数字电视信号综合测试的研究及应用

　　1 前言

　　评价、测试一直是广播电视工程中一项非常重要的工作，而可视化的测试图由于提供了更为直观、快捷的方法，方便了电视工作者了解系统或设备运行的质量状况得到了广泛的应用。 GB2097-1997《彩色电视广播测试图》是目前广泛用于模拟彩色电视广播工程中的国家标准，无论是在电视节目制作、播出中心，还是电视发射台、有线传输台，甚至在电视设备的生产或维修部门，都用得非常之广泛。事实上每天早上，在大多数的电视台、大多数的电视节目频道，在正式节目播出之前，都在播放这种类似功能的测试图，其目的在于用这种测试图来观察评价整个电视系统（包括播出系统、发送/传输系统和接收显示系统）的质量情况，以便及时发现和解决问题，为正式节目播出做好准备。因为这种测试图综合了彩色电视测量中使用的主要测试信号，包括格子信号、圆信号、亮度多波群信号或扫频信号、阶梯波信号、彩条信号、肤色及各种特殊的色块信号等等，这正是该测试图应用得如此广泛的主要原因。

　　然而，这种模拟彩色电视环境中十分通用的综合测试图却不能满足数字电视系统有效测试的要求，其原因除了在某些基本参数上（例如在有效图像尺寸或行、场消隐脉冲宽度、基色或彩色信号电平、色差信号的压缩系数及视频带宽等方面）数字电视与模拟电视有所差别以外，更重要的还由于数字电视系统主要技术环节采用了与常规模拟电视完全不同的电路技术，其中特别是对系统质量有决定性影响的高效视频压缩的信源编、解码技术环节，它对图像引人失真的机理和失真的表现与常规模拟电视也有很大差别。因此，传统模拟电视评价测量方法及测试图像和信号已经不能完全或正确反映压缩图像主观质量的变化。鉴于视频压缩图像质量除了与视频压缩编、解码的算法及视频信息的压缩程度有关以外，同时还与源图像素材信息的复杂程度紧密相关。所以测试图像素材对于压缩图像质量主观评价结果具有重大影响。因此，研究制作适合于数字电视的综合测试图像，除了考虑包含一般彩色电视测试所需要的测试信号以外，还需要包含视频压缩编、解码系统质量评价的测试图像序列，因为采用具有某些特点的运动图像序列来测试视频压缩编、解码系统质量，已经成为当前视频压缩系统测试领域的共识。这也是我们研究制作数字电视综合测试图的重要意义之所在。

　　2 数字电视综合测试图的研究及制作方法

　　1) 数字电视综合测试图的方案设计

　　(1) 研究制作的数字电视综合测试图的视频参数应满足ITU-R BT.601建议和国家标准GB/T14857-93《演播室数字电视编码参数规范》

　　625/50/2:1 4 2 SDTV系统基本参数主要包括：

　　①编码信号形成式：EY'＝0.299ER'＋0.587EG'＋0.114EB'

　　ECB'＝0.564(EB'－EY')

　　ECB'＝0.713(ER'－EY')

　　②取样频率：亮度信号(Y)13.SMHz

　　色差信号(CB/CR)6.75MHz

　　③每行总取样像素数：亮度信号(Y)864个，色差信号(CB/CR)432个，总取样数1728个。

　　④每行有效图像取样数：亮度信号720个，色差信号360个，总取样数1440个。

　　⑤取样结构：正交取样，CB/CR与Y隔点重合。

　　⑥编码方式：亮度和色差信号都采用线性量化的PCM。

　　⑦量化分辨率：对每个信号取样值都以8或10比特量化。

　　⑧模拟视频带宽：亮度信号(Y)5.75MHz 色差信号(CB/CR)2.75MHz。

　　(2) 数字电视综合测试图的组成内容

　　数字电视也是彩色电视（只是信号的表示形式及信号的处理方法与模拟电视有所不同），因此在考虑数字电视测试图包含哪些（测试信号）内容时，我们根据彩色电视的基本特点，首先应考虑包含一般彩色电视广播测试图的基本内容，例如观察显示设备扫描非线性失真和几何失真的格子信号和圆信号，观察图像清晰度和分辨率的多波群或扫频信号，观察亮度非线性失真情况以及显示器白平衡调整是否正确的灰度级（或阶梯波）信号，观察彩色重现是否正确的彩条信号及各种特殊色块（包括肤色）信号等等；另外我们还考虑增加了在视频测量中最常用的2T脉冲信号、彩色多波群信号和彩色阶梯波信号，以及更为直观的清晰度楔形条信号、斜波信号等，以便全面地观察和评价彩色电视系统或设备的基本质量。同时，还根据数字电视系统采用了MPEG2视频压缩的信源编、解码技术,其系统图像质量除与压缩编码算法及视频信息压缩程度有关之外，同时还与源图像素材信息的复杂程度密切相关的特点，数字电视综合测试图还应包含一定长度和具有某些特点，对视频压缩编码系统比较严格的运动测试图形和图像序列，这对于数字视频压缩系统主观图像质量的有效评价是极其重要的。

　　(3) 测试图中各种信号的技术要求及主要功能

　　数字电视综合测试图各种测试信号和图像序列的技术要求及主要功能分述如下：

　　◆灰底白格或黑格背景图案

　　A、 要求：灰底白格或灰底黑格背景图案是由8条等距离的水平白线或黑线（线宽为1行/场,即2行/帧）和11条等距离的垂直白线或黑线（线宽约为2个像素）把整个电视有效图像划分成水平12格和垂直9格的方格背景，其白线或黑线的亮度电平为100%或0%视频幅度，灰底的亮度电平为50%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以评价电视显示器和接收机图像的几何失真和扫描非线性失真，白格线和灰底还可分别检查显示器的会聚和色纯是否良好。

　　◆圆信号

　　A、 要求：在灰底白格或黑格的背景图案的中央叠加了圆信号，其圆心位于有效图像的垂直第288行、水平第360像素点的位置，垂直方向圆的幅度约为图像的高度（即575行），水平方向圆的幅度为539个像素宽。

　　B、 主要用途：主要用以检查显示器和接收机的几何失真和扫描非线性失真。

　　◆亮度多波群信号

　　A、 要求：根据625/50 SDTV系统亮度信号视频带宽(5.75MHz) 位于测试图水平第1、4、5格/垂直第2格以及水平第3格/垂直第4、5、6格中，安排了亮度多波群信号，其频率分别为：1MHz、2MHz、3MHz、4MHz、5MHz和5.75MHz。正弦信号的峰峰值约为100%视频电平。

　　B、 主要用途：主要用以观察和评价电视系统或接收、显示设备模拟亮度通道频率响应。

　　◆楔形条信号

　　A、 要求：

　　a：根据625/50 SDTV的取样频率和有效图像分辨率(720×576)情况，位于测试图水平方向第10格/垂直方向第3、4、5、6、7格内安排了4.5个正弦周期的垂直楔形条信号。楔形条从上端到下端的正弦信号频率范围为：l.75MHz～6.75MHz，即相当于水平清晰度 140TVL～54OTVL。楔形条正弦信号的峰峰值约为100%视频幅度。

　　b：位于测试图水平第8、9格/垂直第2格中,安排了4.5个正弦周期的水平楔形条信号。楔形条从左端到右端的正弦信号频率

　　范围为：7.8125kHz～2.3777kHz，即相当于垂直清晰度575TVL～175TVL。

　　清晰度楔形条正弦信号的峰峰值约为100%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以观察和评价电视系统或设备模拟通路及显示器件的图像水平清晰度和垂直清晰度。

　　◆灰度级信号

　　A、 要求:位于大圆内图像垂直第8格的下半格/水平第4、5、6、7、8、9格内安排了从白到黑按电平等分为6电平的五阶梯信号，其电平分别为100%、80%、60%、40%、20%和0%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以调整显示设备图像的白平衡，评价电视系统模拟亮度通道的非线性失真及检查显示器的白平衡是否正确。

　　◆2T脉冲信号

　　A、 要求：根据SDTV系统或设备的视频带宽（或截止频率5.75MHz），位于测试图的垂直方向第4格/水平方向第1格和第12格中,分别安排了半幅值宽度为174ns、幅度为80%视频幅度的2T正弦平方正脉冲和负脉冲信号；位于测试图垂直方向第6格/水平方向第1格和第12格中，分别安排了半幅值宽度为174ns、幅度为100%视频幅度的2T正弦平方正脉冲和负脉冲信号。

　　B、 主要用途：主要用以评价电视系统或设备的脉冲响应。

　　◆亮度斜波信号

　　A、 要求:位于测试图垂直第9格下半格/水平第1、2、3格中安排了亮度斜波（锯齿波）信号。其斜波信号峰峰值为100%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以观察和评价模拟亮度通道非线性失真和接收机、显示器白平衡是否良好。

　　◆彩条信号

　　A、 要求：位于大圆内图像垂直第8格的上半格/水平第3、4、5、6、7、8、9、10格内安排了白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑的100%彩条信号；位于图像垂直第1格上半格/水平第1、2、3、4、9、10、11、12格内安排了75%彩条信号。其彩条信号电平分别符合100/0/100/0和100/0/75/0彩条信号国际标准。

　　B、 主要用途：主要用以调整电视接收机或显示器的“色调”和“色饱和度”以及评价电视系统或设备的色彩重现是否正确。

　　◆彩色多波群信号

　　A、 要求：根据数字电视色差信号带宽(2.75MHz)要求，位于测试图垂直方向第1格的下半格/水平方向第1、2、3、10、11格以及垂直方向第9格的上半格/水平方向第1、2、3、10、11格中， 分别安排了色差(CB/CR)多波群信号， 其频率分别为0.5MHz、1MHz、1.5MHz和2.75MHz。其信号电平峰峰值约为100%视频信号幅度。

　　B、 主要用途：主要用以评价电视系统或设备模拟色差通道的频响或彩色清晰度。

　　◆肤色信号

　　A、 要求：根据国家标准GB3175-87推荐的中国青年女性肤色的有关数据，位于测试图大圆内、垂直方向第1格/水平方向第4、5、8、9格内，安排了中国青年女性肤色色块信号。

　　B、 主要用途：主要用以观察和评价电视系统或设备肤色重现能力以及调整接收或显示设备肤色的重现效果。

　　◆特殊的色块信号

　　A、 要求：特殊色块信号电平均为亮度电平在50%视频幅度下的最大饱和度电平。

　　a、B-Y=0信号位于水平方向第2格/垂直方向第2格中为R-Y<0的B-Y=0信号；位于水平方向第2格/垂直方向第8格中为R-Y>0的B-Y=0信号。

　　b、R-Y=0信号位于水平方向第11格/垂直方向第2格中为B-Y<0的R-Y=0信号；位于水平方向第11格/垂直方向第8格中为B-Y>0的R-Y=0信号。

　　c、G-Y=0信号位于水平方向第1格/垂直方向第5格中为B-Y<0、R-Y>0的G-Y=0信号;位于水平方向第12格/垂直方向第5格中为B-Y>0、R-Y<0的G-Y=0信号。

　　B、 主要用途：主要用以评价电视系统或设备特殊色彩的重现性能和重现效果。

　　◆色亮时延差观察信号

　　A、 要求：根据黄、红色亮度电平相差较大及便于观察等因素，位于测试图水平方向第12格/垂直方向第8格中安排了饱和度为100%的黄、红相连的信号作为色亮时延差观察信号。其红黄交界处与其上面的2T脉冲峰值点在测试图中的水平方向位置相一致。

　　B、 主要用以评价电视系统或设备模拟通道的色亮时延差。

　　◆彩色阶梯波信号

　　A、 要求：位于测试图垂直第9格下半格/水平第10、11、12格中安排了色差(CB/CR)五阶梯信号，其五阶梯信号峰峰值为100%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以评价模拟色差通道的非线性失真。

　　◆斜线信号

　　A、 要求:根据电视系统隔行扫描的特点,位于测试图垂直方向第7格/水平方向第2格和水平方向第11格中分别安排了约为135度和45度角的白色斜线信号，线宽约为两个像素点，其白线电平为100%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以观察和评价接收机或显示器的隔行扫描是否良好。

　　◆边框信号

　　A、 要求：根据有效图像分辨率为720×576像素。位于测试图的四边各安排了两个白色等腰三角形（共八个）作为有效图像的边框识别信号。其中上边两个等腰三角形的顶点分别与垂直第1行/水平第210个像素点和水平第510个像素点相重叠;下边两个等腰三角形的顶点分别与垂直第576行/水平第210个像素点和水平第510个像素点相重叠；左边两个等腰三角形的顶点分别与垂直第160行和垂直第416行/水平第1个像素点相重叠；右边两个等腰三角形的顶点分别与垂直第160行和垂直第416行/水平第720个像素点相重叠,作为有效图像的边框识别。白色等腰三角形的电平为100%视频幅度。

　　B、 主要用途：主要用以观察和调整电视接收机或显示器标准幅型比4:3的图像尺寸、图像中心位置和扫描幅度等。

　　◆测试图名称及研制单位名称

　　另外位于测试图垂直方向第1格的下半格和第2格/水平方向第6、7格中安排了数字电视综合测试图的名称：625/50 SDTV。位于测试图的垂直方向第9格的上半格/水平方向第6、7格中安排了研制单位的名称“广电检测中心”。其文字分别为白色字体和黑色字体，电平分别为100%和0%视频幅度。也可根据电视台等使用单位的需求，上述位置用以显示电视台的名称、地址等。

　　◆运动图像序列

　　A、 要求：根据MPEG2视频压缩的基本原理及其引入图像失真的机理和失真表现,我们挑选了一些具有复杂快速运动、场景切换、色彩鲜艳和细节丰富等特点素材的标准（暂用）测试图像序列和测试图形，置于测试图中央的水平方向第4、5、6、7、8、9格/垂直方向第3、4、5、6、7格中，序列总长度约3分钟。包括以下8个图形和图像序列：

　　a、运动波带图：是满屏运动波带图的约四分之一画面，主要用以评价系统动态清晰度。

　　b、运动射线图：是满屏运动射线图的约四分之一画面，主要用以评价系统动态清晰度。

　　c、乒乓球运动：是两个乒乓球运动场景快速切换的图像序列，其中含摄像机变焦拍摄和水平摇镜头拍摄的场景，以及含多重快速运动和色彩鲜艳的景物。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力。

　　d、花园：是摄像机做水平低速摇镜头拍摄的花园全景序列，图中色彩和细节丰富。主要评价系统动态亮度和色度细节的损失。

　　e、日历和小火车：前景为摄像机跟踪拍摄玩具火车水平方向慢速行进，背景是色彩鲜艳的动画图案和上下移动的挂历。主要评价系统清晰度损失和高饱和色彩的重现能力以及系统运动估值、补偿能力。

　　f、篮球运动：是典型的篮球运动场景序列，前景为快速篮球运动场面，背景是众多观众的高细节背景看台。主要评价清晰度损失和高饱和色（金黄色）球衣色彩重现能力（如块效应）。

　　g、马术：是两个马术运动场景的切换序列，摄像机跟踪马匹快速摇摄，背景为高细节的风景。主要评价动态清晰度损失和系统运动估值、补偿能力。

　　h、带噪声的仙人掌和梳子：是摄像机变焦（推出）拍摄的带有随机噪声的仙人掌和梳子的图像序列。主要评价系统对含有

　　随机噪声画面的处理能力，以及画面清晰度损失。

　　B、 主要用途：活动图形和图像序列主要用以评价视频压缩（MPEG2）系统的主观图像质量。

　　2) 数字电视综合测试图的生成制作方法

　　本数字电视测试图主要使用计算机程序和Photoshop软件相结合的生成制作方法。 如灰底白（或黑）格的背景图上叠加圆信号、各种单频信号、清晰度楔形条信号、2T 脉冲信号、五阶梯信号、斜波信号以及彩色信号的过渡特性等均用C语言编制程序生成，这样生成的图像信号具有生成和修改方便、灵活等特点。

　　(1) 首先对于测试图中包含的各种测试信号、特别是肤色及各种特殊色块电平(R、G、B)值进行计算。

　　(2) 确定测试图中各种信号生成的数学模型。

　　(3) 以根据测试图包括的测试信号内容及其相应的生成数学模型和计算数据，按照ITU-R BT.601建议的视频参数有关规范，用C语言编制生成程序。

　　(4) 对编制的程序进行调试，逐个生成各种测试信号图像。

　　(5) 用Photoshop软件着色和修改局部图像等。

　　(6) 加人运动图形和图像序列，并用625/50 SDTV标准视频处理系统转换成SDI视频信号进行显示和评价测试。

　　(7) 根据评价测试结果存在的问题，对测试图进行修改，直至获得满意的结果。

　　(8) 最后将测试图的视频数据保存在计算机的移动硬盘中和记录在D5数字录像带上，以便提供电视台及有关部门使用。

　　3 综合测试图的技术指标和测试结果

　　测试结果：

　　该综合测试图的视频参数符合ITU-R BT.601建议书中标准清晰度电视（SDTV）625/50/2:1系统有效图像720×576像素、4 2取样格式、图像宽高比为4:3的图像信号的有关规范。由于测试图用计算机数据生成，其测试图信号幅度及时间关系都非常精确、稳定。

　　4 结束语

　　我们研究制作的数字电视综合视测试图，由于综合了模拟彩色电视客观测量的主要测试信号和更为直观、明了的清晰度楔形条信号、斜波信号等以及MPEG2视频压缩系统图像质量主观评价的标准测试图像序列,因此用它不仅可以直观、快捷、全面地评估数字电视系统或设备的基本质量，特别适合用于电视台（数字节目）播出前对系统或设备进行测试评价及接收、显示设备的调整，同时也适合电视台其他技术部门以及数字电视设备生产流水线上或维修部门等用于对系统或设备进行调整和检测；另外还可以借助选行视频测试仪对系统或设备进行模拟视频指标的测量，作为低成本的数字电视测试信号源具有广泛的应用前景。
摘自　国家广电总局广播电视计量监测中心