HDTV（1920x1080）码率和视频质量关系的研究

Hans Hoffmann等人在论文《Studies on the Bit Rate Requirements for a HDTV Format With 1920 x 1080 pixel Resolution, Progressive Scanning at 50 Hz Frame Rate Targeting Large Flat Panel Displays》中，研究了HDTV的码率和视频质量之间的关系。在此记录一下论文的内容。

注：论文题目翻译过来意思是《基于大型平板显示器的HDTV格式视频（分辨率为1920x1080，逐行扫描，帧率为50Hz）的码率的要求的研究》

   

 本文用到的视频序列格式的说明：

 

主观评价实验室环境如下图所示：

显示器的设置如下表所示（显示器选项也真不少啊）。

 使用PLUGE信号测量峰值亮度的结果如下所示。

  全屏幕的亮度测量测量结果如下表所示。一共取了5种信号：白，黑，红，绿，蓝。

上图的详细数据如下表所示。

对比度测试

显示器的对比度测试如下图所示。取了屏幕上的5块区域，中间1块是白色的，其他的是黑色的，测量这5块区域的亮度。

测试图像分辨率为1920x1080。每一块区域大小为200x200。黑色的RGB系数是(0, 0, 0)，白色的系数是 (255, 255, 255) ，灰色的系数（127，127，127）。

 测试的结果如下所示。白色区域是Lw。对于黑色区域：左=1，上=2，右=3，下=4.

 亮度测量设备使用美能达色彩亮度计CS100的结果：

   

  亮度测量设备使用Thoma TMF6的结果：

均匀性测试 ：

显示器的黑，白，彩色的均匀性测试如下图所示。取了显示器上不同位置的9个点。

测量设备使用美能达色彩亮度计CS100。

测试的结果如下图所示（在此仅列出一部分数据，数据量太大占篇幅）。

 数字灰度取值（0-255）和实际亮度之间的对应关系

测试数据如下表所示（注：每个数字灰度值测了5遍）。

可以将该表的数据转化为下图。

 横坐标是数字取值，取值范围从0-255，即RGB取值从（0,0,0），（1,1,1），（3,3,3）...至（255,255,255）。

 纵坐标是实测的亮度值。可见实际上这两者之间不是严格的线性关系。

   

 主观评价的座位

一共有6个，分为2排，距离分别是显示器高度的3倍和4倍。

 实验系统

结构如下图所示。视频服务器通过DVI将视频信号输送到显示器。有一台计算机用于控制视频服务器。

 实验中使用了双刺激损伤标度（The Double Stimulus Impairment Scale ，DSIS）主观质量评价的方法，如下图所示。也就是一段参考序列，一段损伤序列，不再细说方法。

参考：视频主观质量评价方法

 测试序列Crowd Run的截图（这个序列使用的还真是挺广泛的）

首先来看一下主观评价的试验结果：

 从实验结果来看，可以得出以下结论：

1.观看距离比较近（3H）的主观质量要差于观看距离比较远（4H）的主观质量

2.随着码率的下降，视频的质量逐渐下降

3.同等码率下1080i/25的主观质量要低于1080p/50（这个结果是比较惊人的，造成这种结果可能有多种原因：显示器，编码器等等）

4.1080i/25随着码率的下降，主观质量下降明显更快。

5.1080p/50和720p/50随着码率的下降，主管质量下降的趋势比较雷同。

 

参与测试的序列的复杂度如下表所示。从上到下复杂度依次递减。

 下表所示式编码器设置的参数。编码器为JVT9.0。实验选择了3个QP值：20,27,35，编码三个档次的视频（对应"极好"，"好"，"一般"）。

实验步骤如下图所示。很清晰，不再多说。

实验结果如下图所示。"极好"，"好"，"一般"分别画在95,75,55的质量分数的位置。纵坐标为相对节约的码率。

需要注意的是，有一条浅蓝色的线（sample saving），意思是说在不经过压缩编码的情况下，数据量相对于1080/p50节约了多少（其实就是单位时间里像素数相对于1080p/50少了多少）。

可以看出来，视频质量越高，相对节约的码率就越大。

单看1080i/50，效果不甚理想，因为他在任何视频质量下基本上都没有超过sample saving。

   

 剩下这几种格式的效果都在预期之中。