視頻信號(hào)數(shù)字化處理后所帶來(lái)的信號(hào)損傷的種類及特點(diǎn)
視頻信號(hào)數(shù)字化處理后所帶來(lái)的信號(hào)損傷的種類及特點(diǎn)
電視信號(hào)的數(shù)字化處理需要三個(gè)步驟：取樣、量化和編碼。取樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)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(hào)流。取樣和量化帶來(lái)的某些信號(hào)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(wú)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(huì)導(dǎo)致過(guò)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(duì)這些信號(hào)損傷，在工程上通過(guò)采用過(guò)抽樣、高頻顫動(dòng)、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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字符號(hào)，應(yīng)不存在信號(hào)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(guò)壓縮來(lái)去掉信號(hào)中的冗余成分，實(shí)現(xiàn)壓縮碼率和帶寬，保證信號(hào)的有效傳輸。這就必然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)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(guò)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(hào)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(hào)暫時(shí)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(hào)損傷被消除。我們稱這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)損傷為可恢復(fù)損傷。這種損傷不會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，因此被認(rèn)為是無(wú)損害的。
采用這種壓縮方式的編碼稱為無(wú)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(shí)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(shí)，還利用了人類視覺(jué)對(duì)圖像中某些頻率成分不敏感特性，在壓縮過(guò)程中舍棄一些人眼不易察覺(jué)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(lái)的，因此造成了信號(hào)永久性損傷。我們稱該種損傷為不可恢復(fù)損傷。它對(duì)圖像質(zhì)量來(lái)說(shuō)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(huì)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(duì)視頻信號(hào)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(lái)具體分析。
壓縮的第一步就是識(shí)別每個(gè)視頻場(chǎng)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(lái)去掉幀內(nèi)及幀間的冗余信息。（2）在時(shí)間方向上，圖象數(shù)據(jù)壓縮采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(Motion Compensation)算法來(lái)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(gè)雙向數(shù)學(xué)過(guò)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(méi)有減少數(shù)據(jù)，它本身是無(wú)損變換。
對(duì)于活動(dòng)圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運(yùn)動(dòng)，即使有大范圍的活動(dòng)部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動(dòng)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(dòng)了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容。（這個(gè)查找過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)估值，其表達(dá)方式是運(yùn)動(dòng)矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分補(bǔ)過(guò)來(lái)，得到其剩余的不同部分的過(guò)程稱為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。）運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)就是利用了這種相關(guān)性，有效地去除視頻信號(hào)在時(shí)間方向的重復(fù)信息，達(dá)到壓縮的目的。該過(guò)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(gè)無(wú)損過(guò)程。
實(shí)際上MPEG編碼的第一層不可恢復(fù)的信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會(huì)變得非常細(xì)小，而根據(jù)人眼的視覺(jué)特性，較高的空間頻率系數(shù)可以用少量的比特來(lái)表示。因此在進(jìn)行量化處理時(shí)對(duì)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(wú)法恢復(fù)，對(duì)信號(hào)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(cè)幀幀存中擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其它變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，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(shí)，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮�？梢�(jiàn)差分幀輸出不為定值。為了維持最終數(shù)據(jù)流在一個(gè)一定的水平上，量化表控制單元會(huì)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(lái)的量化誤差和不可恢復(fù)損傷無(wú)法預(yù)計(jì)。特別在圖象活動(dòng)劇烈或低碼率通訊時(shí)，此編碼器只能通過(guò)迭用粗量化，降低幀頻或舍去更多的DCT變換系數(shù)來(lái)降低碼率，因而對(duì)信號(hào)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(dòng)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(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫降漠?dāng)前幀就達(dá)不到完美預(yù)測(cè)，會(huì)帶有不可預(yù)計(jì)的損傷或失真。
對(duì)一個(gè)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(jiǎn)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(lái)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(duì)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(jué)特性，雖然在編碼過(guò)程中有不可恢復(fù)的損傷產(chǎn)生，但仍能使經(jīng)過(guò)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(hào)傳輸時(shí)，必須經(jīng)過(guò)先解碼轉(zhuǎn)成基帶信號(hào)，再編碼的過(guò)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(guò)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(huì)不斷積累，彼此放大損傷程度。如圖三所示。
我們知道在一個(gè)模擬系統(tǒng)里，質(zhì)量隨信號(hào)損傷成比例降低。而數(shù)字系統(tǒng)里，在適度損傷時(shí)，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。可見(jiàn)，反復(fù)編解碼帶來(lái)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(hào)從采集到最終播出共經(jīng)歷了四次編碼和四次解碼。
對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行圖像質(zhì)量參數(shù)測(cè)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量逐次降低。損傷逐漸加大。而且在平時(shí)工作中常會(huì)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(guò)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(lái)。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(hào)，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(lái)并被凸現(xiàn)。導(dǎo)致視頻信號(hào)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(huì)被保留下來(lái)。如此反復(fù)數(shù)次后，圖像質(zhì)量會(huì)明顯劣化。
顯然，目前正面臨一個(gè)選擇統(tǒng)一壓縮方式的問(wèn)題。一個(gè)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(tái)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(lái)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(shì)。
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(jí)（level）組成，并采用分級(jí)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(gè)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(méi)有使用的附加工具，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的代價(jià)會(huì)更高。而解碼器卻是向下兼容的，任何一種高級(jí)類解碼器，均應(yīng)能解碼用低級(jí)類方法編碼的圖像。
所謂級(jí)是指MPEG-2的輸入格式，標(biāo)識(shí)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(gè)相應(yīng)的范圍。圖五 給出了MPEG-2的級(jí). 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(jí)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(duì)于一個(gè)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(hào)采集、傳輸分配、后期制作和播出等重要環(huán)節(jié)。針對(duì)每個(gè)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(gè)主要問(wèn)題：（1）各個(gè)環(huán)節(jié)之間仍存在MPEG碼流與基帶信號(hào)之間的重復(fù)轉(zhuǎn)換問(wèn)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(shí)由于考慮到帶寬的限制，采用低碼率、長(zhǎng)GOP。這樣電視信號(hào)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(wèn)題。以碼率轉(zhuǎn)換為例，圖七顯示了轉(zhuǎn)碼所帶來(lái)的質(zhì)量損傷。它們之間的反復(fù)轉(zhuǎn)換同樣會(huì)對(duì)信號(hào)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(gè)問(wèn)題。某些大型廠家已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注這個(gè)問(wèn)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(guò)同步網(wǎng)絡(luò)傳輸MPEG碼流
SDTI-CP (MPEG ES)
DVB-ASI (MPEG TS)
。通過(guò)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(lái)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(hào)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(hào)之間不存在編解碼過(guò)程，很好的解決了上述第一個(gè)問(wèn)題。
對(duì)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(guò)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(lái)，以避免信號(hào)進(jìn)行GOP、比特率重復(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)，損傷的積累。如何實(shí)現(xiàn)呢？我們可以設(shè)想一下，這個(gè)設(shè)備如果能在第一次GOP和比特率轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)生一些歷史記錄，來(lái)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(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)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(dòng)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(jiǎn)單用圖來(lái)表示一下這個(gè)過(guò)程。
目前，不少?gòu)S家已經(jīng)對(duì)此做出了反映，不久的將來(lái)相信會(huì)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(hào)在電視系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間交換時(shí)，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(píng)判廣播電視行業(yè)的一個(gè)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(jiǎn)單地改變成有損壓縮編碼的失真。而正是這些編碼過(guò)程決定了最后的圖像質(zhì)量。一個(gè)數(shù)字傳輸信道，僅僅是簡(jiǎn)單地將輸入信號(hào)的固有質(zhì)量傳送到別的地方。對(duì)一個(gè)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(hào)的質(zhì)量問(wèn)題。即使在一個(gè)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(gè)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(méi)有強(qiáng)調(diào)這僅僅是針對(duì)全比特信號(hào)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(huì)到什么程度，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)客觀質(zhì)量測(cè)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(huì)通過(guò)降低比特率來(lái)節(jié)省資金。
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