JP2008211579A - 映像品質推定方法および映像通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で映像品質を推定する。
【解決手段】映像通信システムは、ユーザ端末１１におけるパケットの損失数を測定するパケット損失数測定部５と、パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、測定部５で測定されたパケット損失数からユーザ端末１１における映像信号の品質を推定する映像品質推定部７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＰパケットを用いて映像信号を伝送するビデオオンデマンドやＩＰ放送、テレビ電話やテレビ会議システムなどの映像通信システムに係り、特にサービスや装置の開発時の品質評価と品質設計及び運用時の品質管理において、映像信号を受視聴した際の平均品質特性を推定する映像品質推定方法および映像通信システムに関するものである。

ＩＰパケットを用いたビデオオンデマンドやＩＰ放送、テレビ電話やテレビ会議システムなどの映像通信では、パケット損失によって受信地点の映像信号の品質が劣化する場合がある。
従来技術では、映像配信サービスやテレビ電話、テレビ会議などの映像コミュニケーションサ−ビスを対象に、損失したパケットから映像品質劣化が継続する映像フレーム数を算出して主観品質を推定する方法が、特許文献１において提案されている。

特開２００６−３３７２２号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、損失したパケットの生成番号をネットワーク内や受信端末において特定することが前提であり、かつ損失したパケットが属する高能率圧縮符号化時のフレーム種別（Ｉ，Ｐ，Ｂ）およびフレーム発生規則（ＧＯＰ構造）から映像品質劣化が継続する映像フレーム数を算出する必要があるため、受信端末内外にこれら品質推定機能を備える必要があり、構成が複雑になるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で映像品質を推定することができる映像品質推定方法および映像通信システムを提供することにある。

本発明は、パケットを用いて映像信号を伝送する映像通信システムにおいて受信端末における前記映像信号の品質を推定する映像品質推定方法であって、受信端末におけるパケットの損失数を測定する測定手順と、パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、前記測定されたパケット損失数から前記受信端末における映像信号の品質を推定する映像品質推定手順とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の映像品質推定方法の１構成例において、前記映像品質推定手順は、前記映像信号の伝送にパケット誤り訂正が用いられている場合に、前記映像品質推定関数に代入するパケット損失数として、前記測定手順で測定されたパケット損失数からパケット誤り訂正数を引いた実パケット損失数を用いて、前記受信端末における映像信号の品質を推定するようにしたものである。
また、本発明の映像品質推定方法の１構成例において、前記映像品質推定関数は、主観品質評価実験によって得られた、パケット損失数と映像品質の主観値との関係から予め導出されるものである。
また、本発明の映像品質推定方法の１構成例において、前記映像品質推定手順は、前記主観品質評価実験によって得られた定数をａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ、前記パケット損失数をＬとしたとき、前記映像信号の品質Ｑを、Ｑ＝ａ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｂ）＋ｃ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｄ）＋ｅにより推定するようにしたものである。
また、本発明の映像品質推定方法の１構成例は、前記測定手順と前記映像品質推定手順とを前記受信端末で実行するようにしたものである。
また、本発明の映像品質推定方法の１構成例は、前記測定手順と前記映像品質推定手順とを前記受信端末以外の外部の装置で実行するようにしたものである。

また、本発明の映像通信システムは、受信端末におけるパケットの損失数を測定する測定部と、パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、前記測定されたパケット損失数から前記受信端末における映像信号の品質を推定する映像品質推定部とを備えるものである。

本発明によれば、受信端末におけるパケットの損失数を測定し、パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、前記測定されたパケット損失数から受信端末における映像信号の品質を推定することにより、現在通信中の映像信号の品質を複雑な計算無しに評価することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。
図１において、１はカメラやＶＴＲなどからなる映像入力装置、２は映像入力装置１から入力された映像信号を符号化してパケット化する映像符号化装置、３は映像符号化装置２から入力されたパケットをＩＰ（Internet Protocol ）ネットワーク４を介してユーザ端末１１へ送出する映像配信サーバである。

ユーザ端末１１は、パケット復号化部８と、映像復号化部９と、映像品質推定装置１２とを有する。映像品質推定装置１２は、パケット損失数測定部５と、品質情報通信部６と、映像品質推定部７とから構成される。
管理端末１３は、例えば映像通信システムの管理者によって運営されるものであり、映像品質管理装置１０を有する。

ユーザ端末１１において、パケット復号化部８は、ＩＰネットワーク４を介して受信したＩＰパケットから符号化データを復号し、映像復号化部９は、この符号化データから映像信号を復号する。
一方、映像品質推定装置１２のパケット損失数測定部５は、ＩＰネットワーク４を介して受信したＩＰパケットの単位時間当たりのパケット損失数をカウントする。パケット損失数測定部５が求めたパケット損失数は、品質情報通信部６を介して映像品質推定部７に送られる。

映像品質推定部７には、パケット損失数と映像品質との関係を定式化した映像品質推定関数Ｆ１が予め設定されている。この映像品質推定関数Ｆ１は、主観品質評価実験により予め定められたものである。映像品質推定部７は、品質情報通信部６を介して入力されたパケット損失数Ｌを下記の式（１）のように映像品質推定関数Ｆ１に代入することで、映像品質Ｑを推定する。
Ｑ＝Ｆ１（Ｌ） ・・・（１）

ここで、映像品質推定関数Ｆ１を導出するための主観品質評価実験の実施方法について述べる。主観品質評価実験では、ＨＤＴＶ（High Definition TeleVision）信号をＩＰパケットを用いて伝送する図２のような通信系を構築した。
この通信系では、ＨＤＴＶＶＴＲ１００から出力されたＨＤＴＶ信号をＨ．２６４ハイプロファイルレベル４．０に準拠したＨ．２６４符号化装置１０１で符号化する。映像符号化ビットレートは１０Ｍｂｐｓ、ＧＯＰ長は１５（０．５秒）である。ＩＰレイヤでの伝送レートは１２．３６Ｍｂｐｓ、ＩＰパケット長は１３５６ｂｙｔｅである。伝送プロトコルとしてＲＴＰ（Real-time Transport Protocol）を用いた。

続いて、Ｈ．２６４符号化装置１０１から出力されたデータパケットに対して、前方誤り訂正（Forward Error Correction、以下、ＦＥＣとする）演算をＦＥＣ符号化装置１０２で行ってＦＥＣパケットを追加する。ＦＥＣ方式としては、ＰｒｏＭＰＥＧ ＦＥＣを用い、１０Ｃｏｌｕｍ×１０Ｒｏｗによる１次元のエラー訂正を設定した。なお、本エラー訂正設定によりＦＥＣパケットを含む連続１１個迄のパケット損失が発生しても映像劣化は生じない。ＦＥＣ設定時のオーバーヘッドは１０％で、ＩＰ伝送レートは１３．６０Ｍｂｐｓとなる。

次に、ＦＥＣ符号化装置１０２から出力されるＩＰパケットをネットワークエミュレータ１０３を使って擬似的に伝送する。このとき、ネットワークエミュレータ１０３によってパケットに連続損失を発生させる。ネットワークエミュレータ１０３から出力されたパケットに対してＦＥＣ復号化装置１０４でＦＥＣ演算を行って誤り訂正を行い、Ｈ．２６４復号化装置１０５がＦＥＣ復号化装置１０４から出力されたパケットからＨＤＴＶ信号を復号し、このＨＤＴＶ信号をＨＤＴＶＶＴＲ１０６に記録する。

こうして、ＨＤＴＶＶＴＲ１０６に記録したＨＤＴＶ信号を再生し、映像を被験者に見せることにより、主観品質評価実験を行った。映像品質の評価法としては、ＩＴＵ−Ｒ ＢＴ．５００−１１に記載されている主観品質評価方法である、５段階妨害尺度を使用するＤＳＩＳ（Double Stimulus Impairment Scale）法を用いた。評価用映像は１２シーンを用い、各映像シーン長は１０秒である。本実験では、２４名の非専門家が被験者となった。なお、実験はＦＥＣによって誤り訂正した場合と誤り訂正しない場合の両方について行った。

この主観品質評価実験によって得られたパケット損失率（単位時間当たりのパケット損失数）と映像品質との対応関係を図３に示す。図３中の個数表記は１０秒あたりのパケット損失数を表している。映像品質の主観値Ｑ’は、被験者２４名の評点×全映像シーンの平均値であり、パケット損失が発生していない符号化映像の５段階評価値からの低下量を表している。図３の白丸印で示すように、ＦＥＣによって誤り訂正した場合は、連続１１個のパケット損失まで映像品質は低下しないが、１２個以上のパケット損失で品質が急激に低下していることが分かる。

主観品質評価実験によって得られたデータを基に、例えば下記の式（２）のように映像品質推定関数Ｆ１を導出することができる。
Ｑ＝Ｆ１（Ｌ）
＝ａ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｂ）＋ｃ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｄ）＋ｅ ・・・（２）
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは主観品質評価実験によって得られたパケット損失数と映像品質の主観値Ｑ’との関係（以下、この関係を示す実験データを学習データと呼ぶ）から求めた定数、Ｌは品質情報通信部６を介して入力されるパケット損失数である。なお、ＦＥＣ使用時のパケット損失数は、エラー訂正できなかった実パケット損失数（パケット損失数測定部５で測定されたパケット損失数からＦＥＣ訂正の連続パケット数１１を引いた数値）とする。

図４は学習データ及び非学習データ（式（２）の導出に用いていない実験データ）に対する式（２）の品質推定精度を示す図であり、映像品質の主観値Ｑ’と推定値Ｑとの対応関係を示す図である。この図４は、学習データ、非学習データ共に、パケット損失数Ｌを式（２）に代入して映像品質の推定値Ｑを計算し、この推定値Ｑと被験者が評価した主観値Ｑ’との関係を求めたものである。

非学習データに対する主観値Ｑ’と推定値Ｑとの２乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）０．１５３は、各劣化映像サンプルの主観値の９５％信頼区間の平均値０．３１４以下である。また、主観値Ｑ’と推定値Ｑの相関係数は０．９７５である。このように、式（２）の映像品質推定関数Ｆ１によれば、パケット損失数Ｌから映像信号の平均品質特性を高精度に推定できることが分かる。

次に、映像品質推定部７は、式（２）により求めた映像品質の推定値Ｑを品質情報通信部６へ送付する。映像情報通信部６は、この推定値ＱをＩＰネットワーク４を介して管理端末１３の映像品質管理装置１０へ送付する。映像品質管理装置１０では、推定値Ｑをユーザ端末１１へ送る映像信号の品質評価に用いることができる。
こうして、本実施の形態では、簡単な構成で映像品質を推定することができる。なお、映像品質推定関数Ｆ１は式（２）に限るものではなく、パケット損失数と映像品質との関係を適切に表現できるものであれば、他の式でもよいことは言うまでもない。

［第２の実施の形態］
図５は本発明の第２の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。第１の実施の形態では、ユーザ端末１１に映像品質推定装置１２を設けていたが、本実施の形態では、ユーザ端末２１の外部に映像品質推定装置２２を設けている。映像品質推定装置２２は、映像配信サーバ３からＩＰネットワーク４を介して受信したＩＰパケットをユーザ端末２１に送るが、その他の動作は映像品質推定装置１２と同じである。本実施の形態では、ユーザ端末２１の外部に映像品質推定装置２２を設けることにより、既存のユーザ端末２１を改変することなく、映像品質を推定することが可能となる。

［第３の実施の形態］
図６は本発明の第３の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。第１の実施の形態では、ユーザ端末１１に映像品質推定部７を設けていたが、本実施の形態では、管理端末３３に映像品質推定部３７を設けている。

ユーザ端末３１内の品質情報送信装置３４において、品質情報通信部３６は、パケット損失数測定部５が求めたパケット損失数の情報をＩＰネットワーク４を介して管理端末３３内の映像品質推定部３７へ送付する。映像品質推定部３７は、映像品質推定部７と同様にして映像品質の推定値Ｑを求め、この推定値Ｑを映像品質管理装置１０へ送付する。本実施の形態では、管理端末３３内に映像品質推定部３７を設けることにより、既存のユーザ端末３１内部に映像品質推定部３７を付加することなく、映像品質を推定することが可能となる。

［第４の実施の形態］
図７は本発明の第４の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。第１の実施の形態では、ユーザ端末１１内部に映像品質推定装置１２を設けていたが、本実施の形態では、ユーザ端末４１の外部に品質情報送信装置４４を設け、管理端末４３に映像品質推定部４７を設けている。

品質情報送信装置４４は、映像配信サーバ３からＩＰネットワーク４を介して受信したＩＰパケットをユーザ端末４１に送るが、その他の動作は品質情報送信装置３４と同じであり、品質情報通信部４６は、パケット損失数測定部５が求めたパケット損失数の情報をＩＰネットワーク４を介して管理端末４３内の映像品質推定部４７へ送付する。映像品質推定部４７は、映像品質推定部７と同様にして映像品質の推定値Ｑを求め、この推定値Ｑを映像品質管理装置１０へ送付する。本実施の形態では、既存のユーザ端末４１内部に映像品質推定部４７を付加することなく、映像品質を推定することが可能となり、さらに映像品質推定部４７を管理端末４３内部に設けることで、エンドユーザ側に設置する機能を軽減し、低コスト化を図ることが可能となる。

なお、第１〜第４の実施の形態におけるユーザ端末１１，２１，３１，４１、管理端末１３，３３，４３、映像品質推定装置２２、及び品質情報送信装置４４は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第４の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、映像通信システムにおいて受信端末における映像信号の品質を推定する技術に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態において映像品質推定関数の導出に用いた通信系の構成を示すブロック図である。 主観品質評価実験によって得られたパケット損失率と映像品質との対応関係を示す図である。 映像品質の主観値と推定値との対応関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る映像通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…映像入力装置、２…映像符号化装置、３…映像配信サーバ、４…ＩＰネットワーク、５…パケット損失数測定部、６，３６，４６…品質情報通信部、７，３７，４７…映像品質推定部、８…パケット復号化部、９…映像復号化部、１０…映像品質管理装置、１１，２１，３１，４１…ユーザ端末、１２，２２…映像品質推定装置、１３，３３，４３…管理端末、３４，４４…品質情報送信装置。

Claims (7)

1. パケットを用いて映像信号を伝送する映像通信システムにおいて受信端末における前記映像信号の品質を推定する映像品質推定方法であって、
   受信端末におけるパケットの損失数を測定する測定手順と、
   パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、前記測定されたパケット損失数から前記受信端末における映像信号の品質を推定する映像品質推定手順とを備えることを特徴とする映像品質推定方法。
2. 請求項１記載の映像品質推定方法において、
   前記映像品質推定手順は、前記映像信号の伝送にパケット誤り訂正が用いられている場合に、前記映像品質推定関数に代入するパケット損失数として、前記測定手順で測定されたパケット損失数からパケット誤り訂正数を引いた実パケット損失数を用いて、前記受信端末における映像信号の品質を推定することを特徴とする映像品質推定方法。
3. 請求項１又は２記載の映像品質推定方法において、
   前記映像品質推定関数は、主観品質評価実験によって得られた、パケット損失数と映像品質の主観値との関係から予め導出されることを特徴とする映像品質推定方法。
4. 請求項３記載の映像品質推定方法において、
   前記映像品質推定手順は、前記主観品質評価実験によって得られた定数をａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ、前記パケット損失数をＬとしたとき、前記映像信号の品質Ｑを、Ｑ＝ａ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｂ）＋ｃ×ｅｘｐ（−Ｌ／ｄ）＋ｅにより推定することを特徴とする映像品質推定方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の映像品質推定方法において、
   前記測定手順と前記映像品質推定手順とを前記受信端末で実行することを特徴とする映像品質推定方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の映像品質推定方法において、
   前記測定手順と前記映像品質推定手順とを前記受信端末以外の外部の装置で実行することを特徴とする映像品質推定方法。
7. パケットを用いて映像信号を伝送する映像通信システムであって、
   受信端末におけるパケットの損失数を測定する測定部と、
   パケット損失数と映像信号の品質特性との関係を予め定式化した映像品質推定関数を用いて、前記測定されたパケット損失数から前記受信端末における映像信号の品質を推定する映像品質推定部とを備えることを特徴とする映像通信システム。

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