引言

隨著消費者需求與多媒體娛樂的大幅提升，上一代互聯(lián)網(wǎng)標準與視頻解決方案已經(jīng)無法滿足高速增長的高清視頻傳輸要求，在此背景下，面向未來需求的下一代互聯(lián)網(wǎng)解決方案——HTML 5網(wǎng)絡(luò)開發(fā)標準與WebM VP8視頻壓縮格式應(yīng)運而生。VP8編碼擁有極高的壓縮比和壓縮質(zhì)量，而基于VP8編碼的新型圖片壓縮格式Webp也比JPEG圖片具有更高的壓縮率。

1　PSNR和SSIM圖像質(zhì)量測試標準

1.1　峰值信噪比

PSNR(Peak Signal to Noise Ratio,峰值信噪比)是一個表示信號最大功率和對其產(chǎn)生影響的噪聲功率之間比值的術(shù)語，常用對數(shù)分貝來表示。PSNR常用作圖像壓縮領(lǐng)域中信號重建測量，它通過均方差(Mean Square Error，MSE)進行定義。兩個M×N單色圖像I和K，如果噪聲近似，那么它們的MSE定義為：

 

 

峰值信噪比定義為：

 

 

其中amax=2k-1，k常取8。PSNR和MSE都基于像素灰度值進行統(tǒng)計和平均計算，忽視了圖像對人眼的影響，故而不能完整反映出圖像質(zhì)量。

1.2　結(jié)構(gòu)相似度

圖像的像素之間是相關(guān)的，這種相關(guān)性蘊含著圖像的結(jié)構(gòu)信息。SSIM(Structural Similarity Index，結(jié)構(gòu)相似度)是一種衡量兩幅圖像相似度的指標。將原圖像塊x和失真圖像塊y的失真SSIM建模為亮度l(x,y)、對比度c(x,y)和結(jié)構(gòu)信息s(x,y)三分量的組合：

SSIM(x,y)=l(x,y)·c(x,y)·s(x,y)(3)

亮度、對比度和結(jié)構(gòu)信息是與x和y的均值μx、μy，標準差σx、σy或協(xié)方差σxy有關(guān)的量，表達式分別為：

 

 

C1、C2和C3是為了避免分母為零而添加的小常數(shù)[1]。用SSIM評判圖像質(zhì)量時，先把圖像分成重疊或者不重疊的大小相等的子塊(一般為8×8大小)，然后用式(3)計算每一個子塊的SSIM值，再用所有子塊SSIM值的平均值作為整幅圖像質(zhì)量的度量。SSIM值越高，表明失真圖像和原圖像相似度越高，失真圖像的質(zhì)量越高。

2　VP8編碼和X.264編碼圖像的PSNR和SSIM對比

Google收購On2科技公司并隨后開放了其擁有的VP8編碼技術(shù)的源代碼。VP8采用的新技術(shù)有：基于虛擬參考幀的高級預(yù)計編碼、基于宏塊級的多線程技術(shù)、改進的局域參考編碼、增加復(fù)雜度的先進上下文熵編碼、稀疏目標區(qū)域的自適應(yīng)回路濾波等，從而能以更少的數(shù)據(jù)提供更高質(zhì)量的視頻。

Google稱VP8能夠在相同碼率下提供比當今流行的X.264更好的畫質(zhì)，或是在相同畫質(zhì)下使用更少的帶寬。而X.264編碼則是現(xiàn)在最為流行的編碼技術(shù)，屬于MPEG高清編碼部分，是一種高度壓縮的數(shù)字視頻編解碼器標準?，F(xiàn)在兩種編碼都獲得了大量廠商的支持。

利用有代表性的視頻場景來測試兩種不同的編碼技術(shù)在視頻壓縮和還原質(zhì)量上的性能。

 

 

圖1　不同景深場景的測試視頻

 

 

圖2　測試視頻的PSNR數(shù)據(jù)

不同景深場景的測試視頻如圖1所示。測試視頻分別用Handbrake以X.264編碼和FFmpeg 0.6以VP8形式編碼。而后利用MSU MQVT軟件測試場景的PSNR和SSIM。

測試視頻的PSNR數(shù)據(jù)和測試視頻的SSIM數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

通過軟件測試對比分析看出，VP8編碼的視頻質(zhì)量與X.264差別不大，某些場景高質(zhì)量編碼的X.264圖像要略優(yōu)于VP8編碼，但VP8編碼的視頻大小要略小于X?264。VP8編碼剛剛開源，還沒有很成熟的編解碼器，無法和多年發(fā)展的X.264編碼器相比，不過上述測試結(jié)果表明VP8編碼有很大的發(fā)展空間。

3　新型Webp格式圖像和JPEG圖像對比

Webp是Google為了滿足現(xiàn)在越來越高的帶寬需求，在基于VP8編碼的基礎(chǔ)上提出的一種新型圖片格式。Webp利用預(yù)測編碼技術(shù)，通過部分像素塊的顏色來預(yù)測其鄰近塊的顏色值，并只記錄兩者的差值，因為多數(shù)情況下兩者差距很小，甚至零差距，因而大大提高了壓縮的比率。Google想打造出一種文件體積小而畫質(zhì)和JPEG一樣的圖像格式，在保證畫質(zhì)的前提下提高網(wǎng)頁圖像瀏覽的速度。

 

 

圖3　測試視頻的SSIM數(shù)據(jù)

Webp采用的新技術(shù)有：

◆ Fancy的提升采樣算法，可有效降低圖片內(nèi)色彩邊緣的像素;

◆ 同一張圖片里的不同區(qū)域進行不同形式的壓縮，在圖片質(zhì)量和圖片大小上實現(xiàn)最佳平衡;

◆ 預(yù)測編碼技術(shù)，通過部分像素塊的顏色來預(yù)測其鄰近塊的顏色值，并只記錄兩者的差值，提高壓縮比。

3.1　測試圖片用PSNR和SSIM的MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)

為了對比分析Webp和JPEG在圖片壓縮和還原質(zhì)量上的強弱，編寫了計算PSNR和SSIM的MATLAB程序。

PSNR的MATLAB代碼如下：

% in1 ? Original image

% in2 ? reconstructed image

% mse ? Mean Square Error

% psnr ? Peak Signal to Noise Ratio

function result=psnr(in1,in2)

in1=imread(‘Original image‘);

in2=imread(‘reconstructed image‘);

%in1=rgb2gray(in1);

%in2=rgb2gray(in2);

z=mse(in1,in2);

result=10*log10(255.^2/z);

function z=mse(x,y)

x=double(x);

y=double(y);[!--empirenews.page--]

[m,n]=size(x);

z=0;

for i=1:m

for j=1:n

z=z+(x(i,j)-y(i,j)).^2;

end

end

z=z/(m*n);

SSIM的MATLAB代碼如下：

% im1 ? Original image

% im2 ?Reconstructed image

% ssim ? Structural Similarity Index

function [mssim, ssim_map]=ssim(img1, img2, K, window, L)

img1=imread(‘‘);

img2=imread(‘‘);

if (size(img1) ~=size(img2))

ssim_index=-Inf;

ssim_map=-Inf;

return;

end

[M N]=size(img1);

if (nargin==2)

if ((M<11) | (N<11))

ssim_index=-Inf;

ssim_map=-Inf;

return

end

window=fspecial(‘gaussian‘, 11, 1.5);

K(1)=0.01;% default settings

K(2)=0.03;

L=255;

end

if (nargin==3)

if ((M<11) | (N<11))

ssim_index=-Inf;

ssim_map=-Inf;

return

end

window=fspecial(‘gaussian‘, 11, 1.5);

L=255;

if (length(K)==2)

if (K(1)<0 | K(2)<0)

ssim_index=-Inf;

ssim_map=-Inf;

return;

end

else

ssim_index=-Inf;

ssim_map=-Inf;

return;

end

end

測試使用圖片為800×600像素的PNG圖片，轉(zhuǎn)換成Webp(需要安裝WebpCodec才能顯示)和JPEG后顯示如圖4所示。通過MATLAB計算，測試數(shù)據(jù)對比如表1所列。

 

 

圖4　三種格式的截圖對比

表1　測試數(shù)據(jù)對比

 

 

通過分析可看出JPEG具有比Webp略好的圖像壓縮質(zhì)量，但是Webp在畫質(zhì)上的損失換來了壓縮率的極大提升。通過高壓縮的FFmpeg編碼，雖然獲得了極高的壓縮比，但圖像質(zhì)量損失嚴重。

3.2　驗證圖片格式轉(zhuǎn)換后壓縮率和壓縮質(zhì)量

FFmpeg是一個開源免費跨平臺的視頻和音頻流及圖片編碼方案，它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案。它包含了非常先進的音頻/視頻編解碼庫libavcodec。Libwebp是Google公司編寫的轉(zhuǎn)換其他格式圖片為Webp格式的編解碼器。測試用圖片為800×600像素的PNG圖片，利用FFmpeg和Libwebp轉(zhuǎn)換工具在DOS環(huán)境下輸入如下格式轉(zhuǎn)換命令：

ffmpeg ?i myfile.png ?psnr ?target out.jpg

cwebp.exe ?tool to encode an image file (e.g. JPEG or PNG) into WebP

可以將測試用PNG圖片轉(zhuǎn)換成JPEG和Webp格式，經(jīng)驗證轉(zhuǎn)換工具的測試結(jié)果與編程測試結(jié)果基本相同。

結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)Webp格式圖片的壓縮質(zhì)量略低于JPEG格式圖片，可能是由于沒有成熟的編解碼器的原因。但是在損失了畫質(zhì)的基礎(chǔ)上，Webp格式圖片的壓縮率大為提升，優(yōu)于JPEG格式。經(jīng)過測試分析表明，人眼基本無法分辨出Webp格式畫質(zhì)損失，故而在帶寬需求極為緊張的時代，Webp格式具有很好的發(fā)展前景。