Valutazione oggettiva della qualità percettiva per sequenze codificate MPEG-2
Autore
Mirko D'aquino - Università degli Studi di Pisa - [1998-99]
Documenti
Abstract
Da diversi anni i sistemi per la trasmissione di immagini in movimento hanno assunto una notevole importanza. L'ampia banda necessaria per tali trasmissioni ha però frenato lo sviluppo di sistemi digitali. Questo ha favorito l'introduzione di standard analogici per la videoregistrazione e diffusione di filmati ed animazioni che, pur non presentando inconvenienti per la trasmissione televisiva, non consentono di sfruttare i vantaggi derivanti dall'elaborazione numerica.
La realizzazione di filmati analogici non consente di archiviare un numero elevato di animazioni e di accedere in maniera efficiente alla singola sequenza o singolo fotogramma. Inoltre un filmato, una volta realizzato, non è più modificabile e la sua duplicazione comporta un degradamento significativo della qualità delle immagini.
Lo standard MPEG consente un'efficiente compressione di una sequenza di immagini, permettendone quindi la memorizzazione in formato digitale sugli attuali supporti magnetici ed ottici e la trasmissione attraverso reti digitali.
Il problema predominante per qualsiasi sistema di compressione video è l'enorme quantità di dati da elaborare in tempo reale. L'utilizzo di algoritmi di compressione privi di perdite (codifica lossless) non permette di ottenere rapporti di compressione sufficientemente alti, per cui la loro applicazione non risulta conveniente. Per questo tutti i sistemi di codifica video introducono delle perdite (codifica lossy) che hanno lo scopo di ridurre la banda del segnale a valori accettabili per la sua trasmissione. Queste perdite causano inevitabilmente degli artefatti che possono pregiudicare la qualità della sequenza stessa. Emerge così il problema della valutazione della qualità per una sequenza codecodificata.
Il lavoro di questa tesi, svolto presso il Consorzio Pisa Ricerche, si colloca all'interno di un progetto più ampio, in collaborazione con il Centro Ricerche Rai di Torino. Lo scopo finale è quello di individuare delle procedure automatiche per la valutazione della qualità percettiva per sequenze video codificate MPEG-2.
Tutti i parametri descritti nel capitolo 5(Quant_scale, EOB, ERRPRED, Blocchi DCT), derivanti direttamente dallo standard, sono stati estratti dal bitstream di tutte le sequenze utilizzate nella tesi, codificate a tutti i bit rate compresi tra 2 ed 8 Mbps. Tali valori sono stati inseriti in un database, in modo da poterli consultare direttamente senza dover ripetere ogni volta le estrazioni.
Lo studio di queste informazioni "elementari" ha portato allo sviluppo di una serie di parametri composti, destinati a valutare oggettivamente la qualità di una sequenza. Due di questi parametri si sono distinti per la buona correlazione con le valutazioni soggettive della qualità delle sequenze a nostra disposizione; il primo, definito con il nome di Qerr_AC, è basato sull'errore di quantizzazione dei blocchi e fornisce una valutazione molto precisa della qualità, arrivando a discriminare la degradazione del singolo blocco. Esso, però, necessita della conoscenza di dati relativi alla sequenza originale per cui il suo utilizzo è limitato al caso in cui questa sia accessibile.
L'altro parametro, riferito con l'acronimo EPQS è calcolato utilizzando soltanto dati disponibili nello stream codificato (senza riferimenti alla sequenza originale). Per questo motivo il suo utilizzo è molto versatile ed è applicabile, ad esempio, al monitoraggio della qualità in un generico punto di una rete di distribuzione video, dallo studio di produzione all'utente finale.
Le prove sperimentali effettuate su questo parametro hanno dimostrato la sua efficacia indipendentemente dal codificatore e dai parametri di codifica utilizzati, permettendo così il suo utilizzo su un qualunque stream MPEG-2, senza bisogno di informazioni aggiuntive relative alle caratteristiche della sequenza.
La realizzazione di filmati analogici non consente di archiviare un numero elevato di animazioni e di accedere in maniera efficiente alla singola sequenza o singolo fotogramma. Inoltre un filmato, una volta realizzato, non è più modificabile e la sua duplicazione comporta un degradamento significativo della qualità delle immagini.
Lo standard MPEG consente un'efficiente compressione di una sequenza di immagini, permettendone quindi la memorizzazione in formato digitale sugli attuali supporti magnetici ed ottici e la trasmissione attraverso reti digitali.
Il problema predominante per qualsiasi sistema di compressione video è l'enorme quantità di dati da elaborare in tempo reale. L'utilizzo di algoritmi di compressione privi di perdite (codifica lossless) non permette di ottenere rapporti di compressione sufficientemente alti, per cui la loro applicazione non risulta conveniente. Per questo tutti i sistemi di codifica video introducono delle perdite (codifica lossy) che hanno lo scopo di ridurre la banda del segnale a valori accettabili per la sua trasmissione. Queste perdite causano inevitabilmente degli artefatti che possono pregiudicare la qualità della sequenza stessa. Emerge così il problema della valutazione della qualità per una sequenza codecodificata.
Il lavoro di questa tesi, svolto presso il Consorzio Pisa Ricerche, si colloca all'interno di un progetto più ampio, in collaborazione con il Centro Ricerche Rai di Torino. Lo scopo finale è quello di individuare delle procedure automatiche per la valutazione della qualità percettiva per sequenze video codificate MPEG-2.
Tutti i parametri descritti nel capitolo 5(Quant_scale, EOB, ERRPRED, Blocchi DCT), derivanti direttamente dallo standard, sono stati estratti dal bitstream di tutte le sequenze utilizzate nella tesi, codificate a tutti i bit rate compresi tra 2 ed 8 Mbps. Tali valori sono stati inseriti in un database, in modo da poterli consultare direttamente senza dover ripetere ogni volta le estrazioni.
Lo studio di queste informazioni "elementari" ha portato allo sviluppo di una serie di parametri composti, destinati a valutare oggettivamente la qualità di una sequenza. Due di questi parametri si sono distinti per la buona correlazione con le valutazioni soggettive della qualità delle sequenze a nostra disposizione; il primo, definito con il nome di Qerr_AC, è basato sull'errore di quantizzazione dei blocchi e fornisce una valutazione molto precisa della qualità, arrivando a discriminare la degradazione del singolo blocco. Esso, però, necessita della conoscenza di dati relativi alla sequenza originale per cui il suo utilizzo è limitato al caso in cui questa sia accessibile.
L'altro parametro, riferito con l'acronimo EPQS è calcolato utilizzando soltanto dati disponibili nello stream codificato (senza riferimenti alla sequenza originale). Per questo motivo il suo utilizzo è molto versatile ed è applicabile, ad esempio, al monitoraggio della qualità in un generico punto di una rete di distribuzione video, dallo studio di produzione all'utente finale.
Le prove sperimentali effettuate su questo parametro hanno dimostrato la sua efficacia indipendentemente dal codificatore e dai parametri di codifica utilizzati, permettendo così il suo utilizzo su un qualunque stream MPEG-2, senza bisogno di informazioni aggiuntive relative alle caratteristiche della sequenza.
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