (incluidos los intertrama), que contienen almacenamientos de cuadros (o tramas) que les permite aprovechar la redundancia que existe entre cuadros (o tramas) de imgenes sucesivas. Est apareciendo una tercera clase de cdec que emplea la codificacin de longitud de

19、palabra variable pero que est diseado para redes de velocidad binaria variable. Estos cdecs pueden en principio mantener una calidad constante de la imagen decodificada, dentro de los lmites de la demanda mxima de las redes. Las pruebas de calidad de tales cdecs, que estn pendiente de estudio, deber

20、 tener en cuenta la naturaleza de la red utilizada y las estadsticas de los datos aportados por todos sus usuarios. 3 Evaluaciones objetivas de los cdecs en trminos de degradaciones de imagen percibidas 3.1 Cdecs de longitud de palabra fija Con los cdecs de longitud de palabra fija se utiliza un nme

21、ro fijo de bits para representar un nmero fijo de muestras de la imagen original. Por ejemplo, en los cdecs de MIC o MICD con Rec. UIT-R BT.813 3 longitud de palabra fija, se atribuye un nmero fijo de bits a cada muestra de imagen y en los cdecs de cuantificacin vectorial o de transformacin con long

22、itud de palabra fija, se atribuye a cada bloque de muestras de imagen un nmero fijo de bits. 3.1.1 Mtodos basados en la utilizacin de seales de prueba sintticas En estos cdecs, la degradacin introducida en cada muestra de imagen recibida de una imagen, depende de los valores de las muestras en su en

23、torno, ya sea en la misma trama (para un cdec intratrama) o en la misma trama y tramas anteriores (para un cdec intercuadro). Es posible por tanto, utilizando seales de prueba digitales bidimensionales o tridimensionales adecuadamente elegidas, provocar de manera artificial las degradaciones caracte

24、rsticas de la codificacin digital de imgenes. A algunos de estos factores de degradacin se les han adjudicado nombres relacionados con su interpretacin por los observadores, tales como formacin incorrecta de contornos, ruido granular, imgenes difusas, degradaciones de bloqueo, etc. Una vez provocada

25、s estas distorsiones, sus magnitudes pueden medirse objetivamente y, haciendo uso de la experiencia adquirida con las evaluaciones subjetivas, esas mediciones podran relacionarse entonces con alguna forma de cuantificacin de la calidad del cdec. Es posible que en los sistemas de codificacin intercua

26、dro o en los sistemas de codificacin que emplean algn tratamiento adaptable, resulte difcil correlacionar los factores de degradacin con su interpretacin por los observadores porque pueden variar en cualquier momento, con el movimiento o adaptacin del algoritmo de codificacin. Segn un mtodo que se h

27、a propuesto, la prueba de evaluacin subjetiva utiliza primero escalas derivadas de pares de elementos adjuntos opuestos (mtodo diferencial semntico) examinndose a continuacin los resultados mediante anlisis de componentes principales, para extraer los factores de degradacin de la calidad de la image

28、n. Los resultados de la clasificacin pueden verificarse aplicando un anlisis de regresin mltiple que relaciona el factor con juicios subjetivos. En el Cuadro 1 se presenta una lista de factores de degradacin de la calidad de la imagen. CUADRO 1 Ejemplos de factores de degradacin de la calidad de la

29、imagen para un sistema digital, y medidas fsicas correspondientes (unidades) Factor de degradacin de la calidad de la imagen Medida fsica Imagen difusa Tiempo de establecimiento de la respuesta a la funcin escaln Actividad en los bordes Anchura de la fluctuacin de fase de la respuesta a la funcin es

30、caln Formacin incorrecta de contornos Relacin seal cresta a cresta/mnimo error de cuantificacin cresta a cresta Ruido granular Equivalente analgico de la relacin seal/ruido expresada en trminos de seal cresta a cresta (Sp-p) a valor cuadrtico medio del ruido (Nrms) Efecto de ventana impropia (dirty

31、window effect) Amplitud mxima de ruido Movimiento difuso Tiempo de establecimiento de una transicin en movimiento Sacudidas Diferencia entre trama y cuadro en trminos de bordes en movimiento Aunque estos mtodos parecen convenientes para la evaluacin de los cdecs y ofrecen adems un medio de trabajo a

32、l diseador, no resultan adecuados para referirse a la calidad de funcionamiento de un cdec con imgenes reales por las siguientes razones: la composicin compleja de las secuencias de imgenes reales no puede ser modelada satisfactoriamente mediante un nmero manejable de seales de prueba sintticas; 4 R

33、ec. UIT-R BT.813 las degradaciones pueden ser de numerosos tipos y difciles de clasificar por su naturaleza sutil (por ejemplo, una distorsin determinada puede ser visible en partes de una imagen con ciertas texturas que se mueven de una determinada manera); puede ser difcil definir mediciones objet

34、ivas significativas de las degradaciones (por ejemplo, en el caso de reproduccin del movimiento). Debe observarse que la duracin del periodo en el que se realizan las medidas objetivas debe corresponder a la ventana de observacin proporcionada por la duracin de la presentacin en las pruebas subjetiv

35、as. 3.1.2 Mtodos basados en material de imgenes naturales y error de codificacin Cabe asimilar las secuencias de imgenes naturales a una agrupacin de cierto nmero de zonas diferentes, cada una con un contenido local distinto que hacen uso de cdecs de longitud de palabra fija distintos de forma difer

36、ente. Por ello el contenido de una secuencia de imgenes influye notablemente en la calidad percibida por el observador. Es posible tambin cuando hay que comparar dos cdecs en cuanto al contenido de secuencias de imgenes, determinar cul parece mejor. Esto no slo subraya la importancia de la eleccin d

37、e las imgenes de prueba para las evaluaciones subjetivas (vase la Recomendacin UIT-R BT.500) sino tambin el hecho de que una medida objetiva de la calidad de funcionamiento de un determinado cdec debe tener en cuenta el contenido de la imagen, si se pretende establecer una correlacin entre los resul

38、tados de las evaluaciones subjetivas y objetivas. Las formas ms comunes de medicin de la calidad objetiva se basan en el error de codificacin de un cdec; esto es, la diferencia entre una secuencia de imgenes de entrada y su salida decodificada. Esta misma seal diferente (a menudo amplificada) puede

39、visualizarse como una secuencia de imgenes, lo que puede proporcionar una valiosa ayuda de diseo al especialista en cdecs. Sin embargo, no debe utilizarse como material de evaluaciones subjetivas. 3.1.3 Mtodos basados en el error cuadrtico medio normalizado A menudo se utiliza, como medida objetiva

40、de la calidad de la imagen decodificada, el error cuadrtico medio de codificacin. Se trata del promedio obtenido, para cada muestra de imgenes de una secuencia, del cuadrado de los errores de codificacin y est normalizado habitualmente con respecto a (al cuadrado de) la gama total de amplitudes de l

41、as muestras de imgenes. A veces se hace referencia al error cuadrtico medio normalizado (NMSE normalized mean square error) como un factor de ruido de codificacin cuyo valor vendra dado por 10 log (NMSE). El uso generalizado de la medida del NMSE procede de su fcil expresin matemtica pero ha de tene

42、rse en cuenta con cierta cautela como una medida de la calidad de la imagen decodificada. No puede distinguir, por ejemplo, entre unos pocos grandes errores de codificacin (que pueden ser tenidos como perturbador por un observador) y un gran nmero de pequeos errores de codificacin (que pueden ser im

43、perceptibles). Se ha tratado de ponderar la seal de error de codificacin (tras una operacin log) antes de la evaluacin del NMSE, con un filtro derivado de un modelo visual, y se ha conseguido mejorar la correlacin con los resultados obtenidos en las evaluaciones subjetivas. El NMSE es un instrumento

44、 prctico y til para el desarrollo de cdecs, donde a menudo se necesita para comparar mtodos de codificacin que son muy similares (es decir, aquellos que utilizan variantes menores del mismo algoritmo y en los que los procesos de degradacin pueden suponerse idnticos). 3.1.4 Mtodos basados en modelos

45、visuales La sensibilidad del rgano visual humano al error de codificacin en una determinada zona de una imagen se ve fuertemente influenciada por las caractersticas del propio material de imagen en esa zona. La incapacidad para tener esto en cuenta es el fallo principal de la medida del NMSE. Un eje

46、mplo til, entre otros, que puede darse de esta influencia es el hecho conocido de que la sensibilidad de un observador al ruido de error de codificacin se reduce cuando el espectro de ese Rec. UIT-R BT.813 5 ruido coincide aproximadamente con el espectro de la imagen de fondo. Estas propiedades del

47、sistema visual son las que se aprovechan en el diseo de cdecs, cuando se emplean experimentos subjetivos o datos psicovisuales para optimizar los parmetros del sistema. Para mejorar la correlacin entre las mediciones objetivas de la calidad de la imagen y el juicio de los observadores, es preciso de

48、sarrollar un modelo visual que pueda interpretar un error de codificacin local en el contexto de la imagen de fondo y que pueda combinar todas esas evaluaciones locales hasta constituir una valoracin global de la calidad. Este enfoque es aplicable tanto a cdecs de longitud de palabra fija como a los de longitud de palabra variable, y se examina en el 3.2.3. 3.2 Cdecs de longitud de palabra variable Los cdecs de televisin que necesitan reducir los datos de imagen de origen en un factor algo superior a dos, utilizan mtodos basados en la codi