ES2205799T3 - Procedimiento y sistema de evaluacion objetivo de la calidad del video. - Google Patents
Procedimiento y sistema de evaluacion objetivo de la calidad del video.Info
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Abstract
Procedimiento de obtención de indicadores de calidad para una evaluación objetiva de una señal de video de salida o alterada, en relación con una señal de video de referencia o de entrada, mediante cuantificación de la intensidad de flancos o de transiciones de la señal a la vez en la señal de video de entrada y en la señal de video de salida utilizando una detección de flancos o de transiciones de señal, comprendiendo dicho procedimiento: Una primera etapa principal de producción de características de imagen de las señales de video de entrada y de salida, incluyendo las características de imagen una información de flanco y Una segunda etapa principal de determinación de indicadores de calidad a partir de las características de imagen obtenidas.
Description
Procedimiento y sistema de evaluación objetivo de
la calidad del vídeo.
La presente invención se refiere a la calidad del
vídeo y, en particular, a una evaluación objetiva de la calidad de
las señales de vídeo codificadas y transmitidas.
Con el desarrollo de la tecnología de
codificación digital, se han conseguido ahorros en capacidad de
transmisión y/o almacenamiento de señales de vídeo y un gran número
de nuevos servicios de vídeo multimedia se hicieron
disponibles.
Los ahorros en capacidad de transmisión y/o
almacenamiento por la tecnología de compresión digital suelen
depender de la cantidad de información presente en la señal de
vídeo original así como de la calidad que el usuario está dispuesto
sacrificar. Los inconvenientes pueden resultar de la tecnología de
codificación usada y de la capacidad limitada del canal de
transmisión.
La evaluación de la calidad del vídeo puede
dividirse en una evaluación subjetiva por los observadores humanos
que proporcionan su opinión subjetiva sobre la calidad del vídeo y
una evaluación objetiva que se realiza mediante el uso de
mediciones eléctricas.
Es opinión general que la evaluación de la
calidad del vídeo se establece mejor por los observadores humanos
que es, sin embargo, un procedimiento complejo, costoso y
consumidor de tiempo. En consecuencia, existe la necesidad de
desarrollar medidas objetivas de la calidad visual, basadas en la
percepción humana, que pueden utilizarse para predecir la calidad
subjetiva de los servicios de los modernos servicios de vídeo y sus
fabricaciones.
Estudios realizados dentro del marco de trabajo
del American National Standards Institute (ANSI) y de la Unión
Internacional de Telecomunicaciones (ITU) han llevado a una
pluralidad de algoritmos para la evaluación objetiva de la calidad
del vídeo.
Como se apreciará por los expertos en esta
técnica, el cálculo de los indicadores de calidad de las señales de
vídeo sobre una base de los pixels, por ejemplo, requiere una gran
cantidad de procesamiento. Como se revela en una publicación de
conferencia por S.D. Voran, "El desarrollo de medidas objetivas
de la calidad del vídeo que emulan la perfección humana",
Globocom'91 conf. Publ. Vol. 3, páginas 1176-1781,
1991, una importante clase de distorsiones perturbantes en una
señal de vídeo son las que destruyen, ablandan, hacen borrosos,
desplazan o crean flancos o transiciones de señales en la imagen del
vídeo.
En otra publicación de conferencia por S.D. y S.
Wolf, "Una técnica objetiva para evaluar las disminuciones de la
calidad del vídeo", IEEE Pacific RIM Conference on
Communications, Computers and Signal Processing, Proceedings,
Volumen 1 de 2, páginas 161-165, 1993, se describe
una técnica objetiva, que está basada en operaciones de
procesamiento de imágenes digitales realizadas en secuencias de
vídeo digital originales y perturbadas. Esta técnica implica un
proceso de extracción de características en el que se determinan las
así denominadas mediciones de inconvenientes de atributos de vídeo
preceptuales en los dominios espacial y temporal. La medición de la
disminución de calidad espacial está basada en una operación de
filtro de Sobel o, como alternativa, una operación
"pseudo-Sobel", para poder ampliar el contenido
en flancos en la imagen del vídeo y en consecuencia, en la medición
de la disminución de calidad espacial. Ésta última se basa en las
diferencias energéticas normalizadas de las tramas del vídeo con
filtración de Sobel utilizando cálculos de desviación estándar
realizados sobre partes visibles de las matrices de pixels de las
señales de vídeo original y de calidad disminuida. Las mediciones de
disminución de calidad así extraídas de las secuencias de vídeo
original y de calidad disminuida se utilizan luego para calcular un
indicador de la calidad, que cuantifica el impacto perceptual de
las disminuciones de calidad presentes en la secuencia de vídeo de
calidad disminuida. La publicación de patente
US-A-5.446.492 se refiere a una
técnica similar en la que los procesos de extracción de
características en la secuencia de vídeo original y con calidad
disminuida se realizan en localizaciones del origen y destino
alejadas. Las características extraídas de la secuencia de vídeo
original son tales que pueden comunicarse, de manera fácil y
rápida, entre las localizaciones de origen y destino a través de
una ruta de transmisión de bajo ancho de banda separada, es decir,
el ancho de banda de las características origen es mucho menor que
el ancho de banda de la secuencia de vídeo original. Para esta
finalidad, el proceso de extracción de características incluye
además un subproceso estadístico, que somete la salida de la
operación de filtración de Sobel a un procesamiento estadístico, es
decir, el cálculo de la derivación estándar de los pixels
contenidos dentro de una así denominada región de interés para la
que tiene que medirse la calidad del vídeo.
Un inconveniente de estas técnicas conocidas es
el hecho de que el proceso de extracción de características está
basado en cálculos de la desviación estándar. Ello significa que
las distorsiones de imagen que tienen efectos contrarios en las
tramas Sobel, p.e. imagen borrosa vs ruido adicional o flancos
falsos, no pueden siempre detectarse. Otro inconveniente es que las
técnicas conocidas utilizan una medida de distancia relativa para
la calidad de percepción, que en consecuencia tiene relación con
los efectos relativos de muy pequeño tamaño y su pequeña
visibilidad.
La presente invención tiene como objetivo
proporcionar medidas de calidad objetivas que pueden utilizarse para
evaluar la calidad subjetiva de señales de vídeo, que se refieren a
los más altos niveles de procesamiento cognitivos que dominan la
percepción de la calidad del vídeo.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar medidas aplicables para la normalización.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un procedimiento, una disposición y un equipo para la
evaluación objetiva de la calidad de señales de vídeo degradadas
para medir la calidad de los equipos de codificación de vídeo,
algoritmos, transmisiones de vídeo y otros servicios de vídeo
multimedia y que entre otras cosas no tienen los inconvenientes
anteriormente mencionados.
Estos y otros objetos y características se
consiguen por la presente invención en un procedimiento para
obtener indicadores de calidad para una evaluación objetiva de una
señal de vídeo degradada o de salida con respecto a una señal de
vídeo de referencia o entrada, cuantificando la intensidad de los
flancos o transiciones de señales en las señales de vídeo de entrada
y salida utilizando la detección de flancos o de transiciones de
señales, cuyo procedimiento consiste en una primera etapa principal
de generar características de imagen de las señales de vídeo de
entrada y salida y una segunda etapa principal de determinar
indicadores de la calidad a partir de las características de
imágenes generadas y para la definición de cuyo procedimiento fue
utilizada la técnica anterior descrita en el documento
US-A-5.446.492. El proceso de
cuantificar la intensidad de los flancos se referirá en lo sucesivo
por el término intensidad de los flancos.
El procedimiento según la invención comprende, en
la primera etapa principal, los pasos de:
- a)
- detectar flancos en las señales de vídeo de entrada y salida y
- b)
- calcular la intensidad de los flancos de las señales de vídeo de entrada y salida, proporcionando señales de flanco de entrada y salida y la segunda etapa principal comprende los pasos de
- c)
- establecer los flancos introducidos en la señal de flanco de salida comparando la señal de flanco de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida, siendo los flancos introducidos los que están presentes en la señal de flanco de salida y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de entrada;
- d)
- establecer los flancos omitidos en la señal de flanco de salida comparando las señales de flanco de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida, siendo los flancos omitidos los que están presentes en la señal de flanco de entrada y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de salida;
- e)
- obtener valores normalizados de los flancos introducidos en relación con la señal de flanco de salida ajustada por un primer factor de normalización;
- f)
- obtener valores normalizados de los flancos omitidos relativos a la señal de flanco de entrada ajustable por un segundo factor de normalización;
- g)
- calcular un primer indicador de calidad promediando los valores obtenidos en la etapa e) y
- h)
- calcular un segundo indicador de calidad promediando los valores obtenidos en la etapa f).
El procedimiento según la invención está basado
en la percepción visual humana, caracterizado porque las
distorsiones espaciales, tales como la introducción y omisión de
flancos o transiciones de señales, tienen un gran impacto sobre la
calidad subjetiva de la señal de vídeo. Asimismo, se ha encontrado
que la introducción de un flanco es más perturbadora que la omisión
de un flanco.
Esto se ha tenido en cuenta, en el procedimiento
según la invención, obteniendo valores normalizados de los flancos
introducidos y los flancos omitidos. Los flancos introducidos están
normalizados con respecto a la señal de flanco de salida ajustados
por un primer factor de normalización o ponderación y los flancos
omitidos son normalizados con respecto a la señal de flanco de
entrada por un segundo factor de normalización o ponderación. La
obtención de valores normalizados según la presente invención está
más en línea con la percepción humana, que siempre es relativa.
Los indicadores de calidad para los flancos
introducidos y los flancos omitidos son posteriormente establecidos
calculando los valores medios de los así normalizados flancos o
transiciones de señales, introducidos y omitidos, en la señal de
vídeo de salida. Para varios tipos diferentes de señales de vídeo,
clasificadas por la magnitud del movimiento en las imágenes, los
indicadores de calidad obtenidos con la invención están próximos a
los indicadores de calidad obtenidos a partir de mediciones
subjetivas realizadas por observadores humanos.
En una realización preferida del procedimiento
según la invención, las proporciones de flancos introducidos y
omitidos se establecen a partir de las respectivas polaridades de
una señal de distorsión bipolar formada a partir de la construcción
diferencial de señales de flancos de entrada y salida unipolares
alineadas con respecto a las correspondientes partes de las señales
de vídeo de entrada y salida.
Los factores de normalización, primero y segundo,
pueden ser fijos o, en una realización preferible, definirse según
las características de las señales de vídeo, tales como los valores
de luminancia y crominancia de dichas señales.
Para valores de alta luminancia, los deterioros
de los flancos son menos visibles que, en otra realización de la
invención, se tienen en cuenta por cuanto que el primer factor de
normalización comprende una parte variable obtenida a partir de los
valores característicos máximos de las señales de vídeo, tales como
la señal de luminancia.
El cálculo de la intensidad de los flancos puede
establecerse en una diversidad de manera. Sin embargo, la
formulación matemática más sencilla es calcular la norma del
gradiente de las señales de vídeo. Un ejemplo es el filtro de Sobel
que ha demostrado proporcionar resultados fiables. Dependiendo de
cómo se aproximen las derivadas de las señales de vídeo, muchas
variaciones en el cálculo de la intensidad de los flancos son
viables. En lo sucesivo, todos estos tipos serán referidos como
filtro de Sobel.
En una realización preferida de la invención, en
particular en donde los flancos introducidos y omitidos se obtienen
a partir de una señal de distorsión formada a partir de las señales
de flanco de entrada y salida alineadas, el filtro de Sobel
mejorado o compensado proporciona resultados excelentes. Con el
filtro de Sobel compensado, se utiliza un operador de borrosidad que
tiene una anchura de, por ejemplo, tres pixels. Mediante esta
operación, se compensa el efecto de desalineación en la formación
de la señal de distorsión.
La alineación de las señales de flanco de entrada
y salida se requiere porque las secuencias de vídeo procesadas por
un codificador-decodificador o transmitidas a
través de un canal de transmisión, por ejemplo, muestran retardos
con respecto a la secuencia original y que varían de una imagen a
otra. Si la secuencia de vídeo contiene un pequeño movimiento
relativo, existe solamente una pequeña influencia sobre la medida
objetiva de la calidad del vídeo. Sin embargo, con grandes
movimientos, la omisión de la compensación del retardo lleva a una
gran desadaptación en el contenido de la escena entre las secuencias
originales y distorsionadas. Esto incrementa inadvertidamente las
distorsiones computadas. Para resolver el problema de retardo
variable, pueden utilizarse algoritmos de alineación conocidos
tales como los revelados por ITU-T Contribution
COM-12-29, "Borrador de una nueva
recomendación sobre el retardo de comunicación multimedia,
sincronización y medición de la frecuencia de trama",
dic.1997.
En la práctica, según la invención, los
indicadores de la calidad se obtienen a partir de las
representaciones de la luminancia y de la crominancia de una señal
de vídeo de color.
Una optimización heurística ha llevado a
indicadores de calidad obtenidos a partir de la detección de bordes
de Sobel compensados donde para las señales de luminancia la parte
constante del primer factor de normalización está en un margen
entre 15 y 30, preferiblemente 20; la parte constante del segundo
factor de normalización está en un margen entre 5 y 15,
preferiblemente 10, y la parte variable del primer factor de
normalización está en un margen entre 0,3 y 1, preferiblemente 0,6
veces los valores de flancos máximos de la señal de luminancia de
las señales de vídeo de entrada y salida. Para las señales de
crominancia, la parte constante de los factores de ponderación,
primero y segundo, está en un margen entre 5 y 15, preferiblemente
10.
A partir de los así obtenidos indicadores de la
calidad, primero y segundo, de cada una de las señales de
luminancia y crominancia, se obtienen indicadores de la calidad
ponderados. Por ejemplo, utilizando múltiples técnicas de regresión
lineal. Para una Puntuación de Opinión Media (MOS) calculada a
partir de los indicadores de calidad ponderados obtenidos de los
anteriores factores de ponderación preferidos y del filtro de Sobel
compensado, la correlación de los valores de MOS calculados y de
MOS observados, a partir de mediciones subjetivas, alcanza un valor
superior a 0,9, que se requiere para realizar predicciones
fiables.
Los mejores resultados se obtienen utilizando el
procedimiento en datos de calidad de referencia subjetivos, de modo
que se optimicen los factores de normalización y/o ponderación de
los indicadores de la calidad.
Asimismo, la invención proporciona una
disposición para obtener indicadores de la calidad para una
evaluación objetiva de una señal de vídeo de salida o degradada con
respecto a una señal de vídeo de entrada o referencia cuantificando
la intensidad de los flancos o de las transiciones de señales en
las señales de vídeo de entrada y salida, utilizando la detección de
flancos o transición de señales, cuya disposición comprende medios
para generar características de imagen de las señales de vídeo de
entrada y salida y medios para determinar indicadores de calidad a
partir de las características de imagen generadas, habiendo sido
utilizado para la definición de la disposición el documento
US-A-5.446.492. La disposición según
la invención incluye en los medios para generar características de
imagen:
- a)
- medios para detectar flancos en las señales de vídeo de entrada y salida y
- b)
- medios para calcular la robustez de los flancos de las señales de vídeo de entrada y salida, proporcionando señales de flancos de entrada y salida;
y en los medios para determinar los indicadores
de la calidad:
- c)
- medios para establecer flancos introducidos en la señal de flanco de salida comparando las señales de flancos de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida, siendo los flancos introducidos los que están presentes en la señal de flanco de salida y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de entrada;
- d)
- medios para establecer flancos omitidos en la señal de flanco de salida comparando las señales de flancos de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida, siendo los flancos omitidos los que están presentes en la señal de flanco de entrada y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de salida;
- e)
- medios para obtener valores normalizados de los flancos introducidos relativos a la señal de flanco de salida ajustada por un primer factor de normalización;
- f)
- medios para obtener valores normalizados de los flancos omitidos relativos a la señal de flanco de entrada ajustada por un segundo factor de normalización;
- g)
- medios para calcular un primer indicador de la calidad promediando los valores obtenidos en la etapa e) y
- h)
- medios para calcular un segundo indicador de la calidad promediando los valores obtenidos en la etapa f).
En una realización preferida, los medios de
detección y cálculo de los flancos comprenden medios de filtración
de Sobel mejorados o compensados.
Los expertos en esta técnica apreciarán que los
medios anteriormente mencionados en los apartados a) y b) pueden
combinarse o proporcionarse físicamente por un medio único para las
señales de vídeo de entrada y salida utilizando medios de
multiplexión apropiados, por ejemplo. Análogamente, los medios c) y
d) y/o medios e) y f) así como los medios g) y h) pueden combinarse
o estar separados.
La disposición como un conjunto completo puede
ponerse en práctica en medios de procesador digital adecuados e
incorporados en un Circuito Integrado Específico de aplicación
(ASIC) para uso en la medición de la calidad de los
codificadores-decodificadores de vídeo y la calidad
de la transmisión de vídeo, por ejemplo.
Las anteriores y otras características y ventajas
de la presente invención serán fácilmente evidentes para un experto
en esta técnica a partir de la siguiente descripción escrita cuando
se lea en conjunción con los dibujos en los que las referencias
numéricas iguales se refieren a elementos iguales.
La Figura 1 ilustra un procedimiento diseñado
para la medición objetiva de la calidad de un sistema de vídeo en
el que un modelo perceptual/cognitivo simula un sujeto humano.
La Figura 2 ilustra, en una representación
esquemática, una medición objetiva básica según el procedimiento
ilustrado en la Figura 1.
La Figura 3a ilustra una imagen del tipo de vídeo
y la Figura 3b ilustra flancos o transiciones de señales en la
imagen de la Figura 3a.
La Figura 4 muestra, de una manera esquemática e
ilustrativa, una realización ejemplar para establecer flancos
introducidos y omitidos en una señal de vídeo de salida.
La Figura 5 ilustra un diagrama de flujo de
bloques de la realización principal del procedimiento según la
invención.
La Figura 6 ilustra un diagrama de bloques de una
disposición según la presente invención.
Pueden distinguirse dos categorías principales de
evaluación de la calidad del vídeo. Una es la evaluación subjetiva
y otra es la evaluación objetiva. La evaluación objetiva de la
calidad del vídeo, tal como la difusión televisiva, en el pasado ha
sido realizada mediante gráficos de resolución, barra de ecuadores,
mediciones de respuesta de frecuencia y midiendo la relación señal
al ruido de la señal de vídeo. Con la introducción de las técnicas
de codificación y decodificación de señales de vídeo digitales
avanzadas, han resultado ser menos útiles las mediciones objetivas
de la calidad clásicas tales como la relación de señal al ruido y
la distorsión armónica total. Estas mediciones objetivas clásicas
de la calidad visual no tienen en cuenta al usuario que decide por
su propia evaluación subjetiva si una señal de vídeo cumple un
nivel de calidad previsto. La disponibilidad de procedimientos de
prueba objetivos que presenten una alta correlación con la calidad
subjetiva es, por lo tanto, de importancia.
La Figura 1 ilustra una así denominada
aproximación de "caja negra" hacia la medición objetiva de la
calidad de un sistema de vídeo 1, tal como un codec
(codificador/decodificador) de vídeo, un dispositivo de transmisión
o una ruta de transmisión, etc.
Una señal de referencia o de entrada de vídeo
Y_{in}, proporcionada en un terminal de entrada 2, se procesa por
el sistema de vídeo 1 en una señal de vídeo de salida Y_{out} en
un terminal de salida 3.
Un sujeto humano 4 que recibe la señal de vídeo
de salida Y_{out} a través de sus ojos, no percibirá ninguna
diferencia entre las señales de vídeo de entrada y salida para un
sistema de vídeo ideal 1. Sin embargo, en la práctica, el sistema
de vídeo 1 degradará la salida comparada con la entrada, que da
lugar a una impresión de la calidad por el sujeto humano. El nivel
de la impresión de calidad se determina por la percepción de las
señales de entrada y salida por el sujeto humano, es decir, sus
órganos visuales, así como su cognición, es decir, la manera en la
que señales percibidas se interpretan por su cerebro.
En consecuencia, la evaluación objetiva de la
calidad de las señales de vídeo en correlación con las impresiones
de la calidad subjetivas, tiene que basarse en un modelo perceptual
y cognitivo 5.
La Figura 2 ilustra los principios básicos de la
medición objetiva, donde un modelo perceptual 6 transforma las
señales de entrada y salida en una representación interna de las
mismas. La diferencia 7 en las representaciones internas es objeto
de correlación en mapa a un nivel de calidad, utilizando un modelo
cognitivo 8. Los modelos preceptúales 6 suelen estar basados en
flancos o transiciones de señales, utilizando filtros espaciales
que tienen su origen en el sistema visual humano.
Es objetivo de la presente invención evaluar la
percepción de la calidad de un sujeto humano de la manera más
exacta posible a partir de mediciones objetivas.
La Figura 3a ilustra una imagen del tipo de
vídeo, mientras que la Figura 3b ilustra flancos o transición de
señales detectadas en la imagen. Para fines de ilustración, una
parte correspondiente arbitraria en ambas figuras se indica por una
elipse 9.
La invención está principalmente basada en la
detección de flancos o transiciones de señales de una señal de vídeo
según se ilustra, a modo de ejemplo, en la Figura 4.
Las partes de señales 10 y 11 de una señal de
vídeo de entrada Y_{in} y una señal de vídeo de salida Y_{out},
respectivamente, son alineadas en tiempo y espacio para poder
determinar los retardos inherentes o los desplazamientos espaciales
en el sistema de vídeo 1 (fig. 1). La parte de la señal 10 comprende
un flanco o transición de señal 12, tal como se ilustra, mientras
que la parte de señal 11 comprende un flanco o transición de señal
13, desplazado en su posición con respecto al flanco 12 y para una
menor amplitud. En el ejemplo presente, el flanco 13 se supone que
es un flanco nuevo o introducido en la señal de salida
Y_{out}.
En el caso no distorsionado ideal, las partes de
señales 11 y 12 tienen flancos en la misma posición y de la misma
amplitud, de modo que se cancelan entre sí en una señal de
distorsión formada por construcción de diferencias.
Las partes de señales 10 y 11 están sujetas a un
operador de flanco, indicado por una flecha 14, para cuantificar la
intensidad de los flancos 12 y 13, proporcionando señales de
flancos X_{in} y X_{out}, respectivamente, con las referencias
numéricas 15 y 16.
Como se ilustra, las señales de flancos son de
una naturaleza unipolar, es decir, para las partes de ataque y
salida de los flancos 12 y 13 se proporcionan pulsos positivos 17 y
18 correspondientemente posicionados.
En un siguiente paso, indicado por una flecha 19,
una señal de distorsión 20 se forma por substracción de la señal de
flanco 15 de la señal de flanco 16, es decir (X_{out} -
X_{in}). Esta señal de distorsión 20 es de naturaleza bipolar,
tal como se ilustra. A partir de la señal diferencia o distorsión
20, se establecen flancos introducidos y omitidos según se indica
por las flechas 21 y 22, respectivamente.
La parte positiva de la señal de distorsión
bipolar 20, es decir, indicada por (X_{out} -
X_{in})^{+}, proporciona flancos introducidos en la señal
de salida 11. Es decir, el flanco 13 que no está presente en la
señal de entrada. La parte negativa de la señal de distorsión 20,
es decir, indicada por (X_{out} - X_{in})^{-},
proporciona los flancos omitidos en la señal de salida 11, es
decir, el flanco 12 de la señal de entrada 10 que no está presente
en la señal de salida 11.
Los expertos en esta técnica apreciarán que la
detección de flancos para los fines de la presente invención puede
traducirse por una operación derivada o diferenciación, que genera
una pluralidad de valores de magnitud de flancos basados en los
valores de la imagen, es decir, con la referencia de intensidad de
los flancos.
En una realización preferida de la invención, el
detector de flancos puede ser un operador de Sobel que genera los
valores de magnitud de la derivada de los valores de imagen, es
decir, el ritmo de cambio de intensidad durante una pluralidad de
pixels de imagen.
\newpage
La filtración de Sobel es una operación que es
bien conocida en la técnica de procesamiento de imágenes y puede
encontrarse en numerosos libros de texto sobre esta materia, tales
como "Procesamiento de Imágenes Digitales", por R.C. González
y P. Linz, 2ª Ed.; Addison-Wesley Publishing Co.,
Reading, Massachussets, 1987.
En el filtro Sobel clásico, la tasa de cambio de
los pixels de una imagen de vídeo a lo largo del eje x, es decir,
los flancos horizontales, se determina mediante la convolución de
la imagen de vídeo con la matriz:
| -1 | -2 | -1 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 2 | 1 |
El régimen de cambio de los pixels de la imagen
de vídeo a lo largo del eje y, es decir, los flancos verticales, se
determina mediante la convolución de la imagen con la matriz:
| -1 | 0 | 1 |
| -2 | 0 | 2 |
| -1 | 0 | 1 |
La raíz cuadrada de la suma de los detectores de
flancos proporciona la magnitud del flanco en un píxel o punto de
la imagen de vídeo.
La invención hace uso del conocimiento de que la
percepción humana es una operación relativa, de modo que se
establece una ponderación o normalización de los flancos
introducidos y omitidos.
En consecuencia, los flancos introducidos están
normalizados en relación con la señal de flanco de salida ajustada
por un primer factor de normalización y los flancos omitidos están
normalizados en relación con la señal de flanco de entrada ajustada
por un segundo factor de normalización. Esto da lugar a las
ecuaciones siguientes:
Q1 = media \frac{(X_{out} -
X_{in}) \ ^{+}}{X_{out} +
W1}
Q2 = media \frac{(X_{out} -
X_{in}) \ ^{-}}{X_{out} +
W2}
donde:
Q1 = primer indicador de la calidad para los
flancos introducidos.
Q2 = segundo indicador de la calidad para los
flancos omitidos.
W1 = primer factor de normalización.
W2 = segundo factor de normalización.
Los factores de calidad se calculan por separado
para las partes de luminancia y crominancia de las señales de vídeo
de color. Los factores de normalización W1 y W2 se definen de
conformidad con las características de las señales de vídeo y
pueden comprender una parte constante que corresponde a los valores
de luminancia y crominancia de las señales de vídeo.
En una realización preferida de la invención, el
primer factor de normalización comprende una parte variable
obtenida a partir de los valores de flancos máximos de las señales
de vídeo de entrada y salida. En una realización preferible, los
valores de flanco máximos de la señal de luminancia de las señales
de vídeo de entrada y salida. Ésta es la razón por la que los
deterioros de flancos para valores de alta luminancia son menos
visibles. Aplicando la operación de Sobel como el operador de
flanco según la invención, las ecuaciones (1) y (2) pueden
escribirse como:
Q1 = media \ \frac{Sobel \
(Y_{out}) - Sobel \ (Y_{in}) \ ^{+}}{Sobel \ (Y_{out}) +
W1}
Q2 = media \ \frac{Sobel \
(Y_{out})- Sobel \ (Y_{in}) \ ^{-}}{Sobel \ (Y_{in})+
W2}
donde:
Sobel(Y) es una función de filtración de
Sobel de la señal de vídeo Y.
Tal como se describió anteriormente, para los
fines de la presente invención, las señales de entrada y salida han
de estar alineadas en tiempo y espacio.
Para poder corregir las desalineaciones y para
adaptar el procesamiento con respecto a la resolución espacial de
la señal de vídeo, el filtro Sobel ha sido mejorado por un así
denominado operador de compensación óptica, que tiene una anchura
de unos pocos pixels. El uso de este operador tiene el efecto de
extender la operación de filtración de Sobel sobre los pixels de
imagen.
Una compensación de anchura de tres pixels de la
señal filtrada se define como:
Sobel compensado (Y) = MAX {i = 1,0,1 j = -1,0,1
Sobel _{ij} (Y)}
donde:
i,j = pixels en las direcciones x e y sobre las
cuales se extiende la filtración de Sobel.
De nuevo, para obtener resultados fiables, los
indicadores de la calidad, primero y segundo, para los flancos
introducidos y omitidos, han de calcularse por separado para las
partes de luminancia y crominancia de una señal de vídeo de
color.
A partir de una optimización heurística, para las
señales de luminancia, se proporcionan resultados fiables mediante
un primer factor de normalización W1 en un margen entre 15 y 30,
preferiblemente 20 y que comprende una parte variable en un margen
entre 0,3 y 1, preferiblemente 0,6 veces los valores de flanco
máximos de la señal de luminancia y un segundo factor de
normalización en un margen entre 5 y 15, preferiblemente 10. Para
las señales de crominancia, los factores de normalización, primero
y segundo, han de elegirse en un margen entre 5 y 15,
preferiblemente 10.
En consecuencia, para las señales de luminancia,
en una realización preferida de la invención, se obtienen
excelentes indicadores de la calidad a partir de:
Q1(L) = media \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y^{L} \ _{out}) \ - \ Sobel \
compensado \ (Y^{L} \ _{in})\}}{Sobel \ compensado \ (Y^{L} \
_{out}) + 10 + 0,6 \ MAX \ (X^{L} \ _{in},X^{L} \
_{out})}
Q2(L) = media \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y^{L} \ _{out}) \ - \ Sobel \
compensado \ (Y^{L} \ _{in})\}}{Sobel \ compensado \ (Y^{L} \ _{in})
+
10}
donde:
Q(L) = indicador de la calidad para
señales de luminancia
Y^{L} = señal de luminancia
X^{L} = señal de luminancia de flanco
La parte racional para el factor 0,6 MAX
(X^{L}_{in}, X^{L}_{out}) se basa en la ley de Weber, que
establece que los sujetos son menos sensibles al contraste absoluto
para grandes valores de la luminancia.
Para las señales de crominancia C_{R} y C_{B}
de las señales de vídeo, se obtienen indicadores de la calidad a
partir de:
Q1(C_{R}) = \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y_{out}\ ^{C} \ _{R}) \ - \ Sobel \
compensado (Y_{in} \ ^{C} \ _{R})^{+}\}}{Sobel \ compensado \
(Y_{out} \ ^{C} \ _{R}) +
10}
Q2(C_{R}) = \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y_{out}\ ^{C} \ _{R}) \ - \ Sobel \
compensado (Y_{in} \ ^{C} \ _{R})^{+}\}}{Sobel \ compensado \
(Y_{out} \ ^{C} \ _{R}) +
10}
Q1(C_{B}) = \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y_{out}\ ^{C} \ _{B}) \ - \ Sobel \
compensado (Y_{in} \ ^{C} \ _{B})^{+}\}}{Sobel \ compensado \
(Y_{out} \ ^{C} \ _{B}) +
10}
Q2(C_{B}) = \
\frac{\{Sobel \ compensado \ (Y_{out}^{C} \ _{B}) \ - \ Sobel \
compensado (Y_{in} \ ^{C} \ _{B})^{+}\}}{Sobel \ compensado \
(Y_{in} \ ^{C} \ _{B}) +
10}
donde:
Q(C_{R}) = indicador de la calidad para
la señal de crominancia C_{R}.
Q(C_{B}) = indicador de calidad para la
señal de crominancia C_{B}.
Y^{C}{}_{R} = señal de crominancia C_{R}.
Y^{C}{}_{B} = señal de crominancia C_{B}.
Utilizando técnicas de regresión lineal
múltiples, puede calcularse una Puntuación de Opinión Media (MOS) a
partir de los seis indicadores de calidad obtenidos y tres
indicadores de calidad derivados de la distancia LP entre la señal
de vídeo de entrada o de referencia y la señal de vídeo de salida o
degradada. Con la presente invención, la correlación de los valores
MOS calculados y los valores MOS observados, a partir de mediciones
subjetivas de personas de pruebas humanas, alcanza un valor
superior a 0,9, que se requiere para los fines de normalización
dentro de ANSI-ITU.
Los factores de normalización y la ponderación de
los indicadores de calidad pueden optimizarse todavía más a partir
de ejecutar el procedimiento según la invención para datos de
calidad subjetiva para varias secuencias de vídeo de formación, por
ejemplo.
La Figura 5 muestra, en un diagrama del tipo de
bloque de flujo, los principales pasos del procedimiento según la
presente invención.
La detección de los flancos y el cálculo de la
robustez de los flancos de la señal de vídeo de entrada se indican,
de manera esquemática, por los flancos 25 y 26, mientras que los
bloques 27 y 28 revelan lo mismo para la señal de vídeo de
salida.
A partir de las señales de flancos obtenidas en
los bloques 26 y 28, se establecen los flancos introducidos y
omitidos en la señal de salida, con la referencia de los bloques 29
y 33, respectivamente.
De conformidad con la percepción humana, se
obtienen valores normalizados, introduciendo un primero y segundo
factor de normalización según se indica por los bloques 30 y 34,
respectivamente. Los flancos introducidos están normalizados con
respecto a la señal de flanco de salida, mientras que los flancos
omitidos, en la señal de salida, están normalizados con respecto a
la señal de flanco de entrada.
La promediación de los valores obtenidos, bloques
31 y 35, lleva al primero y segundo indicadores de calidad según la
presente invención, con la referencia de bloques 32 y 36,
respectivamente.
La Figura 6 ilustra un diagrama de bloques
esquemático de una disposición para obtener indicadores de calidad
para una evaluación objetiva de la calidad de la señal de vídeo de
conformidad con el procedimiento de la invención.
En el terminal de entrada 40 se proporciona una
señal de vídeo de salida Y_{out}, alineada en tiempo y espacio
con una señal de vídeo de entrada Y_{in} proporcionada en el
terminal de entrada 41. Los medios de detección y cálculo de los
flancos 42 y 43 son operativos para detectar flancos y para
cuantificar la robustez de los flancos, es decir, la robustez de las
respectivas señales de vídeo, proporcionando señales de flanco de
salida y entrada, respectivamente. En una realización preferida de
la invención, los medios 42 y 43 están dispuestos para la
filtración de Sobel de las señales de vídeo, en particular el
filtro Sobel compensado.
Las señales de flancos suministradas se alimentan
a medios 44 para establecer una señal de distorsión o señal de
diferencias, tal como la señal de distorsión 20 ilustrada en la
Figura 4.
Los medios de detección 45 operan sobre la señal
de distorsión para detectar los flancos introducidos en la señal de
flanco de salida y los medios de detección 46 operan en la señal de
distorsión para detectar los flancos omitidos en la señal de flanco
de salida.
A partir de los flancos introducidos, en
combinación con un primer factor de normalización aplicado en el
terminal de entrada 47 del medio de promediación 49, se calcula un
primer indicador de la calidad 51. Un segundo indicador de la
calidad 52 se calcula promediando los medios 50 de la señal de
flanco omitida de conformidad con un segundo factor de
normalización aplicado en un terminal de entrada 48 de los medios
de promediación 50.
Los expertos en esta técnica apreciarán que los
medios de detección y cálculo de flancos 42, 43 pueden combinarse
en un medio de operador de flanco único, mientras que utilizan
técnicas de multiplexión adecuadas. Esto es también válido para los
medios de detección 45 y 46 así como los medios de promediación 49
y 50. En una realización preferible, el circuito presentado puede
implantarse en un Circuito Integrado Específico de Aplicación
(ASIC) o medios de procesadores programados adecuados.
La disposición puede utilizarse para medir la
calidad de las transmisiones de vídeo así como para medir la
calidad de las codificaciones-decodificaciones de
vídeo o cualquier otro sistema de procesamiento de vídeo.
Aunque la presente invención ha sido descrita con
respecto a una realización particular, los expertos en esta técnica
reconocerán que la presente invención no está limitada a las
realizaciones aquí descritas e ilustradas. Diferentes realizaciones
y adaptaciones más allá de las ilustradas así como numerosas
variaciones, modificaciones y disposiciones equivalentes serán ahora
razonables si son sugeridas por la especificación y dibujos
anteriores sin desviarse de la sustancia o alcance de la invención.
En consecuencia, está previsto que la invención solamente esté
limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (20)
1. Procedimiento de obtención de indicadores de
calidad para una evaluación objetiva de una señal de vídeo de
salida o alterada, en relación con una señal de vídeo de referencia
o de entrada, mediante cuantificación de la intensidad de flancos o
de transiciones de la señal a la vez en la señal de vídeo de
entrada y en la señal de vídeo de salida utilizando una detección de
flancos o de transiciones de señal, comprendiendo dicho
procedimiento:
- Una primera etapa principal de producción de características de imagen de las señales de vídeo de entrada y de salida, incluyendo las características de imagen una información de flanco y
- Una segunda etapa principal de determinación de indicadores de calidad a partir de las características de imagen obtenidas,
caracterizado porque
porque la primera etapa principal incluye las
etapas que consisten en:
- a) detectar flancos respectivamente en las señales de vídeo de entrada y salida (25, 27) y
- b) calcular el carácter de flanco de las señales de vídeo de entrada y salida, proporcionando señales de flanco de entrada y salida (26, 28) y la segunda etapa principal incluye las etapas que consisten en:
- c) establecer flancos introducidos en dicha señal de flanco de salida comparando la señal de flanco de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida (29), siendo los flancos introducidos los que están presentes en la señal de flanco de salida y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de entrada;
- d) establecer los flancos omitidos en la señal de flanco de salida comparando las señales de flanco de entrada y salida de las correspondientes partes de las señales de vídeo de entrada y salida (33), siendo los flancos omitidos los que están presentes en la señal de flanco de entrada y están ausentes en las correspondientes posiciones en la señal de flanco de salida;
- e) obtener valores normalizados de los flancos introducidos en relación con la señal de flanco de salida ajustada por un primer factor de normalización (30);
- f) obtener valores normalizados de los flancos omitidos en relación con la señal de flanco de entrada ajustada por medio de un segundo factor de normalización (34);
- g) calcular un primer indicador de calidad mediante formación de la media de los valores obtenidos en la etapa e) (31, 32) y
- h) calcular un segundo indicador de calidad mediante formación de la media de los valores obtenidos en la etapa f) (35, 36).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
- i) las señales de flanco de entrada y de salida están previstas bajo la forma de señales unipolares correspondientes;
- j) las señales de flanco de entrada y de salida de partes correspondientes de señales de vídeo de entrada y de salida están alineadas;
- k) una señal de distorsión bipolar se establece por formación de la diferencia de las señales de flanco de entrada y de salida alineadas y
- l) flancos introducidos y omitidos se establecen a partir de las polaridades respectivas de la señal de distorsión.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, caracterizado porque los factores de
normalización, primero y segundo, se ajustan de conformidad con las
características de las señales de vídeo.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque los factores de normalización, primero
y segundo, comprenden una parte constante ajustada de conformidad
con los valores de luminancia y de crominancia de las señales de
vídeo.
5. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizado porque el primer factor de normalización
comprende una salida variable obtenida a partir de valores de
flancos característicos máximos de las señales de vídeo.
\newpage
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
señales de flanco de entrada y salida son proporcionadas mediante el
filtro de Sobel.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque las señales de flanco de entrada y
salida se proporcionan por un filtro de Sobel perfeccionado o
calibrado.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
indicadores de calidad, primero y segundo, se obtienen para señales
de luminancia y/o de crominancia de las señales de vídeo de entrada
y de salida.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
dependiente de las reivindicaciones 5 y 7, caracterizado
porque para las señales de luminancia, la parte constante del
primer factor de normalización está situada en una gama comprendida
entre 15 y 30 y preferentemente igual a 20, estando situada la parte
constante del segundo factor de normalización dentro de una gama
situada entre 5 y 15 y preferentemente igual a 10, estando la parte
variable del primer factor de normalización dentro de una gama
comprendida entre 0,3 y 1 y preferentemente igual a 0,6 veces el
valor máximo de la señal de luminancia de las señales de vídeo de
entrada y de salida.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque para las señales de crominancia, la
parte constante de los factores de normalización, primero y segundo,
se sitúa dentro de una gama comprendida entre 5 y 15 y es igual
preferentemente a 10.
11. Procedimiento según la reivindicación 8, 9 ó
10, caracterizado porque entre los indicadores de calidad,
primero y segundo, de cada una de las señales de luminancia y de
crominancia, se obtiene un indicador de calidad ponderado y se
calcula una Puntuación de Opinión Media (MOS) a partir de los
indicadores de calidad ponderados.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque se utilizan las técnicas de regresión
lineal múltiples utilizadas para ponderar los indicadores de
calidad, primero y segundo, respectivos.
13. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
factores de normalización y/o igualmente la ponderación de los
indicadores de calidad son ajustados a partir de indicadores de
calidad obtenidos teniendo en cuenta datos de calidad subjetivos y
datos de calidad calculados.
14. Disposición para obtener indicadores de
calidad para una evaluación objetiva de una señal de vídeo alterada
o de salida en relación con una señal de vídeo de referencia de
entrada mediante cuantificación de la intensidad de flancos de
transición de señales a la vez en la señal de vídeo de entrada y en
la señal de vídeo de salida, utilizando una detección de transición
de señales o flancos, comprendiendo dicha disposición:
- medios para obtener características de imagen de las señales de vídeo de entrada y salida, incluyendo las características de imagen la información de flanco y
- medios para determinar indicadores de calidad a partir de las características de imagen obtenidas.
caracterizada porque
los medios de producción de características de
imagen incluyen:
- a) medios (42, 43) para detectar flancos respectivamente en la señal de vídeo de entrada y en la señal de vídeo de salida y
- b) medios (42, 43) para calcular las características de flancos de la señal de vídeo de entrada y de la señal de vídeo de salida, obteniendo señales de flanco de entrada y salida; e incluyen los medios de producción de indicadores de calidad;
- c) medios (45) para establecer flancos introducidos en la señal de flanco de salida mediante comparación de señales de flanco de entrada y salida de partes correspondientes de las señales de vídeo de entrada y salida, con la introducción de flancos que están presentes en la señal de flanco de salida y están ausentes en posiciones correspondientes de la señal de flanco de entrada;
- d) medios (46) para establecer flancos omitidos en la señal de flanco de salida por comparación de las señales de flanco de entrada y salida de las partes correspondientes de las señales de vídeo de entrada y salida, siendo omitidos los flancos que están presentes en la señal de flanco de entrada y están ausentes en las posiciones correspondientes en la señal de flanco de salida;
- e) medios (47) para obtener valores normalizados de los flancos en relación con la señal de flanco de salida ajustada por medio de un primer factor de normalización;
- f) medios (48) para obtener valores normalizados de los flancos omitidos relativos a la señal de flanco de entrada ajustada por medio de un segundo factor de normalización;
- g) medios (49) para calcular un primer indicador de calidad (51) mediante formación de la media de los valores obtenidos en la etapa e) y
- h) medios (50) para calcular un segundo indicador de calidad (52) mediante formación de la media de los valores obtenidos en la etapa f).
15. Disposición según la reivindicación 14,
caracterizada porque los medios de detección y de cálculo de
flanco comprenden medios que forman un filtro de Sobel.
16. Disposición según la reivindicación 14,
caracterizada porque los medios de detección y de cálculo de
flanco comprenden medios que forman un filtro de Sobel
perfeccionado o calibrado.
17. Disposición según la reivindicación 14, 15 ó
16, puesta en práctica en medios que forman un procesador
digital.
18. Circuito Integrado Específico de la
Aplicación (ASIC) adaptado para incluir medios que ejecutan todas
las etapas del procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13 o incluyendo la disposición según una
cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17.
19. Utilización del procedimiento, de la
disposición o del circuito ASIC según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, para medir la calidad de
codificadores-decodificadores de vídeo.
20. Utilización del procedimiento, de la
disposición o del circuito ASIC según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 18, para medir la calidad de transmisiones de
vídeo.
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