4K视频质量分析白皮书

4K视频质量分析

如果4K是未来，我们该怎么做？

执行摘要

技术领导人正在迅速应对4K视频的迫在眉睫的挑战，拥抱新的生产方法，通过验证与现有的工作流程的兼容性。这种验证需要盖的生产过程中，各个方面包括采集、压缩、转换、存储和传输。虽然多数电视台今天看来4K作为一个问题在未来加以解决，一些前瞻性的组织承认，技术开始对当前工程实践的影响。许多今天的4K测试是在原型或“第一条”系统元件来完成的，但结果已经提供有价值的输入来帮助指导，重要的商业决策服务的未来。新的4K系统和产品进入市场，视频质量测试和评估将继续是重要的，无论是加工工艺性能基准测试以及供应商的选择。

说明

虽然人们普遍认为4K会在各种形式的内容传递中发挥着重要的作用，许多电视行业的参与者被视为一个问题，需要在今后的。然而现实中，4K技术成为内容创作的一个重要因素的今天，已经开始影响广播工作流程等方面对新设备的购买决策的影响。

对4K技术的影响，不同的组织，包括项目发起人、广播、多路视频分销商已经开始测试程序对视频质量和系统性能。许多正在进行的测试可以蒸馏一套主要领域的4K技术有望产生影响。这些学科领域，这在下面详细描述，都需要高性能的来源，是能够实时以及解决方案，可以捕获和使用现代的客观测量技术分析视频质量播放4K视频测试序列。

4k测试优先

从各种组织的工程师目前正在分析如何4K技术将在他们的工作流程的不同方面的影响。大量的数据需要被编译成支持决策选择正确的编解码器（HEVC，H.264，J2K和VP9），最佳的比特率，恰当的文件/容器格式和稿最好的供应商，分发和归档功能。一些组织也在提供消费者之间的内容或2160p60 1080p60的权衡，并确定是否有更好的质量可以达到非常低的比特率通过上转换在显示装置。以下各节描述工作流的方法，测量和一些预期的趋势在质量分数为每个主要学科领域。

图1：编解码技术的选择

编解码技术的选择

测试–选择合适的压缩格式，将遇到一系列金融和功能目标将为4K广播链许多部分重大经营决策基础。在每一个点源查看器，权衡必须带宽、延迟、成本之间进行，视频质量影响较大的压缩算法选择的类型。这些决策有重大的财务影响，尤其是如果大量用户设备需要升级以支持新的编解码器，如HEVC。得到一个清楚的技术的优点和局限性各候选人的标准，与实际的设备和软件功能测试是至关重要的。
为了正确评价候选人编码，测试应在一系列有用的几个设备进行比特率。结果可以帮助确定最适合于给定的压缩标准4k服务推广计划。

 工作流程–测试设置如图1所示为比较各种压缩系统提供了一个简单的平台。4K视频源供应不按内容输入的编码器使用的视频测试序列，选择了以某种方式编码过程中的应力。编码器的输出或文件然后被解码，从而再现原来4K无压缩的源序列尽可能。这个输出的视频序列记录和存储，形成一个完整的参考测试序列集，将用于图像质量分析一元。测试是在不同的编码比特率和重复，每个拍摄4K无压缩输出序列添加到完整的参考测试序列集。更完整的参考测试序列集可以创建所需的使用从最初选择的视频源的其他来源的序列具有不同的特点。第一编解码后（一）评价，第二（B）可插入测试工作流程，和额外的全参考测试序列集可以产生。

 测量–图像质量影响的趋势选择源内容由每个压缩系统引起的可以在每个序列测定使用客观感知技术如MS-SSIM（多尺度结构的相似性），DMOS（微分平均意见得分）或JND（只是明显的差异）指数以及被人类观众的主观评价。这些客观的参考测量将提供视频每一帧的质量值。这些帧的质量值可以直接比较的质量值从相同的测试序列的其他元素集合（因为他们都使用相同的源序列）或他们可以比其他组已使用相同的源序列使用另一种编码生成。输出序列在客观测量的变化很大，从一个编解码器的另一个部分可以更广泛地使用了主观的技术，如果需要的话。下部，如图1所示，使用相同的源序列的两个不同的编解码器MS-SSIM序列测量的平均值作为比特率函数估计的趋势。请注意，在MS-SSIM评分下降表明改进的视频图像质量。

图2：目标4K位率设计

目标4K位率设计

测试–脱胶化4K信号选择合适的比特率基础是十亿美元的问题，世界各地广泛脚轮。配送网络只会选择性价比如果4K交货铝足够低的渠道是提供给消费者的同时仍在网络的容量限制的比特率。例如，电缆供应商可能需要至少两个4K信号在每一个6 MHz信道时隙。采用256 QAM通道中产生的38 Mbps的可用带宽，每个4K频道需要消耗小于19 Mbps。类似的决定面对卫星，空中和IPTV提供商。

工作流程–测试可以很容易地进行确定一个使用测试配置如图2所示的最佳传输比特率。4K视频源播放视频源序列输入到编码器的输入一个未压缩的信号。该编码器压缩的输出可直接输入到解码器的输入。4K输出捕获实时解码器形成一个完整的参考测试序列的元素集。额外的输出随后被添加到设置在编码器的比特率小的阶跃变化的序列。更完整的测试序列集可以通过使用不同的源内容和重复采集和储存的解码器输出序列的过程了。这个工作流程也可以作为一个实时播放/录音功能把文件处理。

测量–测量几种类型可以使用一个完整的测试序列集使用客观的测量工具如MS-SSIM，DMOS，JND。图2显示了一个估计趋势序列的平均得分，如果质量是通过测量预期的PSNR（峰值信噪比），在更好的性能比较少的图像退化是由一个更高的值表示。图2 B显示顺序评分平均值和趋势，如果质量是用MS-SSIM / DMOS测量观察；再次，在这些指标得分越低，表明更好的画面质量。对于任何给定的源内容类型的一些点的编码/解码过程曲线可以在不同的比特率表现不同。同样的测试配置可用于评价视频质量性能的编解码器，用于不同的功能（说贡献与分配）在不同点上的广播链。

图3：4k与2k分娩的比较

4k与2k技术的比较

基础试验–目前在行业的最佳格式提供内容拟在4K设备视为一个问题。一方面，以原始的4K内容，编码，然后解码观众家中的4K传送到显示应该提供一个好的结果。另一方面，把2160p60信号1080p60（即4K 2K）压缩之前，在2K分辨率的信号编码，然后解码提供2K的信号，转换为消费者的4K显示器也被认为提供高品质的视觉体验，特别是如果观众从一个距离大于1.5的图片的高度看。这些情境下，如果交付基础设施需要非常低的比特率，这是可能的，2K信号可以提供比4K信号更高的图像质量。
一个关键问题，是在调查的交叉点上/下变频和2K压缩率比较形象，观众与真正的4K的端到端的系统在一个范围内的不同的编码比特率在。在高比特率，质量可能是由向上和向下转换器的性能有限，所以4K原生信号预计将有更好的质量。在非常低的比特率，减少负载在一个分布式的2K信号压缩系统预计将产生相当的图像质量标准给出的查看前面讨论过的。

工作流程–回答这些问题，一个测试装置由两个不同的信号路径可以使用，如图3所示。一路采用原生4K的编码和解码。第二路径采用下变频到2K的编码器和一个转换器来处理2K解码器的输出输入之前。注意，这两套设备是美联储完全相同的信号，译码器的输出被捕获在4K分辨率来创建一个完整的测试序列集的每个路径，涵盖了一系列的编码比特率。

测量–做出一个完整的比较是2K和4K的路径之间，主观分析和MS-SSIM或DMOS的测量可以在一个完整的参考测试序列集。主观应进行测试，从显示一系列不同的观看距离；理论预测，观看距离在1.5-2图片高度将很难让观众看”的4K图像和图像转换2k之间的任何差异。
执行工程实验室主观测试和消除由DIS差异发挥显示的变化是使用设备的一种有效方式，比如视频清晰度ClearView系统，让4K显示器同时显示同步，两个不同的视频图像并排的全分辨率的部分，分割镜像或其他比较视图模式。通常情况下，原始视频源序列将与捕获输出解码器，解码器输出序列或两文件可以相互比较。这显示安排在图3图一所示。
客观测试，信噪比可以用来显示一个趋势但MS-SSIM是现在最被广泛接受的是的DMOS或MS-SSIM尺度的图像质量测量。图可以由双方的上转换2K和每个测试码率4K图像质量。图3 B显示总的趋势，将有望为序列的平均MS-SSIM测量，在4K信号具有更好的性能更高的比特率和信号，并转换到/从2K估计有更好的相对质量在低比特率的阈值。

图4：贡献与分配格式选择

贡献分配格式选择

试验采用4K–到形成一个完整的生态系统基础，信号需要从远程地点回到广播传输。在当前的最佳实践，该格式使用4K贡献网络通常由那些用于交付给消费者的不同。这是因为贡献的链接有不同的技术要求，包括低延迟、编辑和后期制作更好的支持，并占据更大的网络带宽。例如，JPEG2000与10位4:2:2色彩取样是常用的贡献，超过100 Mbps的高清视频消费（相比，范围从5到19.4 Mbps的用于高清交付给消费者）。关于4K贡献编解码器决定将需要通过广播在不久的将来，随着更多的生产工作转移到使用4K。

工作流程–贡献网络，不仅在网络稿部分压缩效果的试验很有意义，而且还探讨什么影响，如果有的话，贡献系统已交付给观众的信号。为此，如图4所示的配置允许贡献链接被单独测试，并允许级联压缩效果进行测试。本次测量的贡献链路接收机/解码器压缩的输出连接到投递编码器的输入实现。端到端系统的测量结果可以通过捕获输出的传递解码器未压缩的原始源文件。

测量–贡献系统是专门设计来达到非常高的质量水平，并作为一个结果的缺陷是很难量化。最可靠的和可重复的小图像缺陷测量峰值信噪比（图像信号噪声比）。图4显示了一个序列的平均趋势，将有望为PSNR测量作为一个功能的比特率的贡献链接单独和级联的贡献和交付的编解码器。要充分评估组合的影响级联贡献和配送系统，这也是常见的做法是将感知质量测量包括MS-SSIM / DMOS确保最佳的视频质量，交付给观众。

图5：档案格式的测定

档案格式的测定

基础试验–选择4K材料合适的归档编解码器需要权衡成本和生命周期存储视频图像质量。一方面，由于4k序列可能会消耗八倍的存储每分钟的高清内容，使用有损压缩编解码器可以考虑经济上的必要性。另一方面，使用有损压缩会对视频质量的影响，有可能减少档案的未来价值。测试档案系统提前选择合适的压缩格式和比特率将有助于确保额外的费用和精力花费在帽图灵4K信源的材料不浪费，尤其是对内容捕获今天是为了支持未来的转播或重新利用。

工作流程–图5显示了可用于测试和测量的4K视频归档过程的基本流程。本试验从一个未压缩的视频文件，然后将其转换成文件格式使用归档的过程，是在测试。由此产生的文件，然后从档案检索和转换成未压缩的视频文件。随着原始源文件，检索到的文件进行了一个完整的参考测试方法，支持图片质量测量和主观分析。

测量–PSNR是评价优质、良好的度量高码率压缩文件因为它在检测小的图像和彩色失真甚至创造了每帧的档案与原始未压缩版本的精度和可重复性。不同的档案格式多的压缩比可以有效地利用这比较全参考试验方法。图5显示序列测试的平均值，预计将在PSNR测量作为一种档案编解码器的比特率函数的一般趋势。一个无缝分主观观测试验与原序列的每个档案版本也是有用的，以确保档案的过程中保持高水平的视觉图像的质量是由人类观察者评估。

结论

虽然4K广播尚未广泛部署由于带宽和技术的局限性，提出了思维内容创作者，电视与网络视频服务提供者已经深深卷入与评估新的设备和工艺，支持这种新格式。关键的决策时，如果使过渡到4K需要什么的信息技术能提供什么样的性能，和可达到的水平。所谓的“4K的支持”由不同的供应商可以在购买之前进行验证。甚至如果决定推迟4K收养，获得的知识，通过运动和量化的新设备的过程应该被证明是有价值的4K广播内容传送市场的不断发展。