视频失真与丢包率的关系分析

研究视频数据传输过程中的丢包率对视频失真的影响，对提高视频传输的可靠性具有重要作用。但分析视频失真与丢包率的关系，首先要解决视频失真的计算问题，换言之，如何对视频质量进行评估。考虑到视频质量评估本质上是用户的主观体验，一种常用的视频质量评估策略为平均意见分（Mean Opinion Score，MOS），由多个评测人员对视频播放效果打分，相应的失真表示为5-MOS。具体的MOS 值及其含义如表3-1 所示。

表3-1 MOS值与对应的视频质量

上述方法虽然可靠，但实时性差，并不符合视频传输的实时性要求。实际中常用的是基于均方误差（Mean Squared Error，MSE）的视频质量评估方法。MSE采用下式计算：

其中，xi和为原始帧与解码后的帧对应的像素值，N为该帧中像素的数量。

由于编解码器采用了预测编码、量化等手段提高视频压缩效率，在接收端解码后的视频序列不可避免地存在失真的现象。因此，先考虑由编解码过程引起的视频失真，其大小由下式计算：

式中，Di为第i帧的失真； Qi，max为第i帧原始质量； Qpi为第i帧量化参数； Qi为编码后该帧的质量； Ti为量化参数的阈值； c为常数，通常采用对实验结果进行拟合的方法得到。

可以看出，编解码过程中失真的大小主要由量化参数决定，当量化参数小于Ti时，用户并不能察觉到视频质量的下降。通常二者之间呈线性关系。

一般情况下，编码过程中的失真Di较小，用户无法感知到视频质量的明显下降，此时失真Di可以容忍。然而在视频传输过程中，由于各种原因，视频数据包的丢包事件会以概率p发生，当失真大于某一阈值Dthresh，视频序列的播放质量下降，出现画面卡滞，甚至马赛克现象，会严重降低用户的主观体验质量。

上述的阈值Dthresh称为绝对损伤阈值，定量地显示了失真为多大时，人眼才能有所察觉。可表示为

其中，c代表视频显示屏幕的比例，ρ为视频播放时显示的图像分辨率与屏幕分辨率的比值，ω表示视敏度基准权值，φ表示用户观测距离与显示屏幕对角线的比值，A为帧的面积。Alight表示失真的像素总面积，表示为

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在上述分析的基础上，考虑实时视频传输中的视频失真主要由丢包事件引起，根据文献[5]，将数据丢包事件与失真的关系进行量化。考虑到在视频编码过程中，不同编码模式的宏块的抗误码性能也不同。对此，对二者的关系分帧内和帧间两种编码模式进行讨论。设第n 帧的第i个宏块采用了帧内编码模式，则其第j个像素到达接收端解码后的失真为

其中，为原始视频数据中第j个像素的值；分别为第j个像素重建后的值和编码器中的预测值； p为包含该像素的数据包发生丢包事件的概率；表示第j个像素丢失后，采用错误隐藏方法使用前一帧中对应的像素值代替丢失的像素； E[·]表示取[·]的期望值。则可得到第i个宏块的平均失真为

式中，C为第i个宏块中的像素数量。

现在考虑第二种情况，如第n 帧的第i个宏块采用了帧间编码模式，则第j个像素解码后的失真为

其中，分别为采用帧间编码时第j个像素在编码端的预测值和重建后的值。相应的第i个宏块的平均失真为

最后得到第n 帧在帧内编码模式时的失真为

而第n 帧在帧间编码模式时的失真为

其中，S 为第n 帧中的宏块数量。

显然，采用帧间编码模式时，由丢包事件引起的视频失真会影响其他帧，但这种失真的扩散只会局限于同一GOP中。需要指出的是，上述分析并没有考虑到多参考帧的情形，特别是没有针对B帧进行分析。因为实时视频的编码过程中GOP基本结构为IPP...，为减少编解码时延，一般不会采用B帧进行编码。通常，在针对视频存储的应用场合，如H.264 的主要档次（Main profile）才会大量使用多参考帧的帧间编码模式。