视频信号数字化处理后所带来的信号损伤的种类及特点
视频信号数字化处理后所带来的信号损伤的种类及特点
电视信号的数字化处理需要三个步骤：取样、量化和编码。取样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。取样和量化带来的某些信号损伤多数是因实际工程设备和理想状态下的物理模型之间无法完全契合而造成的。如：孔阑效应是因为实际取样脉冲的宽度不为零而产生的一种高频衰落现象；实际低通滤波器的滤波特性与理想状态下的不同又会导致过冲和边缘振铃现象经常性的出现。还有一些偶发性事件，如：颗粒杂波、轮廓效应等。针对这些信号损伤，在工程上通过采用过抽样、高频颤动、非均匀量化和高频提升等技术已将损伤减少到最小。
编码就其本身而言只是将取样、量化后的信号转换成数字符号，应不存在信号损伤。但随着压缩概念和压缩技术的采用，使得编码的目的更多的转向于通过压缩来去掉信号中的冗余成分，实现压缩码率和带宽，保证信号的有效传输。这就必然会产生信号损伤及失真。因此本文重点讨论压缩编码损伤。
一 压缩编码损伤的产生和种类
一般把压缩编码过程中产生的损伤分为可恢复损伤和不可恢复损伤。
1、可恢复损伤
编码仅利用信源各样值的相关特性，去除电视信号本身的冗余，实现压缩。虽因舍弃了一部分相关性较强信息而造成了信号暂时性的损伤，但在解码端，根据相关性又可完全恢复原始数据而不引入任何失真，信号损伤被消除。我们称这个过程中产生的信号损伤为可恢复损伤。这种损伤不会导致图像质量下降，因此被认为是无损害的。
采用这种压缩方式的编码称为无损压缩编码。但压缩率受到相关特性和统计冗余度的理论限制，一般小于3.3:1。常用的有Hoffman编码、差值脉冲编码（DPCM）、游程编码和算术编码等。
2、不可恢复损伤
有时为了能获得较高压缩比，在利用信源各样值的相关特性去除冗余信息的同时，还利用了人类视觉对图像中某些频率成分不敏感特性，在压缩过程中舍弃一些人眼不易察觉的高频信息，以实现高压缩。这些信息在解码端是不能被恢复出来的，因此造成了信号永久性损伤。我们称该种损伤为不可恢复损伤。它对图像质量来说是有损害的。特别当几种不可恢复损伤发生累积后，将会导致图像质量的明显劣化。目前这种特性正被多数视频厂家低调处理，极力回避。
通常采用这种压缩形式的编码称为有损压缩编码。目前最常用的JPEG、M-JPEG、MPEG都属于此种编码。它们均对视频信号造成了不同程度、不可预计的损伤。基于它们所采用的压缩编码技术大同小异，我们就以MPEG为例来具体分析。
压缩的第一步就是识别每个视频场或帧中的冗余。MPEG编码技术主要采用两种方法：（1）在空间方向上，利用DCT(Discrete Cosine Transform)算法来去掉帧内及帧间的冗余信息。（2）在时间方向上，图象数据压缩采用运动补偿(Motion Compensation)算法来去掉帧间的冗余信息。
图一为MPEG的基本编码图。
其中DCT变换是一个双向数学过程。它将空间分布的变化程度转变成重现空间分布所需的频率带宽。变换所得到的系数值既可以代表不断增加的更高的垂直和水平空间频率，也可以代表不同的水平和垂直空间频率组合。DCT变换并没有减少数据，它本身是无损变换。
对于活动图像多数情况下只是其中的很少一部分图像在运动，即使有大范围的活动部分，前后帧尽管有很大区别，但移动物体本身大多数情况下是相同的。因此只需要找到图像中某一部分运动了多少就可以在前一帧找到相应图像的内容。（这个查找过程称为运动估值，其表达方式是运动矢量；而把前一帧相应的运动部分补过来，得到其剩余的不同部分的过程称为运动补偿。）运动补偿的帧间预测就是利用了这种相关性，有效地去除视频信号在时间方向的重复信息，达到压缩的目的。该过程产生的损伤只是可恢复损伤，而且帧间压缩一般是在未压缩的图像上进行，因此也是一个无损过程。
实际上MPEG编码的第一层不可恢复的信号损伤是在量化处产生的，损失量标注为D1，如图。视频信号经过DCT变换后，较高的空间频率系数会变得非常细小，而根据人眼的视觉特性，较高的空间频率系数可以用少量的比特来表示。因此在进行量化处理时对低频分量采用多比特、小间隔量化，产生较小的量化误差，精度高。随着频率的提升，量化间隔越大，精度越低，量化误差越大，并丢弃一部分高频信息。虽然得到了高压缩比，但丢弃的高频信息无法恢复，对信号造成了一定程度的永久性损伤。
而且由图可知在参考帧帧存中有一副完全解析度、完整数据的前一副图像。在预测帧帧存中拥有一个根据前一帧和运动矢量所建立的预测的当前帧。输出是预测的当前帧与实际当前帧相减后的差值。若没有运动或其它变化，当前帧便可得到完美的预测，差分帧输出为 0（极易压缩）。当前一帧和后一帧有点不同时，差分帧仍有少量数据需要压缩。可见差分帧输出不为定值。为了维持最终数据流在一个一定的水平上，量化表控制单元会相应决定应如何量化DCT系数（即是用多小比特进行量化），这样带来的量化误差和不可恢复损伤无法预计。特别在图象活动剧烈或低码率通讯时，此编码器只能通过迭用粗量化，降低帧频或舍去更多的DCT变换系数来降低码率，因而对信号损伤较大，丢失了许多有用的信息。在恢复图象中将出现明显的块效应和运动物体边缘的蚊音效应。
第二层损伤在参考帧存处产生，失真量记为D2，如图。量化处产生的损伤和失真，经反量化反DCT变换并不能被恢复。由此得出的代表前一幅图像的参考帧就带有损伤和失真。因此通过运动补偿得到的当前帧就达不到完美预测，会带有不可预计的损伤或失真。
对一个系统内各环节的不均匀失真，其总的作用结果并不是简单的相加。有以上分析可以看出两层损伤是彼此加重的。用D来表示它们的累计失真，并可由下式得出:
其中不同类型的失真其h值不同。h的取值范围为1、3/2、2。
二 不可恢复损伤对图像质量的影响
有损压缩编码利用了图像构造冗余和人类的视觉特性，虽然在编码过程中有不可恢复的损伤产生，但仍能使经过单一压缩编码形式后的图像质量被人们所接受，并达到了高效传输的目的。然而目前多种有损压缩编码形式是并存的，不同编码方式之间进行信号传输时，必须经过先解码转成基带信号，再编码的过程，如图二所示。
在实际工作中，一段素材由采集到最终的播出往往要经过多种不同形式的编解码转换。每种编码的损伤和失真的大小、特性和表现形式都不尽相同。它们会不断积累，彼此放大损伤程度。如图三所示。
我们知道在一个模拟系统里，质量随信号损伤成比例降低。而数字系统里，在适度损伤时，质量还可以保证，随着损伤不断增加，质量就大幅度下降。可见，反复编解码带来的不可恢复损伤的积累是应该被重视的。
以我频道新闻工作流程为例，如图四。视频信号从采集到最终播出共经历了四次编码和四次解码。
对各环节进行图像质量参数测量，会发现图像质量逐次降低。损伤逐渐加大。而且在平时工作中常会发现，一些典型的画面，如：一幅绿草如茵的草地中，草叶随风摇摆。在经过多次编解码转换后，其中细块状的闪烁就直观表现出来。更值得注意的一点，当在某环节混入了可视噪声，由于噪声是随机的高频信号，在进行DCT变换和高频粗量化后，很可能被作为有用信息保留下来并被凸现。导致视频信号的信噪比进一步降低。由于它被认为是原始信息，而且其分布特性是不相关的，因此每经历一次编解码后，都会被保留下来。如此反复数次后，图像质量会明显劣化。
显然，目前正面临一个选择统一压缩方式的问题。一个好的数字电视系统应满足以下基本要求：（1）具有尽可能高的图像重建质量，在电视台应用应符合ITU-R601标准，采用4：2：2数字分量格式。（2）具有较高的压缩效率，在保证图像质量的前提下尽可能提高压缩比。（3）满足帧精度的图像编辑要求。（4）尽量采用统一的压缩方式，减少反复进行压缩方式转换带来的失真。满足这些要求的最佳选择应是MPEG-2标准。目前可以看到MPEG-2日益成为主流压缩标准的趋势。
三 解决方案 MPEG-2的互连
现有MPEG-2视频标准的技术规范集包括6类（profile）4级（level）组成，并采用分级编码。所谓类是指MPEG-2的不同处理方法，每一类都包括压缩和处理方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。越高的类编码越精细，而每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具，当然实现的代价会更高。而解码器却是向下兼容的，任何一种高级类解码器，均应能解码用低级类方法编码的图像。
所谓级是指MPEG-2的输入格式，标识从有限清晰度的VHS 质量图象到HDTV图象，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。图五 给出了MPEG-2的级. 类. GOP结构以及相应编码的最大输出码率。尽管总共有24种级与类的组合，但其中仅有13种是可用的，这些可用的格式成为MPEG-2的适用点。选择什么样的格式，既要看合适的适用点，又要考虑合适的码率。
对于一个采用MPEG-2作为统一压缩标准的数字电视系统，其中包含信号采集、传输分配、后期制作和播出等重要环节。针对每个环节的工作特点，需要采用不同GOP和不同码率的MPEG-2编码方式，如图六所示。这就存在两个主要问题：（1）各个环节之间仍存在MPEG码流与基带信号之间的重复转换问题。（2）采集和制作须高质量的图
像并能实现帧内编辑，因此采用高码率、短GOP。传输和播出时由于考虑到带宽的限制，采用低码率、长GOP。这样电视信号虽用了同一种压缩标准但仍存在不同GOP和码率转换问题。以码率转换为例，图七显示了转码所带来的质量损伤。它们之间的反复转换同样会对信号产生一定程度的损伤累积。
显然，要实现MPEG的互连必须解决以上两个问题。某些大型厂家已经开始关注这个问题，纷纷提出自己的解决方案。其中比较成熟并应用到成形产品中的方式主要有下面两种，但均未形成统一标准。
通过同步网络传输MPEG码流
SDTI-CP (MPEG ES)
DVB-ASI (MPEG TS)
。通过异步网络（计算机网络）交换文件
MXF(Media exchange File Format 媒体交换文件格式)Pro-MPEG Forum正在讨论此文件交换格式。
AAF打包形式（Microsoft/Avid建议采用）
我们来着重讨论第一种方式。SDTI-CP是SONY公司提出的用于比特流传输打包的方式，是Serial Data Transport Interface-Content Package的缩写，意为基于内容打包的串行数据传输接口。它已成为SMPTE 326号标准。设计用于MPEG-2视频码流、相关音频、辅助数据及原数据传输。还可用于高速数据和多通道传输。也可用于其它压缩或非压缩比特流传输。它将MPEG码流打包成固定形式的码流。它的应用使得MPEG码流与基带信号之间不存在编解码过程，很好的解决了上述第一个问题。
对于不同GOP和比特率的MPEG码流转换，如果能有一种转码设备,通过它可以使前期采集、后期制作和节目播出系统基于不同GOP和比特率的MPEG码流有效地连接起来，以避免信号进行GOP、比特率重复转换时，损伤的积累。如何实现呢？我们可以设想一下，这个设备如果能在第一次GOP和比特率转换时，产生一些历史记录，来记录这次转换的一些重要参数，并将参数携带到下一次的转换中去，作为下次转换的参考参数。依此类推。这样在第一次GOP和比特率转换时会产生一个对该次损伤的记录，之后转换的损伤都将被限制在该范围之内，有效的避免了损伤不定性的累积。产生的记录参数应主要有：（1）Picture coding type图象编码类型(2)Q-Matrix参数(3)Motion Vector…etc运动矢量参数。而在MPEG的数据格式定义中，恰恰为这种记录设定了码元组。下面简单用图来表示一下这个过程。
目前，不少厂家已经对此做出了反映，不久的将来相信会有相应的产品推出。这样就能很好的避免数字电视信号在电视系统各环节之间交换时，因编码方式不同而造成的编码损伤的相互累积，实现图质量的提高。
四 数字化与高质量
图像质量始终作为评判广播电视行业的一个重要技术标准。在广播电视行业逐渐数字化的今天，PAL制下的模拟失真被简单地改变成有损压缩编码的失真。而正是这些编码过程决定了最后的图像质量。一个数字传输信道，仅仅是简单地将输入信号的固有质量传送到别的地方。对一个工作在约定指标之内的数字信道则完全不必考虑信号的质量问题。即使在一个可能发生缺陷的信道，大多数情况下仍可以采用误码校正去修复任何被破坏的比特。
数字电视的这个特性目前被低调处理。夸大其辞的宣传回避了压缩损伤这一事实。宣传者告诉我们，数字化意味着不再有噪音和重影，数字化就是高质量,而没有强调这仅仅是针对全比特信号而言。实际上数字化在音频和视频上都有压缩失真，但我们不知道会到什么程度，因为现在还没有一个客观质量测量标准或者行为准则。但可以肯定的是我们更应该注重它，以求达到更高的演播室质量。而不是只会通过降低比特率来节省资金。
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