用自動腳本測試進(jìn)行視頻質(zhì)量分析
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設(shè)計(jì)和制造過程中的視頻質(zhì)量測試
隨著數(shù)字電視(DTV)的出現(xiàn)，視頻處理有了巨大的改變。幾乎所有的視頻被壓縮，量化，通過廣播和IP方式分發(fā)，以及解壓縮。這為視頻技術(shù)廠商提供了機(jī)會。
但是，這些機(jī)會涌現(xiàn)的速度極其危險(xiǎn)。高技術(shù)設(shè)備從概念到供貨的平均上市時間從90年代的5到6年縮短到目前的一到兩年。最早提供一款高質(zhì)量產(chǎn)品的廠商還可以勉強(qiáng)處于可持續(xù)競爭的邊緣。隨著更多公司相互競逐而在很短的時間內(nèi)加入更多的功能，從產(chǎn)品的開發(fā)速度到系統(tǒng)的驗(yàn)證速度，產(chǎn)品的許多控制因素都發(fā)生了改變。
圖1：帶有合格/不合格結(jié)果的ClearView GUI
Video Clarity公司創(chuàng)造了一個突破性的視頻質(zhì)量測試解決方法，使得設(shè)備制造商增加覆蓋并投入更多的時間到創(chuàng)造性測試上。該技術(shù)名為“ClearView”，是一個具有腳本的自動化視頻質(zhì)量測試系統(tǒng)。ClearView包括一個非壓縮的視頻服務(wù)器，一臺視頻錄像機(jī)，一臺視頻播放設(shè)備，以及一臺定量視頻質(zhì)量記錄儀。通過在一臺設(shè)備上提供所有這些設(shè)備功能，ClearView成為一套完整的測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的視頻質(zhì)量評估和比較。
圖2：主觀分析顯示模式(垂直分割)
Video Clarity公司的ClearView系統(tǒng)為軟件開發(fā)人員、硬件設(shè)計(jì)師、QA/QC工程師、視頻研究人員以及生產(chǎn)和視頻分發(fā)機(jī)構(gòu)提供了一系列視頻質(zhì)量分析工具。ClearView對視頻進(jìn)行播放、錄像、顯示和視頻序列分析。該設(shè)備能夠從任何源文件、數(shù)字或模擬源，例如SDI、HD-SDI、DVI、VGA、HDMI、分量視頻、復(fù)合視頻或S端獲取視頻內(nèi)容。不管是什么輸入，ClearView都能接收并將其轉(zhuǎn)換成非壓縮的 4:2:2 YCbCr, 4:4:4 RGB、ARGB、或RGBA。這使得編解碼器能夠方便地被相互比較和評估。
圖3：編碼器/解碼器(DUT)合格/不合格視頻測試實(shí)例
1. 全基準(zhǔn)方法(FR)
2. 降低的基準(zhǔn)方法(RR)
3. 無基準(zhǔn)方法(NR)
你是否曾經(jīng)想過將你的H.264/VC-1 & MPEG-2與其它的進(jìn)行一下比較？現(xiàn)在就可以！你還可以測量視頻延遲和音視頻唇同步。
圖4：scriptable合格/不合格評分背后的基本原理
和數(shù)據(jù)壓縮相似，視頻壓縮需要在磁盤空間、視頻質(zhì)量和在合理的時間內(nèi)對視頻解壓縮所需的硬件成本進(jìn)行折中。不過，如果對視頻過壓縮，就會出現(xiàn)可視缺陷。這正是視頻質(zhì)量測試和測量的使命，以便對視頻質(zhì)量進(jìn)行精確的建模。
在任何視頻質(zhì)量測量之前，只需將視頻數(shù)據(jù)對齊。將會出現(xiàn)下面一些有關(guān)對齊的問題：
1. 處理后的視頻時間上與原視頻信號對不齊
2. 處理后的視頻水平方向上有移位
3. 處理后的視頻豎直方向上有移位
4. 處理后的視頻有色彩保真度損失
5. 處理后的視頻音視頻不同步
時間對齊
客觀度量視頻質(zhì)量是逐幀進(jìn)行的，故視頻序列必須時間對齊。由于通常并沒有色柵/校準(zhǔn)條，ClearView從一個視頻幀開始，并將該幀放到視頻序列中的另一個幀中，使之具有最小的差和(sum-of-difference)。ClearView然后進(jìn)行修整使視頻序列時間上對齊。
空間水平對齊
1932年創(chuàng)立的隔行視頻，用來減小因CRT在刷新時間內(nèi)無法遍及整個屏幕所引起的顫動。在數(shù)字電視規(guī)范中也用了隔行視頻，因?yàn)閷τ谝欢ǖ木€數(shù)和刷新時間，可以將信號帶寬降低一半。但是，只有CRT才可以顯示隔行視頻。于是，只有通過去隔行才能在DLP、LCD和等離子電視上顯示隔行視頻。由于去隔行算法的影響，處理單元將會引起幾個像素的水平移位。ClearView中包括一個算法，用來確定幀位移量并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整窗口尺寸。
空間豎直對齊
基于DCT的壓縮算法- MPEG、JPEG和VC-1，要求視頻必須可按16像素進(jìn)行劃分。由于塊大小的限制，NTSC視頻從486線縮至480線，而HD 1080視頻實(shí)際上被壓縮到1088線。由于壓縮視頻之間尺寸以及顯示視頻窗口不匹配將引起豎直偏移。ClearView包括一個算法來確定幀偏移量并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整窗口尺寸。
色彩保真度損失
如果視頻是通過模擬源(分量視頻、復(fù)合視頻或S端口)輸出，則由于模數(shù)變換將會引起色彩的輕微偏差。ClearView將采用一個線性歸一化偏置來補(bǔ)償這一影響。
音視頻同步
在電視領(lǐng)域中，通常引起音視頻同步問題的原因是由于對電視節(jié)目的視頻部分進(jìn)行了大量處理所致，通常由視頻壓縮編解碼產(chǎn)生。ClearView測量視頻源和處理后的A/V序列之間的時間偏移，然后對壓縮解碼器提供一個偏移量來補(bǔ)償處理延遲。
視頻質(zhì)量評估
當(dāng)今，視頻設(shè)備制造商憑主觀驗(yàn)證視頻質(zhì)量。主觀測試具有創(chuàng)造性但無法很好地量化。如何測試成千上萬套設(shè)備？如何進(jìn)行回歸測試？如何根據(jù)主觀反饋來矯正測試設(shè)備和增加功能？
我們曾經(jīng)提出這樣的問題—人眼評測客觀嗎？文中指出主觀視頻分析只能作為視頻質(zhì)量的精確評估(aka，將視頻序列提供給一組專家)。然而，主觀視頻分析只能用于開發(fā)和評估，而無助于操作監(jiān)控、生產(chǎn)線測試、故障定位，以及設(shè)備特定的可重復(fù)性測量。對定量的、可重復(fù)性視頻分析的需求都需要客觀的視頻質(zhì)量測試。
最小可覺差法
ClearView采用眾所周知的人體視覺系統(tǒng)，即最小可覺差法 (JND)來客觀地評估視頻質(zhì)量。JND根據(jù)算法來預(yù)測視頻質(zhì)量，這些算法的根據(jù)是對數(shù)以百計(jì)的評估專家的觀測進(jìn)行建模，并根據(jù)觀測距離、感知的缺陷、觀測角度以及電視顯示器尺寸等進(jìn)行打分。
開始時，記錄下面兩個視頻序列：
1. 視頻源序列
2. 處理后的視頻
在開始JND之前，視頻在時間上和空間上被對齊，模擬噪聲被歸一化。我們的JND產(chǎn)生一個平均評價(jià)得分(MOS)，分值等級從0到100，小于5為視頻質(zhì)量優(yōu)異。(有關(guān)JND的更多信息，請查閱Sarnoff實(shí)驗(yàn)室的白皮書)。
計(jì)算一個JND的主要目的是自動地評估觀測者平均評估得分，不過得到用戶評估的最好的方法還是直接詢問他們！使用ClearView的最簡單方法就是在相同條件下，在同一顯示器上觀測比較兩個視頻序列，并主觀地決定哪一個更好。視頻可以分屏顯示、無縫分屏，鏡像分屏(蝶形)，或A-B(源-結(jié)果)方式，分割可以是水平分割，也可以是豎直分割?；胤胖С钟糜谏钊敕治龅目s放、慢動作、穿梭，以及暫停，下面給出了一些顯示模式。
回歸測試
在利用JND或你自己的“黃金眼”對視頻進(jìn)行完評分后，該得分可以與任意數(shù)量的單元進(jìn)行比較進(jìn)行回歸測試。該視頻將被視作為后來參照的“黃金(樣板)”。在該例中，ClearView將兩個視頻序列對齊，并比較他們的視頻質(zhì)量。任何得分低于用戶規(guī)定門限的視頻序列，都將被視為不合格。
ClearView按照下面來控制測試建立：
1. ClearView對被測設(shè)備(DUT)提供原始視頻序列
2. DUT處理視頻數(shù)據(jù)
3. ClearView記錄DUT的輸出
4. 參照“黃金”序列，ClearView對齊并歸一化DUT
5. ClearView計(jì)算A/V延遲和偏移(偏移=唇同步誤差)
6. ClearView將DUT序列與“黃金”序列進(jìn)行比較
7. ClearView記錄每幀的合格/不合格，并產(chǎn)生一個總的合格/不合格得分
8. ClearView生成一個具有結(jié)果的記錄文件
所有的參數(shù)數(shù)據(jù)都被存儲在一個小日志文件中。該日志文件可以在任何一臺能夠訪問原始視頻序列的ClearView機(jī)器上回放，以便在解決異?，F(xiàn)象時能夠確保一個可重復(fù)環(huán)境。更進(jìn)一步，這些日志文件可以加到回歸測試上，以確保這些異常能夠保持固定不變。為了更方便，分析和圖表工具集還可以將日志文件輸入到微軟的Excel文件中進(jìn)行離線觀看。
GUI測試與自動腳本的比較
可以通過其GUI或其指令線接口來控制ClearView。使用ClearView最簡單的方式是通過其交互式GUI。結(jié)果被記錄并形成圖形，而視頻被預(yù)覽并輸出到外部顯示器上。當(dāng)ClearView、DUT、工程師/測試人員都位于同一地點(diǎn)時，該功能效果更好。
當(dāng)開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)工作在不同國家并使用不同語言時，會出現(xiàn)一些細(xì)節(jié)問題。ClearView包括一個可編寫腳本(scriptable)的指令線接口，可以提供與GUI相同的功能，這又兩個額外的好處：
1. 指令可以從通過網(wǎng)絡(luò)可以訪問ClearView系統(tǒng)的任何地方輸入，
2. 指令可以被批處理，具有返回代碼，標(biāo)有日期，并被記錄，可重復(fù)利用
使用指令線接口，一個位于美國的測試人員可以發(fā)現(xiàn)不正常并將報(bào)告發(fā)給位于印度或中國的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。其他的團(tuán)隊(duì)成員可以訪問ClearView日志，然后進(jìn)行復(fù)制并進(jìn)行處理。語言問題被減到最小，系統(tǒng)驗(yàn)證可以圍繞著時鐘進(jìn)行。
本文結(jié)論
視頻質(zhì)量測試是一個難題。視頻處理系統(tǒng)的性能差異很大，并且與輸入視頻信號的動態(tài)特性有關(guān)，如大量的運(yùn)動或空間細(xì)節(jié)。通過將視頻服務(wù)器、視頻錄像機(jī)、視頻播放機(jī)和視頻質(zhì)量分析儀整合到一套具有交互式GUI和自動可編寫腳本的接口的系統(tǒng)中，視頻清晰度變成一個客觀性的視頻質(zhì)量分析，也使得回歸測試成為現(xiàn)實(shí)。
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