G.1070视频质量评估改进模型的实现与评估

第12卷第20期2017年10月中国科技论文CHINASCIENCEPAPERVol.12No.20Oct.2017犌1070视频质量评估改进模型的实现与评估乔肃雅，李凡(西安交通大学电子与信息工程学院，西安710049)摘要:传统的G.1070模型在评估视频质量时，未考虑视频内容的差异性对用户感受质量的影响，当视频编码比特率较低时，评价结果与用户主观感受有较大差距。为了实现对视频质量的准确评估，在G.1070改进模型的基础上，考虑视频内容的影响，减少模型参数，提出了更精筒的评价模型，利用运动复杂度表征视频内容特性，依据视频内容对模型分类，将视频分辨率作为评估因素加入到G.1070模型中；采用线性函数拟合参数关系，精筒模型。实验结果表明，所提出的模型计算得到的客观分数与主观测试分数的均方误差为0.3381,能够准确评价不同视频的质量。关键词:G.1070模型；移动视频；用户体验质量；视频内容；模型精筒中图分类号:TP391文献标志码：A文章编号=2095-2783(2017)20-2380-05ImplementationandevaluationoftheimprovedG.1070modelQIAOXiaoya,LIFan{SchoolofElectronicandInformationEngineering,犡犻anJiaotongUniversity,犡犻an710049,China)Abstract：Whenevaluatingthequalityofmobilevideos^thetraditionalmodelG.1070doesnotconsiderthevideocontentvariationwhichcouldinfluenceusers?experience.Thus,theevaluationresuttwillbequitedifferentfromusers'experienceiftheencodingbitrateoftheevaluatedvideoislow.Inthispaper,asimplifiedmodelisproposedbytakingvideocontentintoaccountandevol­vingG.1070byreducingmodllparameters.TheproposedmodelutilizesmotioncomplexitytodescribevideocontentfeatureandclassifiesmodelbyvideocontentVideoresolutionisalsoconsideredasanevaluationfactor.Meanwhile，thelinearfunctionisusedtofittheparameterrelationandtosimplifythemodll.ExperimentalresultsshowthattheMeanSquareErrorbetweenob­jective^coreandMOS(MeanOpinionScore)is0.3381,whichmeansthatthemodllweproposedisabletoevaluatethevideoqualityproperly.Keywords：G.1070model；mobiievideo；qualityofexperience(QoE)；videocontent；simplifyingmodel运营商的最终目标是为终端用户提供各式各样的视频业务，以满足用户的不同需求，为了能在激烈的竞争中脱颖而出，运营商必须确保其服务得到用户的认可[1]。然而每个用户对服务及视频质量的评价不仅与视频的客观质量有关，还与每个用户的主观感受有关。因此，可以采用用户体验质量（qualityofexperience,QoE)的概念评估视频的服务质量和网络性能。在因特网创建初期，服务质量的评价不被重视。然而，由于网络阻塞、网络带宽资源有限等问题的出现，视频质量因受视频压缩和丢包等因素的影响而降低。因此，在需要对网络资源进行合理分配以提供不同的服务时，出现了基于QoE的视频质量评价模型。QoE是用户在与服务或者应用交互的过程中由用户产生的对服务的1种主观感受[1]。最初的提出是基于3G,但随着网络融合和业务融合趋势的发展，QoE的概念扩大到固定网络和互联网络，业务应用也扩大到互联网的各种应用[2]。如今，随着智能电话的普及，人们对移动视频的需求呈爆炸式增长，运营商急需1种客观、准确的方法来预测用户对移动视频的主观感受，以达到在满足用户需求的前提下，节省各类资源的目的。在传统的视频质量评价模型中，倾向于只参考峰值信噪比（peaksignaltonoiseratio,PSNR)这一■项表征视频质量的特征参数评价视频质量。这种评价方式虽形式简洁，但过于单一，无法准确评价视频量。G.1070是1个参数规划模型的客观评估规范。G.1070模型只将视频的编码比特率和丢包率作为评估参数。而用户对视频的评价，会受如视频内容、分辨率等的影响。由于G.1070模型的各种限制，在低比特率的情况下，与用户的主观评分相差较大。文献[3]的研究对G.1070做了4点改进：1)将原模型中的1个参数替换为常数。2)将原有的2个参数的取值与视频内容运动情况联系起来；3)添加与视频分辨率相关的评估参数;4)添加与编码方式相关的评估参数。由这4点改进，最终得到了1个更为精确普适的模型。收稿日期=2017-09-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（61671365,61372091)陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2017JM6018)第一作者：乔萧雅(1994一），女，硕士研究生，主要研究方向为视频QoE评估通信作者：李凡，副教授，主要研究方向为视频处理与通信，[e-mail]第20期乔萧雅，等:G.1070视频质量评估改进模型的实现与评估2381本文实现了对该模型的1)、2)、3)点改进，发现改进模型3在评价精度上较G.1070模型有所提升。但是，实验过程中发现，不仅视频的空间复杂度（本文实验以视频运动的快慢为代表)对用户感受有较大的影响，也会对视频的质量评分有较大的影响。由于空间复杂度的影响，该改进模型所得结果并不如预期中的理想。并且，在实验过程中，发现在模型精度下降不明显的情况下，可以减少一个模型参数，故本文在改进模型3的基础上，对模型参数进行精简，提出了新的质量评估模型。1G.1070模型与改进模型1.1G.1070模型G.1070描述了1个基于IP网络的点到点交互视频电话应用的意见模型。在输入参数上，G.1070模型用网络、应用程序和终端设备参数来计算多媒体质量，应用场合为专用的视频电话终端、桌面PC、笔记本PC、PDA和移动电话M。模型考虑了语音和视频质量，并将其结合到1个函数中，用于评估用户X对所有视频多媒体的感受质量。视频质量评估公式为=1+LeD/piv。（1)式中:Vq为视频质量；I。为视频质量的基础分数，由视频编码时的损失来决定，是视频比特率和帧率的函数;Pplv为丢包率;而DPplvS丢包率对视频质量的。视频质量基础分数I的计算公式为式中6为比特率。视频没有丢包（即丢包率为0)时的频量为Vj=1+狏3(3)ITU-了G.1070标准[5]中说明了狏3、狏、狏的取值由视频的编码类型、播放形式、分辨率、关键帧之间的间隔综合决定，且需要以用户对视频的主观评分为基础来进行拟合计算。也就是说，对于不同编码方式、不同播放格式的视频，在G.1070模型中都对应着不同的狏、狏、狏系数，需要分别开展实验并计1.2G.1070改进模型G.1070采用国际电信联盟（ITLKT)建议的MOS(meanopinionscore)6]评分制，具体评分标准如表1所I。实验时，实验对象按照表1标准对视频进行评分。评分机制中，视频的最高质量得分为5分。观察式(3)，如果令狏等于4,则Vq最高等于5,代表用户的体验感受为优，因此G.1070模型的改进[]是合表1MOS与主观感受的关系[7]MOS分值视频等级视频质量损伤主观评价5优不可察觉4良好可察觉，但不讨厌3可以稍微讨厌2差讨厌1很差很讨厌理的。同时，还有大量实验表明，在G.1070中狏的取值也趋近于4。因此，文献[3]中，对G.1070模型的第1点改进是将模型系数狏替换为了常数4。第2点改进是在计算狏、狏时，将视频按照运动情况分组。文献[]表明，G.1070模型在视频编码比特率较低的情况下，其客观评分值与主观评分值有较大差距。且在低比特率情况下，存在快运动视频得分较低，慢运动视频得分较高的规律。目前也有文献[]在视频内容方面做了研究，并且加入视频内容参数使评价结果更加准确。因此，若将视频按照视频内容即运动情况分组，分别计算模型，可以使得模型的预测值更为精准。本文实验的视频分为快慢两组，每组分别测算出1组狏、狏值，用于评估视频质量。第3点改进是在比特率6前添加系数a，系数a与视频分辨率相关。改进后的模型可表示为1_____1—烌'=1+41+((6)狏5。⑷烆(»4)烎文献[3]的实验表明，相同视频在不同分辨率情况下得到的分数曲线大体相同，只是比特率6有所缩放。因此，可以在变量比特率前增加系数a,令该系数在不同比特率时对应着不同的取值，式(4)表示的模型便可以在视频分辨率不同的情况下应用，具有更高的普适性，不必在分辨率不同时，使用不同的计算公式。具体的计算方式是选择1种分辨率作为参考分辨率，系数a的取值为1，使用最小二乘法计算得到参考分辨率时模型的狏、狏值。将其他分辨率时所得的视频评分和码率代入已知狏4、狏值的模型，并令a为未知量，即可拟合得到a值。2实验参与实验的人员主要为在校大学生。实验所用视频参数如表2所示。视频采用H.264编码方式，12种视频中，前6种视频的分辨率为QCIF(176X144)，后6种视频的分辨率为CIF(352X288)，视频内容中的运动分为快、慢两种，视频帧数大多为300帧。对2种分辨率的每个视频序列进行变比特率编码，得到2组因比特率不同而存在质量差异的视频序列，共12X5个视频。视频内容运动快慢的标准是直接通过人的主观感受来分辨的。2种分辨率视频的编码比特率如表3所示。2382中国科技论文第12卷表2实验数息频序列频名运1akiyo慢2earphone快3container慢4football快5foreman快6Mother&daughter慢7hall慢8mobile慢9news快1°silent快11tempete快12waterfal慢表32分率的编码率较kb/s频率QCIF视频641285127681°24CIF视频2563845121°241536实验评分标准即为表1所示标准。实验时采用“双损伤度分”(doublestimulusimpairmentscale，DSIS)[8-9]，观测者个由原考图像(视频）、失真图像（视频）对应组成的“图像（视频）对”，且总是示原考图像（视频），然后示失真图像(视频），对失真图像(视频）的总：真程度进行打分[1°]。每个视频需15人评分，，突15个数据。每种分辨率对应3个运动慢视频序列、3个运动频序列，每3个视频序列中的2个序列用于计算建模，1个序列用于检验所得模型的精确程度。最，实验得到2个系数的公式，可将它们分别应用于视频内容运动为的2种视频质量评中。3数据分析3.1实验结果概述文实验9°°个数据，最低评分为2.5分，达5分。实验表明，对QCIF视频，在率达到512kb/s时，人们的主受基达到良好，单个评分3.5,均分〜4.°对CIF视频，在率达到512kb/s时，人们的主受基达到良好，单个评分3.5,均分〜4.°。对CIF视频的整受较QCIF的感受好，评分。分的趋势整体符的计，但是从实验分数，视频运对主受的并不如预期的明显，并不是快频在率时分。QCIF频的拟合曲CIF视频的拟合曲线分别如图1和2示。3.2模型参数计算及验证以