标签：codec 视频质量评价 psnr 视频编码 x264
视频编码器领域一直有个比较复杂的问题：mpeg2、divx、xvid、mpeg4、vp8、vp9、x264、openh264、x265等等这一系列编码器到底哪个好？而对于同一种视频编码器，又包括了各种各样的参数配置，这些配置对视频编码器的影响又是怎样的？为了研究这个问题，我和师弟们在课余时间开发了一个软件系统，专门用于评价视频编码器的性能。
本文记录自己做的视频编码器性能评价的系统VideoCodecRank。本系统可以通过调整几种不同的维度的参数取值——视频内容、分辨率、编码器预设、码率来对视频编码器的性能进行评价和对比。对于每一个编码器，本系统可以遍历上述几种参数进行编码，并且记录编码视频图像质量和编码速度。通过本系统，可以全方位的对比视频编码器在各种条件下性能的优劣。在此还要感谢二位师弟的参与。目前在大家的合作下该系统基本功能刚开发完成，下一步打算继续测试和完善。
目前本系统计算了下列编码器：
x264-faster
x264-medium
x264-ultrafast
x264-superfast
x264-veryfast
x264-fast
x264-slow
x264-slower
x264-veryslow
x265-faster
x265-medium
x265-ultrafast
x265-superfast
x265-veryfast
x265-fast
x265-slow
x265-slower
x265-veryslow
f265-quality10
f265-quality20
DivX265-aqo2
DivX265-aqo3
DivX265-aqo4
VP8-good-0
VP8-good-1
VP8-good-2
VP8-good-3
VP8-good-4
VP8-good-5
VP8-realtime
DivX265-aqo1
openh264-rc0
openh264-rc1
mpeg4
mpeg1
mpeg2
xvid
h263p
theora
VC1-adv0
VC1-adv1
VC1-adv2
VC1-adv3
VC1-adv4
VC1-adv5
VP9-good-0
VP9-good-1
VP9-good-2
VP9-good-3
VP9-good-4
VP9-good-5
VP9-realtime
Intel-h264-speed
Intel-h264-quality
Intel-h264-balanced
Intel-mpeg2-speed
Intel-mpeg2-quality
Intel-mpeg2-balanced
使用了下列几种内容的测试视频：
src01
src02
src04
src05
src06
src08
src11
src12
src14
ducks
park
ped
riverbed
station2
sunflower
tractor
每种内容的测试视频被缩放成了如下分辨率：
640x360
848x480
1280x720
1920x1080 (raw)
每个测试视频设定了如下的BPP（可换算为码率）：
0.025
0.05
0.075
0.1
0.15
0.2
统计了如下视频图像质量指标：
PSNR
SSIM
时间信息（TI）
TI反映了一个序列画面随着时间的变化而变化的程度。画面内容运动程度剧烈的序列通常会有较高的TI值。它的计算方法是求序列的每一帧与前一帧图像的帧差，然后对帧差图像计算标准差。选这些标准差中的最大值为TI。它的计算公式如下所示：
空间信息（SI）
SI反映了一个序列画面的空间复杂程度。内容细节越多的序列通常会有较高的SI值。它的计算方法是对每一帧视频进行Sobel滤波，然后对滤波后图像计算标准差。选这些标准差中的最大值为SI。它的计算公式如下所示：
BPP的意义是视频中一个像素点的数据量。例如我们假设帧率为25fps，上文中1280x720的1Mbps的视频的BPP取值为0.043，640x360的500kbps的视频的BPP取值为0.087。下表列出了BPP，码率和常见分辨率之间的对应关系。
| 对应码率(kbps) | |||
每像素比特数 (bits/pixel) | 640x360 | 848x480 | 1280x720 | 1920x1080 |
0.025 | 144 | 254 | 576 | 1296 |
0.05 | 288 | 508 | 1152 | 2592 |
0.075 | 432 | 763 | 1728 | 3888 |
0.1 | 576 | 1017 | 2304 | 5184 |
0.15 | 864 | 1526 | 3456 | 7776 |
0.2 | 1152 | 2035 | 4608 | 10368 |
SSIM取值在0-1之间，取值越大代表图像质量越好。SSIM相对于PSNR来说更加符合人眼的主观感受，因此也是一种使用很广泛的视频质量评价方法。
编码速度评价主要通过统计编码和解码的耗时（以毫秒为单位）来实现。
上述逻辑下图所示。从图中可以看出本系统遍历参数的顺序如下：
视频内容-->分辨率-->编码器-->码率-->客观质量评价方法
当系统完成了一次客观质量评价算的计算之后，就会生成一条保存了当前实验参数的记录，并将该记录存储到数据库中。
速度质量权重：目前只支持时间/质量权重设置为1或0。质量权重为1则按照编码器输出视频质量进行排序，时间权重为1则按照编码器消耗时间进行排序。首页的内容如下所示。
分辨率：该选项可以选择输入视频的尺寸。
码率：该选项可以选择输入视频的码率。注意码率是按照BPP（Bit Per Pixel,每像素比特数）为单位的。
内容复杂度：该选项可以选择输入测试视频序列。注意输入的视频内容是按照时间复杂度TI或空间复杂度SI（这两个指标均取自于ITU BT.1788标准）进行排序的，以方便选择。
编码器
视频序列
分辨率
每像素比特数
编码时间
解码时间
视频质量评价算法
客观质量
主观质量
结果集页面的内容如下图所示。可以通过在下拉框中调整“编码器”，“视频序列”，“分辨率”，“每像素比特数”，“客观质量评价算法”几个参数来筛选符合特定条件的结果。
编码器名称编码器页面的内容如下图所示。单击编码器的名称可以进入编码器详细信息页面。
所属标准
厂商
版本
视频序列名称视频序列页面的内容如下图所示。单击视频序列的名称可以进入视频序列详细信息页面。
原始分辨率
像素采样格式
帧率
帧数
视频序列时间/空间复杂度对比图如下所示。图中每个点代表一个视频序列，图表横坐标为SI，纵坐标为TI。由此可知位于图表上方的视频序列运动比较剧烈，而位于图表右边的视频序列内容纹理比较复杂。最为简单的视频序列位于图表的右上角，最为简单的视频序列位于图表的左下角。
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