視頻信號數字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點
視頻信號數字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點
電視信號的數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變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化后的值用二進制數字表示，然后轉換成二值或多值的數字信號流。取樣和量化帶來的某些信號損傷多數是因實際工程設備和理想狀態下的物理模型之間無法完全契合而造成的。如：孔闌效應是因為實際取樣脈沖的寬度不為零而產生的一種高頻衰落現象；實際低通濾波器的濾波特性與理想狀態下的不同又會導致過沖和邊緣振鈴現象經常性的出現。還有一些偶發性事件，如：顆粒雜波、輪廓效應等。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、量化后的信號轉換成數字符號，應不存在信號損傷。但隨著壓縮概念和壓縮技術的采用，使得編碼的目的更多的轉向于通過壓縮來去掉信號中的冗余成分，實現壓縮碼率和帶寬，保證信號的有效傳輸。這就必然會產生信號損傷及失真。因此本文重點討論壓縮編碼損傷。
一 壓縮編碼損傷的產生和種類
一般把壓縮編碼過程中產生的損傷分為可恢復損傷和不可恢復損傷。
1、可恢復損傷
編碼僅利用信源各樣值的相關特性，去除電視信號本身的冗余，實現壓縮。雖因舍棄了一部分相關性較強信息而造成了信號暫時性的損傷，但在解碼端，根據相關性又可完全恢復原始數據而不引入任何失真，信號損傷被消除。我們稱這個過程中產生的信號損傷為可恢復損傷。這種損傷不會導致圖像質量下降，因此被認為是無損害的。
采用這種壓縮方式的編碼稱為無損壓縮編碼。但壓縮率受到相關特性和統計冗余度的理論限制，一般小于3.3:1。常用的有Hoffman編碼、差值脈沖編碼（DPCM）、游程編碼和算術編碼等。
2、不可恢復損傷
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，以實現高壓縮。這些信息在解碼端是不能被恢復出來的，因此造成了信號永久性損傷。我們稱該種損傷為不可恢復損傷。它對圖像質量來說是有損害的。特別當幾種不可恢復損傷發生累積后，將會導致圖像質量的明顯劣化。目前這種特性正被多數視頻廠家低調處理，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、不可預計的損傷。基于它們所采用的壓縮編碼技術大同小異，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)算法來去掉幀內及幀間的冗余信息。（2）在時間方向上，圖象數據壓縮采用運動補償(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變換是一個雙向數學過程。它將空間分布的變化程度轉變成重現空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數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變換并沒有減少數據，它本身是無損變換。
對于活動圖像多數情況下只是其中的很少一部分圖像在運動，即使有大范圍的活動部分，前后幀盡管有很大區別，但移動物體本身大多數情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運動了多少就可以在前一幀找到相應圖像的內容。（這個查找過程稱為運動估值，其表達方式是運動矢量；而把前一幀相應的運動部分補過來，得到其剩余的不同部分的過程稱為運動補償。）運動補償的幀間預測就是利用了這種相關性，有效地去除視頻信號在時間方向的重復信息，達到壓縮的目的。該過程產生的損傷只是可恢復損傷，而且幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進行，因此也是一個無損過程。
實際上MPEG編碼的第一層不可恢復的信號損傷是在量化處產生的，損失量標注為D1，如圖。視頻信號經過DCT變換后，較高的空間頻率系數會變得非常細小，而根據人眼的視覺特性，較高的空間頻率系數可以用少量的比特來表示。因此在進行量化處理時對低頻分量采用多比特、小間隔量化，產生較小的量化誤差，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，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、完整數據的前一副圖像。在預測幀幀存中擁有一個根據前一幀和運動矢量所建立的預測的當前幀。輸出是預測的當前幀與實際當前幀相減后的差值。若沒有運動或其它變化，當前幀便可得到完美的預測，差分幀輸出為 0（極易壓縮）。當前一幀和后一幀有點不同時，差分幀仍有少量數據需要壓縮。可見差分幀輸出不為定值。為了維持最終數據流在一個一定的水平上，量化表控制單元會相應決定應如何量化DCT系數（即是用多小比特進行量化），這樣帶來的量化誤差和不可恢復損傷無法預計。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。在恢復圖象中將出現明顯的塊效應和運動物體邊緣的蚊音效應。
第二層損傷在參考幀存處產生，失真量記為D2，如圖。量化處產生的損傷和失真，經反量化反DCT變換并不能被恢復。由此得出的代表前一幅圖像的參考幀就帶有損傷和失真。因此通過運動補償得到的當前幀就達不到完美預測，會帶有不可預計的損傷或失真。
對一個系統內各環節的不均勻失真，其總的作用結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 不可恢復損傷對圖像質量的影響
有損壓縮編碼利用了圖像構造冗余和人類的視覺特性，雖然在編碼過程中有不可恢復的損傷產生，但仍能使經過單一壓縮編碼形式后的圖像質量被人們所接受，并達到了高效傳輸的目的。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行信號傳輸時，必須經過先解碼轉成基帶信號，再編碼的過程，如圖二所示。
在實際工作中，一段素材由采集到最終的播出往往要經過多種不同形式的編解碼轉換。每種編碼的損傷和失真的大小、特性和表現形式都不盡相同。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里，質量隨信號損傷成比例降低。而數字系統里，在適度損傷時，質量還可以保證，隨著損傷不斷增加，質量就大幅度下降。可見，反復編解碼帶來的不可恢復損傷的積累是應該被重視的。
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歷了四次編碼和四次解碼。
對各環節進行圖像質量參數測量，會發現圖像質量逐次降低。損傷逐漸加大。而且在平時工作中常會發現，一些典型的畫面，如：一幅綠草如茵的草地中，草葉隨風搖擺。在經過多次編解碼轉換后，其中細塊狀的閃爍就直觀表現出來。更值得注意的一點，當在某環節混入了可視噪聲，由于噪聲是隨機的高頻信號，在進行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。導致視頻信號的信噪比進一步降低。由于它被認為是原始信息，而且其分布特性是不相關的，因此每經歷一次編解碼后，都會被保留下來。如此反復數次后，圖像質量會明顯劣化。
顯然，目前正面臨一個選擇統一壓縮方式的問題。一個好的數字電視系統應滿足以下基本要求：（1）具有盡可能高的圖像重建質量，在電視臺應用應符合ITU-R601標準，采用4：2：2數字分量格式。（2）具有較高的壓縮效率，在保證圖像質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）盡量采用統一的壓縮方式，減少反復進行壓縮方式轉換帶來的失真。滿足這些要求的最佳選擇應是MPEG-2標準。目前可以看到MPEG-2日益成為主流壓縮標準的趨勢。
三 解決方案 MPEG-2的互連
現有MPEG-2視頻標準的技術規范集包括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，而每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具，當然實現的代價會更高。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，標識從有限清晰度的VHS 質量圖象到HDTV圖象，每一種輸入格式編碼后都有一個相應的范圍。圖五 給出了MPEG-2的級. 類. GOP結構以及相應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。選擇什么樣的格式，既要看合適的適用點，又要考慮合適的碼率。
對于一個采用MPEG-2作為統一壓縮標準的數字電視系統，其中包含信號采集、傳輸分配、后期制作和播出等重要環節。針對每個環節的工作特點，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）各個環節之間仍存在MPEG碼流與基帶信號之間的重復轉換問題。（2）采集和制作須高質量的圖
像并能實現幀內編輯，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準但仍存在不同GOP和碼率轉換問題。以碼率轉換為例，圖七顯示了轉碼所帶來的質量損傷。它們之間的反復轉換同樣會對信號產生一定程度的損傷累積。
顯然，要實現MPEG的互連必須解決以上兩個問題。某些大型廠家已經開始關注這個問題，紛紛提出自己的解決方案。其中比較成熟并應用到成形產品中的方式主要有下面兩種，但均未形成統一標準。
通過同步網絡傳輸MPEG碼流
SDTI-CP (MPEG ES)
DVB-ASI (MPEG TS)
。通過異步網絡（計算機網絡）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，意為基于內容打包的串行數據傳輸接口。它已成為SMPTE 326號標準。設計用于MPEG-2視頻碼流、相關音頻、輔助數據及原數據傳輸。還可用于高速數據和多通道傳輸。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碼流轉換，如果能有一種轉碼設備,通過它可以使前期采集、后期制作和節目播出系統基于不同GOP和比特率的MPEG碼流有效地連接起來，以避免信號進行GOP、比特率重復轉換時，損傷的積累。如何實現呢？我們可以設想一下，這個設備如果能在第一次GOP和比特率轉換時，產生一些歷史記錄，來記錄這次轉換的一些重要參數，并將參數攜帶到下一次的轉換中去，作為下次轉換的參考參數。依此類推。這樣在第一次GOP和比特率轉換時會產生一個對該次損傷的記錄，之后轉換的損傷都將被限制在該范圍之內，有效的避免了損傷不定性的累積。產生的記錄參數應主要有：（1）Picture coding type圖象編碼類型(2)Q-Matrix參數(3)Motion Vector…etc運動矢量參數。而在MPEG的數據格式定義中，恰恰為這種記錄設定了碼元組。下面簡單用圖來表示一下這個過程。
目前，不少廠家已經對此做出了反映，不久的將來相信會有相應的產品推出。這樣就能很好的避免數字電視信號在電視系統各環節之間交換時，因編碼方式不同而造成的編碼損傷的相互累積，實現圖質量的提高。
四 數字化與高質量
圖像質量始終作為評判廣播電視行業的一個重要技術標準。在廣播電視行業逐漸數字化的今天，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量。一個數字傳輸信道，僅僅是簡單地將輸入信號的固有質量傳送到別的地方。對一個工作在約定指標之內的數字信道則完全不必考慮信號的質量問題。即使在一個可能發生缺陷的信道，大多數情況下仍可以采用誤碼校正去修復任何被破壞的比特。
數字電視的這個特性目前被低調處理。夸大其辭的宣傳回避了壓縮損傷這一事實。宣傳者告訴我們，數字化意味著不再有噪音和重影，數字化就是高質量,而沒有強調這僅僅是針對全比特信號而言。實際上數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，因為現在還沒有一個客觀質量測量標準或者行為準則。但可以肯定的是我們更應該注重它，以求達到更高的演播室質量。而不是只會通過降低比特率來節省資金。
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