CN100396106C - 一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法，它包括以下步骤：(1)视频序列文件中的每一帧图像进行帧号标识；(2)将视频序列文件输入待测数字视频编解码系统；(3)将输入的视频序列文件输出并存贮在一个存贮器中；(4)查看存贮器中的视频序列文件大小；若与输入的视频序列文件大小相同，进行步骤(6)，否则，进行步骤(5)；(5)检测视频序列文件中每一帧图像的帧号，确定每一帧输出图像所对应的输入图像；(6)用PSNR公式来计算信噪比。本发明方法能在精确地确定每一帧输出图像所对应的输入图像的基础上计算出信噪比，不要求测试方具有对被测的数字视频编解码系统内部视频流进行解码的权限，对白盒系统和黑盒系统均可适用。

Description

一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法

技术领域

本发明涉及多媒体信息处理领域，特别是测试数字视频编解码系统信噪比的方法。

背景技术

数字视频的信噪比是指输入视频的数字信号在处理前的信号能量(通常取最大灰度级)与处理后输出视频的数字信号的能量之比。它是评价一个数字视频编解码系统性能的重要标准。

现有的数字视频编解码系统信噪比测试方法主要有两种。一种是传统的PSNR测试法，即将数字视频编解码系统的输出视频与输入视频的每一个对应帧中的每一个对应像素进行比较。具体的计算公式如下所示：

$\mathrm{PSNR}=10\lg \frac{{255}^2}{\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{O_{m,n}-r_{m,n})}^2}$

其中，M×N为图像大小，O_m，n和r_m，n分别为输入图像与输出图像在点(m，n)处的像素值。但是原理上PSNR的计算应在保证帧率的前提下进行，因为PSNR公式中求误差所用的像素必须来自同一帧的输出和输入图像。当输出视频的帧率低于输入视频时，就需要找出每一帧输出图像所对应的输入图像来计算信噪比。通常是利用视频流内部的时间语法标识，如H.263和MPEG-2中的temporal_reference，来确定每一帧输出图像所对应的输入图像，然后根据PSNR公式来计算信噪比。此方法在《电视技术》2003年第8期中的“视频质量的主客观评估方法研究”、电子工业出版2001年出版的《视频编码与低速率传输》、清华大学出版社1996年出版的《运动图象及其伴音通用编码国际标准--MPEG-2》中均有记载。

另一种是信号测试法，如《中国有线电视》2004(06)上的“数字视频编解码器指标测试方法”公开的，信号测试法让测试信号发生器输出50％平均信号，然后输入到编解码系统，经过编解码之后信号再输出到视频指标测试仪，即可测得信噪比。其中视频指标测试仪的选项为Noise Spectju，打开100kHz高通滤波器和5MHz低通滤波器，色度陷波和unueight加权平均值。

传统的PSNR测试法虽然能在精确地确定每一帧输出图像所对应的输入图像的基础上计算出信噪比，但是它需要利用视频流内部的时间语法标识来确定每一帧输出图像所对应的输入图像，而语义作为视频流的头部信息同视频数据一起被编码，解码之后这些语义就会被丢掉而无法获得，从输出视频流中是无法得到帧号的，因此必须先对系统内部的编码视频流解码获取这些语义信息之后才能得到帧号。也就是说要求测试方具有对数字视频编解码系统内部的视频流进行解析的权限，即被测数字视频编解码系统必须是一个白盒系统。而这个条件在很多情况下都难以满足，例如在对数字视频产品进行测试时，被测系统实际上是一个黑盒系统，其内部程序是保密的。此时内部标识测试法就不能适用。信号测试法虽然不要求测试方具有对系统内部的视频流进行解码的权限，对白盒系统和黑盒系统都适用，但是其测试序列是理想化的人工信号，而不是具有现实内容的视频，所以无法考虑视频内容对信噪比的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法，它能在精确地确定每一帧输出图像所对应的输入图像的基础上计算出信噪比，且不要求测试方具有对被测的数字视频编解码系统内部视频流进行解码的权限，对白盒系统和黑盒系统均可适用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法，它包括以下步骤：

(1)在一已知文件大小的视频序列文件中的每一帧图像上做帧号标记；

(2)将步骤(1)得到的视频序列文件通过待测数字视频编解码系统的输入接口输入待测数字视频编解码系统；

(3)通过待测数字视频编解码系统的视频输出接口，将经处理的视频序列文件输出并存贮在一个存贮器中；存贮的视频序列文件的格式与输入待测数字视频编解码系统的视频序列文件格式相同；

(4)查看存贮器中的视频序列文件大小；若与输入的视频序列文件大小相同，则直接进行步骤(6)；否则，进行步骤(5)；

(5)检测存贮器中的视频序列文件中每一帧图像的帧号，确定每一帧输出图像所对应的输入图像；

(6)在已知每一帧输出图像及其对应输入图像的基础上，用PSNR公式来计算信噪比。

上述步骤(2)中，步骤(1)得到的视频序列文件由计算机通过视频接口输入到待测的数字视频编解码系统。

上述方案中，存贮器设置在计算机内；步骤(3)中，待测数字视频编解码系统通过视频输出接口将经处理的视频序列文件输入计算机。

本发明方法与传统的PSNR测试法相比，由于采用在每一帧图像进行帧号标记的方法代替利用视频流内部的时间语法标识方法，来确定每一帧输出图像所对应的输入图像，而且，被测的数字视频编解码系统在视频编解码过程中，不会改变每一帧图像中的帧号标记，因此，不要求测试方具有对系统内部视频流进行解析的权限，对白盒系统和黑盒系统均可适用。

本发明方法与信号测试法相比，本发明的测试序列是具有现实内容的视频而不是由测试信号发生器合成的人工信号，考虑了视频内容对信噪比的影响。

附图说明

图1为本发明实施方案的各设备之间的连接关系框图

图2为经帧号标记后的图像示意图

图3为图像帧号标记软件流程图

图4为图像帧号检测软件流程图

具体实施方式

本发明实施方案：各测试设备和待测的数字视频编解码系统之间的连接关系如图1，测试方法包括以下步骤：

(1)在一已知文件大小的视频序列文件中的每一帧图像上做帧号标记；具体方法为：

通过计算机将视频序列中每一帧图像(CIF格式)的第一行像素块组成的区域作为标记区域；在该标记区域中，像素块内所有像素的亮度与色度值均被置为黑色(亮度值为255，色度值为0)或白色(亮度值为0，色度值为0)，各像素块按照视频序列中每一帧图像顺序分别组合成一个二进制数。

如图2所示的图像，它的分辨率为352×288。将图像上部的第一行22个像素块(此处每个像素块为16×16像素矩阵)组成的区域作为二值标记区域，每一个像素块的16×16个像素的亮度与色度值均被置为黑色(亮度值为255，色度值为0)或白色(亮度值为0，色度值为0)，黑表示1，白表示0。这样第一行22个像素块按照左边为高位右边为低位的顺序就可以组合成一个22比特的二进制数，如图2所示为0000000000110110010100，换算成十进制是3476。若帧号从第0帧起递增，则此帧图像帧号就是第3476帧。

图像帧号标记软件的工作流程(如图3)。首先输入待标记的视频序列，然后将帧号F的初始值置为0，即表明帧号计数从0开始。接着将帧号F转为二进制数，为进行二值标记作准备。接下来开始读取视频序列中第1帧图像的数据，并将像素块号的初始值置为1。因为每一帧图像的二值标记区域以及像素块是事先定义好的，所以接着就可以读取当前帧二值标记区域中第1个像素块的数据。然后取已经转化为二进制的帧号的第1位，如果这一位是0，就将当前像素块中所有像素的亮度与色度值置为白色(亮度值为0，色度值为0)，否则就置为黑色(亮度值为255，色度值为0)。需要指出的是：二进制的帧号的第1位是指最高位还是最低位，与第1个像素块标记的是最高位还是最低位是一致的。第1个像素块进行完标记后，就判断当前像素块是不是最后一个像素块。如果不是就读取下一个像素块数据，并将像素块号累加1，然后读取帧号的第2位，进行新的判断和标记。依此类推，直到当前像素块是最后一个像素块，也即当前帧的二值帧号已标记完。然后就判断当前帧是不是最后一帧。如果不是，就读取下一帧图像的数据，帧号加1，重复第1帧图像的标记操作。依此类推，直到当前帧是最后一帧，也即视频序列的帧号已标记完，就退出程序，输出的即是每一帧均已标记的视频序列。

图像帧号检测软件的工作流程如图4。首先输入待标记的视频序列，接下来开始读取视频序列中第1帧图像的数据。因为每一帧图像的二值标记区域以及像素块是事先定义好的，所以接着就可以读取当前帧二值标记区域中第1个像素块的数据。如果当前像素块中的像素值为白色(亮度值为0，色度值为0)，就将二进制帧号F的第1位记为0；否则就将二进制帧号F的第1位记为1。然后判断当前像素块是不是最后一个像素块。如果不是就读取下一个像素块数据，并将像素块号累加1，然后根据该像素块像素值是否为白色(亮度值为0，色度值为0)，将二进制帧号F的第2位相应记为0或1。依此类推，直到当前像素块是最后一个像素块，也即当前帧的二值帧号标记已检测完。这时也就得到了二进制帧号F的所有位的值，然后将其转为十进制数，就是当前帧的帧号。当前帧的帧号检测完之后，就判断当前帧是不是最后一帧。如果不是，就读取下一帧的数据，重复第1帧图像的检测操作。依此类推，直到当前帧是最后一帧，也即视频序列的帧号已检测完，就退出程序，输出的即是每一帧视频帧号。

(2)将步骤(1)得到的视频序列文件通过待测数字视频编解码系统的输入接口输入待测数字视频编解码系统；

步骤(1)得到的视频序列文件由计算机通过视频接口输入到待测的数字视频编解码系统。

(3)通过待测数字视频编解码系统的视频输出接口，将经处理的视频序列文件输出并存贮在一个存贮器中；存贮的视频序列文件的格式与输入待测数字视频编解码系统的视频序列文件格式相同；

存贮器设置在计算机内；待测数字视频编解码系统通过视频输出接口将经处理的视频序列文件输入计算机。

(4)查看存贮器中的视频序列文件大小；若与输入的视频序列文件大小相同，则直接进行步骤(6)；否则，进行步骤(5)；

(5)检测存贮器中的视频序列文件中每一帧图像的帧号，确定每一帧输出图像所对应的输入图像；

(6)在已知每一帧输出图像及其对应输入图像的基础上，用PSNR公式来计算信噪比。

本发明实施方案的工作原理为：假设输入视频序列的长度为100帧，先在一台计算机中将其中的每一帧进行二值帧号标记，帧号从1至100，然后输入到待测数字视频编解码系统。经过编解码器处理之后，再将带有帧号标记的视频序列文件输出到同一台计算机。先用右键查看输出视频序列和输入视频序列的属性，看两者的大小是否相同。若相同，则说明在编解码过程中系统没有进行跳帧，输出视频序列和输入视频序列中的每一帧都是一一匹配的，在这种情况下就不需要检测帧号标记，直接按照PSNR公式计算每一帧的信噪比即可。若两者大小不同，则说明在编解码过程中系统出现了跳帧，输出视频序列和输入视频序列中的每一帧不再是一一匹配的关系了。在这种情况下，就需要先检测输出视频序列第1帧的帧号，若测得帧号为N，则直接在输入视频序列中跳到第N帧，将其作为参考帧按照PSNR公式计算输出视频序列第1帧的信噪比。依此类推，即可计算出输出视频序列所有帧的信噪比。

Claims (3)

1.一种测试数字视频编解码系统信噪比的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)在一已知文件大小的视频序列文件中的每一帧图像上做帧号标记；

(2)将步骤(1)得到的视频序列文件通过待测数字视频编解码系统的输入接口输入待测数字视频编解码系统；

(3)通过待测数字视频编解码系统的视频输出接口，将经处理的视频序列文件输出并存贮在一个存贮器中；存贮的视频序列文件的格式与输入待测数字视频编解码系统的视频序列文件格式相同；

(4)查看存贮器中的视频序列文件大小；若与输入的视频序列文件大小相同，则直接进行步骤(6)；否则，进行步骤(5)；

(5)检测存贮器中的视频序列文件中每一帧图像的帧号，确定每一帧输出图像所对应的输入图像；

(6)在已知每一帧输出图像及其对应输入图像的基础上，用PSNR公式来计算信噪比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，步骤(1)得到的视频序列文件由计算机通过视频接口输入到待测的数字视频编解码系统。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：存贮器设置在计算机内；步骤(3)中，待测数字视频编解码系统通过视频输出接口将经处理的视频序列文件输入计算机。

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