視頻信號數(shù)字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點(diǎn)
視頻信號數(shù)字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點(diǎn)
電視信號的數(shù)字化處理需要三個步驟：取樣、量化和編碼。取樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號流。取樣和量化帶來的某些信號損傷多數(shù)是因?qū)嶋H工程設(shè)備和理想狀態(tài)下的物理模型之間無法完全契合而造成的。如：孔闌效應(yīng)是因?yàn)閷?shí)際取樣脈沖的寬度不為零而產(chǎn)生的一種高頻衰落現(xiàn)象；實(shí)際低通濾波器的濾波特性與理想狀態(tài)下的不同又會導(dǎo)致過沖和邊緣振鈴現(xiàn)象經(jīng)常性的出現(xiàn)。還有一些偶發(fā)性事件，如：顆粒雜波、輪廓效應(yīng)等。針對這些信號損傷，在工程上通過采用過抽樣、高頻顫動、非均勻量化和高頻提升等技術(shù)已將損傷減少到最小。
編碼就其本身而言只是將取樣、量化后的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字符號，應(yīng)不存在信號損傷。但隨著壓縮概念和壓縮技術(shù)的采用，使得編碼的目的更多的轉(zhuǎn)向于通過壓縮來去掉信號中的冗余成分，實(shí)現(xiàn)壓縮碼率和帶寬，保證信號的有效傳輸。這就必然會產(chǎn)生信號損傷及失真。因此本文重點(diǎn)討論壓縮編碼損傷。
一 壓縮編碼損傷的產(chǎn)生和種類
一般把壓縮編碼過程中產(chǎn)生的損傷分為可恢復(fù)損傷和不可恢復(fù)損傷。
1、可恢復(fù)損傷
編碼僅利用信源各樣值的相關(guān)特性，去除電視信號本身的冗余，實(shí)現(xiàn)壓縮。雖因舍棄了一部分相關(guān)性較強(qiáng)信息而造成了信號暫時性的損傷，但在解碼端，根據(jù)相關(guān)性又可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引入任何失真，信號損傷被消除。我們稱這個過程中產(chǎn)生的信號損傷為可恢復(fù)損傷。這種損傷不會導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，因此被認(rèn)為是無損害的。
采用這種壓縮方式的編碼稱為無損壓縮編碼。但壓縮率受到相關(guān)特性和統(tǒng)計(jì)冗余度的理論限制，一般小于3.3:1。常用的有Hoffman編碼、差值脈沖編碼（DPCM）、游程編碼和算術(shù)編碼等。
2、不可恢復(fù)損傷
有時為了能獲得較高壓縮比，在利用信源各樣值的相關(guān)特性去除冗余信息的同時，還利用了人類視覺對圖像中某些頻率成分不敏感特性，在壓縮過程中舍棄一些人眼不易察覺的高頻信息，以實(shí)現(xiàn)高壓縮。這些信息在解碼端是不能被恢復(fù)出來的，因此造成了信號永久性損傷。我們稱該種損傷為不可恢復(fù)損傷。它對圖像質(zhì)量來說是有損害的。特別當(dāng)幾種不可恢復(fù)損傷發(fā)生累積后，將會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的明顯劣化。目前這種特性正被多數(shù)視頻廠家低調(diào)處理，極力回避。
通常采用這種壓縮形式的編碼稱為有損壓縮編碼。目前最常用的JPEG、M-JPEG、MPEG都屬于此種編碼。它們均對視頻信號造成了不同程度、不可預(yù)計(jì)的損傷�；谒鼈兯捎玫膲嚎s編碼技術(shù)大同小異，我們就以MPEG為例來具體分析。
壓縮的第一步就是識別每個視頻場或幀中的冗余。MPEG編碼技術(shù)主要采用兩種方法：（1）在空間方向上，利用DCT(Discrete Cosine Transform)算法來去掉幀內(nèi)及幀間的冗余信息。（2）在時間方向上，圖象數(shù)據(jù)壓縮采用運(yùn)動補(bǔ)償(Motion Compensation)算法來去掉幀間的冗余信息。
圖一為MPEG的基本編碼圖。
其中DCT變換是一個雙向數(shù)學(xué)過程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成重現(xiàn)空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數(shù)值既可以代表不斷增加的更高的垂直和水平空間頻率，也可以代表不同的水平和垂直空間頻率組合。DCT變換并沒有減少數(shù)據(jù)，它本身是無損變換。
對于活動圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運(yùn)動，即使有大范圍的活動部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運(yùn)動了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容。（這個查找過程稱為運(yùn)動估值，其表達(dá)方式是運(yùn)動矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動部分補(bǔ)過來，得到其剩余的不同部分的過程稱為運(yùn)動補(bǔ)償。）運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測就是利用了這種相關(guān)性，有效地去除視頻信號在時間方向的重復(fù)信息，達(dá)到壓縮的目的。該過程產(chǎn)生的損傷只是可恢復(fù)損傷，而且?guī)g壓縮一般是在未壓縮的圖像上進(jìn)行，因此也是一個無損過程。
實(shí)際上MPEG編碼的第一層不可恢復(fù)的信號損傷是在量化處產(chǎn)生的，損失量標(biāo)注為D1，如圖。視頻信號經(jīng)過DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會變得非常細(xì)小，而根據(jù)人眼的視覺特性，較高的空間頻率系數(shù)可以用少量的比特來表示。因此在進(jìn)行量化處理時對低頻分量采用多比特、小間隔量化，產(chǎn)生較小的量化誤差，精度高。隨著頻率的提升，量化間隔越大，精度越低，量化誤差越大，并丟棄一部分高頻信息。雖然得到了高壓縮比，但丟棄的高頻信息無法恢復(fù)，對信號造成了一定程度的永久性損傷。
而且由圖可知在參考幀幀存中有一副完全解析度、完整數(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測幀幀存中擁有一個根據(jù)前一幀和運(yùn)動矢量所建立的預(yù)測的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒有運(yùn)動或其它變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測，差分幀輸出為 0（極易壓縮）。當(dāng)前一幀和后一幀有點(diǎn)不同時，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮�？梢姴罘謳敵霾粸槎ㄖ�。為了維持最終數(shù)據(jù)流在一個一定的水平上，量化表控制單元會相應(yīng)決定應(yīng)如何量化DCT系數(shù)（即是用多小比特進(jìn)行量化），這樣帶來的量化誤差和不可恢復(fù)損傷無法預(yù)計(jì)。特別在圖象活動劇烈或低碼率通訊時，此編碼器只能通過迭用粗量化，降低幀頻或舍去更多的DCT變換系數(shù)來降低碼率，因而對信號損傷較大，丟失了許多有用的信息。在恢復(fù)圖象中將出現(xiàn)明顯的塊效應(yīng)和運(yùn)動物體邊緣的蚊音效應(yīng)。
第二層損傷在參考幀存處產(chǎn)生，失真量記為D2，如圖。量化處產(chǎn)生的損傷和失真，經(jīng)反量化反DCT變換并不能被恢復(fù)。由此得出的代表前一幅圖像的參考幀就帶有損傷和失真。因此通過運(yùn)動補(bǔ)償?shù)玫降漠?dāng)前幀就達(dá)不到完美預(yù)測，會帶有不可預(yù)計(jì)的損傷或失真。
對一個系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的不均勻失真，其總的作用結(jié)果并不是簡單的相加。有以上分析可以看出兩層損傷是彼此加重的。用D來表示它們的累計(jì)失真，并可由下式得出:
其中不同類型的失真其h值不同。h的取值范圍為1、3/2、2。
二 不可恢復(fù)損傷對圖像質(zhì)量的影響
有損壓縮編碼利用了圖像構(gòu)造冗余和人類的視覺特性，雖然在編碼過程中有不可恢復(fù)的損傷產(chǎn)生，但仍能使經(jīng)過單一壓縮編碼形式后的圖像質(zhì)量被人們所接受，并達(dá)到了高效傳輸?shù)哪康�。然而目前多種有損壓縮編碼形式是并存的，不同編碼方式之間進(jìn)行信號傳輸時，必須經(jīng)過先解碼轉(zhuǎn)成基帶信號，再編碼的過程，如圖二所示。
在實(shí)際工作中，一段素材由采集到最終的播出往往要經(jīng)過多種不同形式的編解碼轉(zhuǎn)換。每種編碼的損傷和失真的大小、特性和表現(xiàn)形式都不盡相同。它們會不斷積累，彼此放大損傷程度。如圖三所示。
我們知道在一個模擬系統(tǒng)里，質(zhì)量隨信號損傷成比例降低。而數(shù)字系統(tǒng)里，在適度損傷時，質(zhì)量還可以保證，隨著損傷不斷增加，質(zhì)量就大幅度下降�？梢�，反復(fù)編解碼帶來的不可恢復(fù)損傷的積累是應(yīng)該被重視的。
以我頻道新聞工作流程為例，如圖四。視頻信號從采集到最終播出共經(jīng)歷了四次編碼和四次解碼。
對各環(huán)節(jié)進(jìn)行圖像質(zhì)量參數(shù)測量，會發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量逐次降低。損傷逐漸加大。而且在平時工作中常會發(fā)現(xiàn)，一些典型的畫面，如：一幅綠草如茵的草地中，草葉隨風(fēng)搖擺。在經(jīng)過多次編解碼轉(zhuǎn)換后，其中細(xì)塊狀的閃爍就直觀表現(xiàn)出來。更值得注意的一點(diǎn)，當(dāng)在某環(huán)節(jié)混入了可視噪聲，由于噪聲是隨機(jī)的高頻信號，在進(jìn)行DCT變換和高頻粗量化后，很可能被作為有用信息保留下來并被凸現(xiàn)。導(dǎo)致視頻信號的信噪比進(jìn)一步降低。由于它被認(rèn)為是原始信息，而且其分布特性是不相關(guān)的，因此每經(jīng)歷一次編解碼后，都會被保留下來。如此反復(fù)數(shù)次后，圖像質(zhì)量會明顯劣化。
顯然，目前正面臨一個選擇統(tǒng)一壓縮方式的問題。一個好的數(shù)字電視系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：（1）具有盡可能高的圖像重建質(zhì)量，在電視臺應(yīng)用應(yīng)符合ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)，采用4：2：2數(shù)字分量格式。（2）具有較高的壓縮效率，在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能提高壓縮比。（3）滿足幀精度的圖像編輯要求。（4）盡量采用統(tǒng)一的壓縮方式，減少反復(fù)進(jìn)行壓縮方式轉(zhuǎn)換帶來的失真。滿足這些要求的最佳選擇應(yīng)是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。目前可以看到MPEG-2日益成為主流壓縮標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。
三 解決方案 MPEG-2的互連
現(xiàn)有MPEG-2視頻標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范集包括6類（profile）4級（level）組成，并采用分級編碼。所謂類是指MPEG-2的不同處理方法，每一類都包括壓縮和處理方法的一個集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。越高的類編碼越精細(xì)，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價會更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級類解碼器，均應(yīng)能解碼用低級類方法編碼的圖像。
所謂級是指MPEG-2的輸入格式，標(biāo)識從有限清晰度的VHS 質(zhì)量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個相應(yīng)的范圍。圖五 給出了MPEG-2的級. 類. GOP結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)編碼的最大輸出碼率。盡管總共有24種級與類的組合，但其中僅有13種是可用的，這些可用的格式成為MPEG-2的適用點(diǎn)。選擇什么樣的格式，既要看合適的適用點(diǎn)，又要考慮合適的碼率。
對于一個采用MPEG-2作為統(tǒng)一壓縮標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視系統(tǒng)，其中包含信號采集、傳輸分配、后期制作和播出等重要環(huán)節(jié)。針對每個環(huán)節(jié)的工作特點(diǎn)，需要采用不同GOP和不同碼率的MPEG-2編碼方式，如圖六所示。這就存在兩個主要問題：（1）各個環(huán)節(jié)之間仍存在MPEG碼流與基帶信號之間的重復(fù)轉(zhuǎn)換問題。（2）采集和制作須高質(zhì)量的圖
像并能實(shí)現(xiàn)幀內(nèi)編輯，因此采用高碼率、短GOP。傳輸和播出時由于考慮到帶寬的限制，采用低碼率、長GOP。這樣電視信號雖用了同一種壓縮標(biāo)準(zhǔn)但仍存在不同GOP和碼率轉(zhuǎn)換問題。以碼率轉(zhuǎn)換為例，圖七顯示了轉(zhuǎn)碼所帶來的質(zhì)量損傷。它們之間的反復(fù)轉(zhuǎn)換同樣會對信號產(chǎn)生一定程度的損傷累積。
顯然，要實(shí)現(xiàn)MPEG的互連必須解決以上兩個問題。某些大型廠家已經(jīng)開始關(guān)注這個問題，紛紛提出自己的解決方案。其中比較成熟并應(yīng)用到成形產(chǎn)品中的方式主要有下面兩種，但均未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
通過同步網(wǎng)絡(luò)傳輸MPEG碼流
SDTI-CP (MPEG ES)
DVB-ASI (MPEG TS)
。通過異步網(wǎng)絡(luò)（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）交換文件
MXF(Media exchange File Format 媒體交換文件格式)Pro-MPEG Forum正在討論此文件交換格式。
AAF打包形式（Microsoft/Avid建議采用）
我們來著重討論第一種方式。SDTI-CP是SONY公司提出的用于比特流傳輸打包的方式，是Serial Data Transport Interface-Content Package的縮寫，意為基于內(nèi)容打包的串行數(shù)據(jù)傳輸接口。它已成為SMPTE 326號標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)用于MPEG-2視頻碼流、相關(guān)音頻、輔助數(shù)據(jù)及原數(shù)據(jù)傳輸。還可用于高速數(shù)據(jù)和多通道傳輸。也可用于其它壓縮或非壓縮比特流傳輸。它將MPEG碼流打包成固定形式的碼流。它的應(yīng)用使得MPEG碼流與基帶信號之間不存在編解碼過程，很好的解決了上述第一個問題。
對于不同GOP和比特率的MPEG碼流轉(zhuǎn)換，如果能有一種轉(zhuǎn)碼設(shè)備,通過它可以使前期采集、后期制作和節(jié)目播出系統(tǒng)基于不同GOP和比特率的MPEG碼流有效地連接起來，以避免信號進(jìn)行GOP、比特率重復(fù)轉(zhuǎn)換時，損傷的積累。如何實(shí)現(xiàn)呢？我們可以設(shè)想一下，這個設(shè)備如果能在第一次GOP和比特率轉(zhuǎn)換時，產(chǎn)生一些歷史記錄，來記錄這次轉(zhuǎn)換的一些重要參數(shù)，并將參數(shù)攜帶到下一次的轉(zhuǎn)換中去，作為下次轉(zhuǎn)換的參考參數(shù)。依此類推。這樣在第一次GOP和比特率轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生一個對該次損傷的記錄，之后轉(zhuǎn)換的損傷都將被限制在該范圍之內(nèi)，有效的避免了損傷不定性的累積。產(chǎn)生的記錄參數(shù)應(yīng)主要有：（1）Picture coding type圖象編碼類型(2)Q-Matrix參數(shù)(3)Motion Vector…etc運(yùn)動矢量參數(shù)。而在MPEG的數(shù)據(jù)格式定義中，恰恰為這種記錄設(shè)定了碼元組。下面簡單用圖來表示一下這個過程。
目前，不少廠家已經(jīng)對此做出了反映，不久的將來相信會有相應(yīng)的產(chǎn)品推出。這樣就能很好的避免數(shù)字電視信號在電視系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間交換時，因編碼方式不同而造成的編碼損傷的相互累積，實(shí)現(xiàn)圖質(zhì)量的提高。
四 數(shù)字化與高質(zhì)量
圖像質(zhì)量始終作為評判廣播電視行業(yè)的一個重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在廣播電視行業(yè)逐漸數(shù)字化的今天，PAL制下的模擬失真被簡單地改變成有損壓縮編碼的失真。而正是這些編碼過程決定了最后的圖像質(zhì)量。一個數(shù)字傳輸信道，僅僅是簡單地將輸入信號的固有質(zhì)量傳送到別的地方。對一個工作在約定指標(biāo)之內(nèi)的數(shù)字信道則完全不必考慮信號的質(zhì)量問題。即使在一個可能發(fā)生缺陷的信道，大多數(shù)情況下仍可以采用誤碼校正去修復(fù)任何被破壞的比特。
數(shù)字電視的這個特性目前被低調(diào)處理。夸大其辭的宣傳回避了壓縮損傷這一事實(shí)。宣傳者告訴我們，數(shù)字化意味著不再有噪音和重影，數(shù)字化就是高質(zhì)量,而沒有強(qiáng)調(diào)這僅僅是針對全比特信號而言。實(shí)際上數(shù)字化在音頻和視頻上都有壓縮失真，但我們不知道會到什么程度，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有一個客觀質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)或者行為準(zhǔn)則。但可以肯定的是我們更應(yīng)該注重它，以求達(dá)到更高的演播室質(zhì)量。而不是只會通過降低比特率來節(jié)省資金。
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