李興林 李炳華 董青 楊慶偉 劉娜 張巧玲

(中建國際設(shè)計顧問有限公司，北京 100013)

1 引言

根據(jù)原建設(shè)部建標(biāo)2008［102］號文件，有作者單位主編的《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》編寫組針對目前國內(nèi)外關(guān)于體育場館照明設(shè)計中，光源色溫、顯色指數(shù)選擇的爭議確立了《關(guān)于光源色度參數(shù)對體育比賽電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量影響的研究》的科研課題，現(xiàn)在課題研究已完成?，F(xiàn)把研究成果匯報如下:

2 課題背景

隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，電視機由黑白電視、彩色電視、數(shù)字電視發(fā)展到今天的高清數(shù)字電視。由于競技體育的觀賞性，到比賽現(xiàn)場或通過電視轉(zhuǎn)播觀看大型賽事的人群眾多，體育賽事的轉(zhuǎn)播越來越受到人們的喜愛。眾多商家也借助大型賽事進(jìn)行廣告宣傳。而商家的廣告又成為大型賽事的主要經(jīng)濟來源。因此在體育場館設(shè)計中，體育比賽電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量必須保證滿足運動員、裁判員、現(xiàn)場觀眾、電視觀眾以及商業(yè)廣告的需要。體育照明設(shè)計在體育場館的設(shè)計中占據(jù)著越來越重要的位置。

現(xiàn)在國內(nèi)很多規(guī)范對具有電視轉(zhuǎn)播要求的體育場館照明都有規(guī)定，比如按照《電視演播室燈光系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，彩色電視照明要求光源的顯色指數(shù)不低于85?！扼w育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》中對于有重大電視轉(zhuǎn)播要求的場館照明也要求光源的顯色指數(shù)不低于80。這就導(dǎo)致現(xiàn)在國內(nèi)的設(shè)計師普遍認(rèn)為如果光源的顯色指數(shù)低于80，電視轉(zhuǎn)播彩色畫面的色彩質(zhì)量就會受到較大影響。然而現(xiàn)在國際上高清電視轉(zhuǎn)播對體育場館照明顯色指數(shù)與色溫的要求也是不一致的，出現(xiàn)了歐美兩大流派，一些國際組織相關(guān)文件對這一問題也存在著爭議。一方認(rèn)為顯色指數(shù)不小于65就可滿足電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的要求，而另一方認(rèn)為顯色指數(shù)不小于80才滿足電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的要求。

基于以上問題的爭議，我們特別邀請了國內(nèi)在光源、燈具、照明設(shè)計、體育工藝、電視攝像與燈光等各方面的專家共同參與課題的試驗、研究，得出了比較準(zhǔn)確、合理的試驗結(jié)論。

3 課題的研究方法

該課題的研究內(nèi)容是研究體育場館光源的色度參數(shù)色溫、顯色指數(shù)對電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的影響，其中主要是電視圖像色彩還原質(zhì)量的影響。既不單純是體育場館光環(huán)境的主觀評價，也不單純是電視圖像質(zhì)量的主觀評價。而是通過評價電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量來評價光源色溫、顯色指數(shù)對電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原質(zhì)量的影響。所以根據(jù)現(xiàn)有的評價光環(huán)境、評價圖像質(zhì)量的方法標(biāo)準(zhǔn)，確定合適的評價方法，是課題必須解決的首要問題。

3.1 電視圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其評價方法

電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的評價方法分為主觀評價方法與客觀評價方法?？陀^評價又分為畫面質(zhì)量評價與聲音質(zhì)量評價。由于電視轉(zhuǎn)播聲音效果與場館照明無關(guān)，所以本課題不予研究。

3.1.1 電視圖像主觀評價方法

由于電視面向觀眾，電視觀眾群體的心理感受是檢驗電視圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)。實驗心理學(xué)指出，在感覺測試中，相對判斷比絕對判斷更加穩(wěn)定、可信度更高，所以圖像質(zhì)量的評價主要采用主觀評價。

主觀評價分為質(zhì)量等級評定和損傷等級評定兩種方式。它們都是針對圖像的逼真度、可懂度和總體感覺等3個方面來進(jìn)行評價。這3個方面能夠涵蓋圖像信號的亮度、對比度、清晰度、顏色平滑度、實時性等指標(biāo)。高清數(shù)字電視圖像質(zhì)量分為5級，優(yōu)、良、可、差、劣。圖像質(zhì)量損傷標(biāo)度分為五級:不察覺，可察覺、但不討厭，稍有討厭，討厭，非常討厭。主觀評價方法主要有雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度法 (DSCQS)、雙刺激損傷標(biāo)度法 (DSIS)，還有單刺激方法、刺激比較法和單刺激連續(xù)質(zhì)量評價法等方法。這些主觀評價方法都有其各自的優(yōu)點和局限性，目前還沒有一種公認(rèn)的、通用性強的主觀評價方法。在實際應(yīng)用中，可以針對不同的評價目的選擇不同的評價方法。雙刺激測試方法采用了原始基準(zhǔn)圖像，可獲取更為準(zhǔn)確的主觀評價結(jié)果，因此，在數(shù)字電視圖像質(zhì)量的主觀評價中，一般多采用DSCQS和DSIS作為評價方法。

(1)雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度法 (DSCQS)

在這種評價方法中，需要對每個測試圖像兩種狀態(tài)進(jìn)行評分。其中一個來自信號源的基準(zhǔn)圖像，另一個是被測的圖像。基準(zhǔn)圖像與被測圖像先后次序以偽隨機方式變動，觀看員只對圖像的總體質(zhì)量評分，評價兩次或多次。

(2)雙刺激損傷標(biāo)度法 (DSIS)

在這種評價方法中，把被測圖像與基準(zhǔn)圖像混合排序，觀看員根據(jù)基準(zhǔn)圖像對被測圖像的損傷情況進(jìn)行評價。

3.1.2 電視圖像客觀評價方法

客觀評價主要是使用一些儀表或工具來對圖像清晰度、幀速率、延時、運動補償?shù)戎笜?biāo)進(jìn)行定量評價。

由于主觀評價結(jié)果容易受測試環(huán)境、觀看員、評價方法等多方面因素的影響，實施過程比較復(fù)雜，影響了其在實際中的廣泛應(yīng)用，更無法實現(xiàn)實時在線的視頻質(zhì)量測量，所以對電視圖像質(zhì)量除了需要進(jìn)行主觀評價外，一般還可進(jìn)行客觀評價。

客觀評價方法大致可以分為:傳統(tǒng)的客觀評價方法與基于視覺感知模型的客觀評價方法。電視圖像質(zhì)量客觀評價方法還處于進(jìn)一步研究過程中，目前還沒有一個國際公認(rèn)的、通用的客觀評價方法。

(1)傳統(tǒng)的客觀評價方法:傳統(tǒng)的客觀評價方法主要以均方誤差 (MSE)、峰值信噪比 (PSNR)、加權(quán)均方誤差 (wMSE)等方法為代表。雖然在某些測試環(huán)境下，上述算法所獲取的評價結(jié)果與主觀感受并不完全一致，但在大多數(shù)情況下，其測量結(jié)果還是比較可信的。更由于這些算法計算簡單，結(jié)果直觀，因此至今仍被廣泛采納。

(2)基于視覺感知模型的客觀評價方法:要想獲得與主觀評價有較高相關(guān)性的客觀評價結(jié)果，在客觀評價算法的設(shè)計中必須考慮人眼視覺系統(tǒng)(HVS)的感知特性和視覺心理特性。在目前的客觀評價研究中，根據(jù)對無失真原始視頻基準(zhǔn)圖像的依賴程度，可以大致將算法分為以下3類:

① 全參考視頻質(zhì)量評價 (FR—VQM):在受損視頻圖像序列和原始圖像序列之間進(jìn)行逐幀逐像素的比較，將得到的差值數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺濾波和統(tǒng)計分析，由此確定受損圖像的損傷程度。Sarnoff實驗室提出的JND模型是這種方法的典型代表。FR—VQM算法評價結(jié)果相對準(zhǔn)確，但運算時空代價大，因此不適合實時的質(zhì)量測量。

② 縮減參考視頻質(zhì)量評價 (RR—VQM):不需要全部的原始圖像作為參考，只定義并提取原始圖像序列的指定特征參數(shù)，對受損圖像序列也提取同樣的特征參數(shù)，通過特征參數(shù)的統(tǒng)計分析來獲取受損視頻的評價結(jié)果。NTIA開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻序列的VQM模型是這種方法的典型代表。

③ 無參考視頻質(zhì)量評價 (NR—VQM):無需任何原始圖像的信息，直接對被測視頻圖像進(jìn)行分析和評價。實際應(yīng)用中可以將NR—VQM分為兩類:

a.不需要解碼，直接分析傳輸流中的壓縮碼流，通過提取指定特征參數(shù)，來分析和評價圖像質(zhì)量。

b.對解壓縮后的視頻圖像進(jìn)行分析 (即基于像素的分析)，尋找諸如塊邊緣，水平和垂直邊緣能量或圖像模糊等技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行質(zhì)量評價。NR—VQM具有速度快、可實現(xiàn)實時在線評價等優(yōu)點。

3.1.3 主觀評價與客觀評價

客觀評價方法結(jié)果只有在與主觀評價結(jié)果有較高一致性的情況下，才有可能取代主觀評價過程。目前對電視圖像質(zhì)量的評價主要采用主觀評價方法。

3.2 影響電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的因素

電視圖像質(zhì)量可分為清晰度與色彩還原兩方面。

(1)影響電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的因素

從電視轉(zhuǎn)播信號流程來分析，從攝像機、轉(zhuǎn)播車、電視臺、電視衛(wèi)星、地面站、空中及地面信號的傳輸、一直到電視接收機，對于后續(xù)播放的體育比賽電視節(jié)目還有錄制設(shè)備，這些設(shè)備都可能影響電視轉(zhuǎn)播圖像的質(zhì)量。

(2)影響電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原質(zhì)量的因素

這其中對電視信號色彩還原影響比較大的技術(shù)環(huán)節(jié)有體育場館的光環(huán)境、攝像機的色彩還原性能、電視機的顯示元件及屏幕的色彩還原性能。工程經(jīng)驗證明信號傳輸對色彩還原影響不大，可以忽略。如果我們采用色彩還原性能符合要求的攝像機、電視接收機，就可忽略攝像機、電視接收機對電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原的影響，就可通過電視圖像來評價場館的光環(huán)境對圖像質(zhì)量包括色彩還原質(zhì)量的影響。

(3)場館照明光源色度參數(shù)對電視圖像色彩還原的影響

體育場館照明光源的色度參數(shù)包括色表、色溫(相對色溫)、顯色指數(shù)，對場館電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原影響的主要是光源的色溫 (相關(guān)色溫)、顯色指數(shù)。

3.3 課題研究方法的確定

通過以上分析可以得出以下結(jié)論:

(1)評價電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量，包括評價色彩還原質(zhì)量，需要通過評價電視觀眾的總體感受即評價電視圖像的總體質(zhì)量來實現(xiàn)。

(2)評價電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原質(zhì)量需要采用主觀評價方法。

(3)可以通過評價采用不同色溫、顯色指數(shù)光源場館的電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量來評價光源色溫、顯色指數(shù)對電視轉(zhuǎn)播圖像色彩還原質(zhì)量的影響。

4 課題對電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量的評價方法

4.1 參考標(biāo)準(zhǔn)

由于本課題中的評價方法尚無標(biāo)準(zhǔn)可依，故本課題試驗主要參考、借鑒以下標(biāo)準(zhǔn):

(1)GY/T134—1998《數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評價方法》

(2)GB/T22123—2008《數(shù)字電視接收設(shè)備圖像和聲音主觀評價方法》

(3)GB/T12454—2008《視覺環(huán)境評價方法》

(4)ITU—R BT500—11《電視圖像質(zhì)量主觀評價方法》

(5)ITU—R BT710—4《高清晰度電視圖像質(zhì)量的評價》

(6)ISO/IEC13660—2001《信息技術(shù)、辦公設(shè)備、硬拷貝輸出圖象質(zhì)量屬性的測量二進(jìn)制單色文本和圖象》

4.2 節(jié)目源

由有關(guān)電視臺提供的電視轉(zhuǎn)播錄像片段共10段，其中1段錄像用于演示，給觀看者講解評價方法、要求和注意事項;其余9段錄像用于評價。這10段錄像分別為不同顯色指數(shù)和色溫條件下的錄像。這些錄像節(jié)目拍攝的光環(huán)境既有色溫5500K、顯色指數(shù)90的場館，也有拍攝的光環(huán)境為色溫4000K、顯色指數(shù)65的場館。由于電視錄像由國際知名電視臺所直播，且為職業(yè)性比賽，場地照明的照度、照度均勻度均滿足電視轉(zhuǎn)播要求。錄像片段只提供畫面，不提供場館任何光環(huán)境參數(shù)，以便觀看者客觀評價。

運動項目有足球、籃球、橄欖球、冰球等。

4.3 觀看者

(1)與會專家15名，包括:光源、燈具、照明設(shè)計、體育工藝、電視攝像與燈光等各方面的專家。

(2)非專業(yè)人員，共計55人，包含各年齡段、不同學(xué)歷人員。

(3)觀看者對各段錄像節(jié)目拍攝場地的光環(huán)境并不了解。

觀看者總計70人，具有相當(dāng)?shù)膹V泛性和代表性。其中專家15人，占21.4%;非專業(yè)人士，即普通觀眾55人，占78.6%。男性觀看者37人，占近53%;女性過47%，達(dá)33人。30歲及以下的青少年共計40人，占絕大多數(shù)，符合年輕人熱愛體育運動的特點，達(dá)到58%;30～40歲的中青年共計17人，占24.6%;40～60歲的中老年群體也有7人，占10%強;60歲以上的老年人共5人。詳見圖1。

4.4 播放系統(tǒng)

一個節(jié)目源，兩臺液晶電視機、兩臺液晶顯示器，同時播放，如圖2所示。電視機用于觀看者觀看，顯示器用于工作人員觀看。

4.5 觀看環(huán)境與距離

觀看者垂直距離顯示屏的距離為4～6倍圖像高度，觀看員的座位布置在電視機中垂線±30°的水平方向內(nèi)。觀看錄像節(jié)目時關(guān)燈 (見圖3)。

4.6 評價程序

4.6.1 專家評價程序

① 播放一段錄像做演示;

② 播放第一次錄像，共9段。各位專家按逐段錄像分別評價。專家按自己的主觀感覺對9段錄像分別進(jìn)行評價。評價分為5級:優(yōu)、良、一般、較差、差;

圖1 觀看者人員構(gòu)成

圖2 播放系統(tǒng)框圖

圖3 觀看者位置示意圖

③播放第2次錄像，各位專家按照上一步方法逐段評價。

4.6.2 非專業(yè)人員評價程序

① 播放演示錄像;

② 逐段播放其余9段錄像，并按照專家評價的方法和步驟逐段評價;

③ 播放第2次錄像，進(jìn)行第二次逐段評價。

4.7 數(shù)據(jù)處理

4.7.1 匯總統(tǒng)計

① 等級分值:優(yōu) 100，良 80，一般 60，較差40，差 20;

② 按錄像段分別統(tǒng)計計算分值;

③ 同一觀看者對同一段錄像前后兩次評價差兩級 (即差40分)時，該觀看者的評價作廢;

④ 按顯色指數(shù)為65、色溫4000K與顯色指數(shù)90、色溫5500K分別統(tǒng)計計算。

4.7.2 計算

(1)每一段錄像圖像質(zhì)量的平均值:

式中 U——每一段錄像圖像質(zhì)量評分;

n——有效問卷的數(shù)量;

P—— 評價次數(shù);

ui——第i個觀看者評價分值。

(2)光源顯色指數(shù)為65、色溫4000K的錄像圖像質(zhì)量的平均值U65:

式中 U65——光源顯色指數(shù)為65、色溫4000K時的圖像質(zhì)量評分;

Ui—— 第 i段顯色指數(shù)為65、色溫4000K的圖像質(zhì)量評分;

n——光源顯色指數(shù)為65、色溫4000K的錄像段數(shù);

(3)光源顯色指數(shù)為90、色溫5500K的錄像圖像質(zhì)量的平均值U90:

計算過程同 (3)，得出U90。

(4)綜合專家主觀評價和非專業(yè)人員主觀評價，電視圖像質(zhì)量的主觀評價值按公式3計算:

式中 U—— 電視畫面質(zhì)量的主觀評價的加權(quán)平均值;

k——權(quán)重系數(shù)，0～100%，由專家各自打分計算得出;

Us——專家主觀評價平均值，由公式(1)和公式(2)計算得出;

Ua——非專業(yè)人員主觀評價平均值，也由公式(1)和公式(2)計算得出。

(5)權(quán)重系數(shù)k的確定

權(quán)重系數(shù)由專家組專家各自填寫，見表1，并由公式 (4)計算得出:

式中 ki——第 i位專家的權(quán)重系數(shù)，0～100%;

n——參與投票的專家數(shù)量;

k——最終權(quán)重系數(shù)。

表1 權(quán)重系數(shù)投票表

根據(jù)專家投票，得出專家權(quán)重系數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果為60%。

4.8 評價結(jié)論

專家組根據(jù)專家評價結(jié)果與非專業(yè)人士評價結(jié)果進(jìn)行綜合評價，做出評價結(jié)論。

5 課題對電視轉(zhuǎn)播圖像質(zhì)量主觀評價的結(jié)果及其分析

5.1 初步結(jié)論

本次試驗按照上述評價方法得出下列數(shù)據(jù)，表2所示。

表2 主觀評價分?jǐn)?shù)

5.2 綜合結(jié)論

綜合專家主觀評價和非專業(yè)人員主觀評價，考慮權(quán)重系統(tǒng)，得出的最終結(jié)果如表3。

表3 綜合權(quán)重系數(shù)評價分?jǐn)?shù)

5.3 評價數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場情況及對1300多數(shù)據(jù)的分析，可得出以下結(jié)論:

(1)專業(yè)人士評價平均分?jǐn)?shù)比非專業(yè)人士評價平均分?jǐn)?shù)高。

(2)同年齡段人士中，女士評價平均分?jǐn)?shù)比男士評價平均分?jǐn)?shù)高。

(3)文化背景大體相同的人士中，年齡大的評價平均分?jǐn)?shù)比年齡小的評價平均分?jǐn)?shù)高。

6 課題研究結(jié)論

根據(jù)專家組與非專業(yè)人士對電視錄像片段的評價及對其試驗數(shù)據(jù)的分析，本課題最終得出結(jié)論:在《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中，關(guān)于體育場館比賽電視轉(zhuǎn)播對照明光源的要求，可以參照CIE標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，顯色指數(shù)≥65、色溫3500K～6500K。

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