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視頻信號數(shù)字化處理后所帶來的信號損傷和畸變的種類及特點(diǎn)
視頻信號數(shù)字化處理后所帶來的信號損傷和畸變的種類及特點(diǎn)
電視信號數(shù)字化處理需要三個(gè)步驟，即：取樣、量化和編碼，下面就各個(gè)步驟來分別介紹它們給視頻信號帶來的損傷。
一 取樣過程產(chǎn)生的信號損傷
在取樣的過程中對信號造成的損傷主要有：孔闌效應(yīng)、混疊效應(yīng)、過沖和振鈴。為了說明這些損傷所產(chǎn)生的原因，我們在以下敘述中給出分析結(jié)果。
取樣是指用每隔一定時(shí)間的信號樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號，也就是在時(shí)間上將模擬信號離散化。根據(jù)奈奎斯特取樣定理：對于最大頻率為fm的信號f(t)，當(dāng)取樣頻率fs不低于2fm時(shí)，由截止頻率為fm矩形低通濾波器可以從取樣信號中完全恢復(fù)原信號。但實(shí)際的物理過程與數(shù)字模型有不同的工程結(jié)果。
1. 孔闌效應(yīng)
在數(shù)學(xué)模型的理想化狀態(tài)下理想的取樣脈沖寬度為無窮窄，取樣情況及其頻域情況如圖一所示，但在實(shí)際設(shè)備中取樣脈沖只能是有限寬度的脈沖，它的取樣情況及其頻域情況如圖一所示，很顯然具有不等于零的實(shí)際的有限寬度的取樣脈沖所引起的孔闌效應(yīng)會產(chǎn)生高頻衰落。
由于信號的高頻部分反映的是視頻圖象的細(xì)節(jié)，因此高頻衰落會導(dǎo)致視頻畫面的細(xì)節(jié)模糊。針對這種情況實(shí)際工程中一般采用在將數(shù)字信號恢復(fù)成模擬信號以后通過提升高頻的辦法對這種失真進(jìn)行補(bǔ)償和校正。 一般來講,由于取樣信號的頻率fs必須滿足fs>2fm,而為了減少孔闌效應(yīng)要求取樣脈沖的寬度τ盡量小,因此要滿足τ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于取樣信號的周期T,即取樣信號的脈沖寬度要滿足1/τ>>2fm。
2．混疊效應(yīng)
在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足奈奎斯特定理在取樣之前應(yīng)使用截止頻率為取樣頻率一半的濾波器對原信號進(jìn)行濾波，濾除可能產(chǎn)生頻譜混疊的高頻成分，以保證新處理的信號是一個(gè)有限帶寬的處理信號。理想低通濾波器特性如圖二所示，但實(shí)際的低通濾波器性能如圖三所示，因此為了盡量濾除大于1/2fc的頻率成分，就要選擇多階濾波器。如果濾波器的階數(shù)不足以達(dá)到濾除1/2fc以上的高頻分量，會引起恢復(fù)的信號中頻譜混疊效應(yīng)�；殳B效應(yīng)在視頻圖象上表現(xiàn)為一種被稱為morie的漣漪狀的干擾。
3．過沖和振鈴
在保證有效的消除混疊效應(yīng)時(shí)，在上述情況已建議采用多階濾波器以滿足濾波器的帶外特性，但是取樣前的低通濾波器如果階數(shù)太大，會引起過沖和振鈴從而造成恢復(fù)的視頻信號過渡的邊沿不清晰。
針對以上兩種信號損傷造成的矛盾，主觀上選用階數(shù)少的濾波器會有利一些，因?yàn)轭l譜混疊效應(yīng)只有在圖象有超過二分之一取樣頻率以上分量時(shí)，特別是有單頻分量時(shí)才會明顯感覺到，因此是偶發(fā)事件。但過沖和振鈴效應(yīng)卻是只要有過渡邊沿就回出現(xiàn)的經(jīng)常性現(xiàn)象。因此就主觀感覺來說，減少過沖和振鈴留有一些混疊相對來講更有利一些。一般工程上出于平衡考慮取樣頻率選為fc=(2.2---2.5)fm。
另外為克服這一矛盾的方法是采用過抽樣方式，即在抽樣時(shí)用兩倍抽樣頻率抽樣，這時(shí)頻譜按兩倍抽樣頻率周期重復(fù)，重復(fù)頻譜中心頻率之間的間隔比正常情況大一倍，如圖四所示。這時(shí)抽樣前的濾波相對簡單，可以用階數(shù)少、頻率特性緩降的無振鈴濾波器，然后在數(shù)字域用線形相位濾波器進(jìn)行二分之一抽取濾波器恢復(fù)到原抽樣頻率樣值。另外，在此過程中，取樣頻率增加了一倍，因此取樣脈沖的寬度只有原來的一半，從而也起到了減少孔闌效應(yīng)的作用。
二 量化誤差所帶來的信號損傷
取樣過程是把模擬信號變成了時(shí)間上離散的脈沖信號，量化的過程則是進(jìn)行幅度上的離散化處理。因此在時(shí)間軸的任意一點(diǎn)上量化后的信號電平與原模擬信號電平之間在大多數(shù)情況下總是存在有一定的誤差，量化所引入的誤差是不可避免的同時(shí)也是不可逆的，由于信號的隨機(jī)性這種誤差大小也是隨機(jī)的，這種表現(xiàn)類似于隨機(jī)噪聲效果，具有相當(dāng)寬度的頻譜，因此我們又把量化誤差稱為量化噪聲。但量化誤差與噪聲是有本質(zhì)的區(qū)別的，因?yàn)槿我粫r(shí)刻量化誤差是可以從輸入信號求出的，而噪聲與信號之間則沒有這種關(guān)系。
降低量化誤差的方法最直接的就是增加量化級數(shù)減小最小量化間隔，但由此帶來碼率的增加從而要求更大的處理帶寬，一般現(xiàn)在的視頻信號均采用8比特、10比特，在信號質(zhì)量要求較高的情況下采用12比特量化。此外，我們在設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)的時(shí)候，可以考慮在系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)采用不同的比特量化，使得在系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的量化級相互錯(cuò)開，從而避免量化噪聲累積效果所產(chǎn)生的臺階效應(yīng)，這種均衡的效果可以改善整個(gè)系統(tǒng)的量化失真。一般量化比特高的環(huán)節(jié)應(yīng)該放在系統(tǒng)的前端，這樣可以使系統(tǒng)的前端對信號造成的不可恢復(fù)損傷減小到最低限度。
為了減小量化誤差我們還要正確的選擇量化方式。量化有兩種量化方式，一種是取整時(shí)只舍不入，此時(shí)產(chǎn)生的量化誤差總是負(fù)的，最大量化誤差等于兩個(gè)相鄰量化級的間隔d；另一種是取整時(shí)有舍有入，此時(shí)量化誤差有正有負(fù)，量化誤差的絕對值最大為1/2d。因此為了減少量化誤差，應(yīng)該采用有舍有入量化方式。
1．輪廓效應(yīng)
如果信號兩個(gè)相鄰量化電平相差較大，若在圖象面積較大的范圍內(nèi)，視頻信號緩變區(qū)（如漸變的藍(lán)天）能夠看出不連續(xù)的跳變，即會在圖象緩變區(qū)出現(xiàn)從一個(gè)量化電平到另一個(gè)量化電平之間的輪廓線，實(shí)際上就是圖象的等量化電平線。這種輪廓線是原圖象所沒有的，所以又稱為偽輪廓，即輪廓效應(yīng)。
一種簡單而有效的消除輪廓效應(yīng)的方法是利用隨機(jī)的高斯噪聲信號發(fā)生器產(chǎn)生顫動信號，疊加到被量化的信號當(dāng)中，當(dāng)顫動信號的均方根值大于1/3d時(shí)人們便覺察不到輪廓效應(yīng)的存在。在數(shù)字電視中使用最多的顫動信號是重復(fù)頻率為取樣脈沖的一半，峰-峰幅度為1/2d的方波，具體步驟如圖五所示。
圖五 高頻顫動的效果
由圖五比較可以看出，疊加顫動信號的效果等效于將量化間隔由d減小到1/2d，或者說將量化級數(shù)提高了一倍（比特?cái)?shù)由n提高到n+1），從而改善了輪廓效應(yīng)。順便指出，由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換中的取樣、量化都屬于非線形過程，難以避免會出現(xiàn)差拍干擾，采用疊加顫動信號的方法對于消除圖象中的差拍干擾也同樣有效。同時(shí)由于顫動信號的幅度小，頻率高，并未對圖象細(xì)節(jié)造成顯而易見的損傷。
2．顆粒雜波
如果最小量化電平不夠小，則圖象較弱信號的緩變區(qū)可能會出現(xiàn)在鄰近的兩個(gè)量化電平之間產(chǎn)生由于四舍五入法則而造成的跳變，使得圖象在這個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀的雜波，而人的視覺對圖象弱信號緩變區(qū)的噪聲則是非常敏感的。
為了克服均勻量化時(shí)這種大信號時(shí)信噪比有余，而小信號時(shí)信噪比不足的特點(diǎn)，我們可以采用小信號時(shí)量化級間寬度小而大信號時(shí)量化級間寬度大些的非均勻量化，又叫非線形量化。值得說明一點(diǎn)，數(shù)字?jǐn)z象機(jī)信號處理大多數(shù)采用非均勻量化方式，這是由于攝象機(jī)中的光-電轉(zhuǎn)換至電視機(jī)顯象管中的電-光轉(zhuǎn)換在內(nèi)的整個(gè)電視信道必須保持線形，但是實(shí)際的電視系統(tǒng)在沒有校正之前是非線形的，因此為了使最終顯示出來的光像保持良好的線形關(guān)系，在攝象機(jī)單元必須對它進(jìn)行校正，即γ校正。而γ校正類似于非線形量化特性，因此我們可以在量化過程中采用非均勻量化方式，在提高小信號信噪比的同時(shí)也滿足了γ校正的要求。
另外，由于在實(shí)際的信號中，弱信號出現(xiàn)的概率是很大的，為了改善弱信號時(shí)的的量化信噪比，可以采用壓縮擴(kuò)張的編解碼方法。在量化之前，先利用非線形器件將信號電平高的部分進(jìn)行壓縮，然后對壓縮過的信號進(jìn)行量化，解碼后復(fù)原出的模擬信號再通過非線形器件對大幅度信號進(jìn)行擴(kuò)張恢復(fù)沒壓縮之前的比例關(guān)系，這種方法相對擴(kuò)大了小信號的動態(tài)范圍，等效于對小信號采用量化間隔小的細(xì)量化而大信號采用粗量化，從而改善了弱信號的量化信噪比。
三 壓縮編碼所帶來的信號損傷
數(shù)字電視信號數(shù)碼率太高,數(shù)據(jù)量非常大。如果直接存儲和傳輸不但開銷很大，而且有時(shí)設(shè)備也承受不了如此大的負(fù)荷。壓縮編碼以壓縮信源數(shù)碼率為目的，盡量減少信源各符號的相關(guān)性，使信源的傳輸效率提高。當(dāng)然，它是以犧牲圖像質(zhì)量為前提。必定會對信號造成一定的損傷。
下面針對幾種常用的圖像壓縮方式，來看一下他具體會對信號帶來什么樣的損傷呢？
（一） 差值脈沖編碼（DPCM）
電視圖像基本上是由面積較大的像塊（如藍(lán)天，大地，服裝）組成。雖然每個(gè)像塊的幅值各不相同，但像塊內(nèi)各樣值的幅度是相近或相同的。換句話說，相鄰象素之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。我們就可以利用這些相關(guān)性對當(dāng)前的像素進(jìn)行預(yù)測。再利用預(yù)測值得到差值。這樣在很大的程度上降低了信源的冗余度。這種壓縮方法對視頻信號會產(chǎn)生以下問題：
1 由于在當(dāng)前差值中包括當(dāng)前的量化誤差，而輸出的前一樣值又包括前一樣值的量化誤差，這就造成了量化誤差的積累。而誤差會傳播，這就使信號抗通道誤碼能力減弱。
2 邊緣清晰度臨界。 根據(jù)DPCM編碼思想，當(dāng)被預(yù)測值處于圖象突變邊緣時(shí)，往往會導(dǎo)致錯(cuò)誤預(yù)測或產(chǎn)生較大的預(yù)測誤差。致使邊緣清晰度臨界。如：邊緣為黑白突變，被預(yù)測值為x ，x1 x2 x3 x4 x5為已知值，由DPCM編碼可得
進(jìn)行水平一維預(yù)測 x=x1=0 產(chǎn)生錯(cuò)誤預(yù)測
進(jìn)行二維預(yù)測 x=x1+(x4-x5)/2=1/2 產(chǎn)生較大的預(yù)測誤差
（二） 變換編碼
變換編碼首先對圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行某種形式的正交變換，并對變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。正交變換的種類很多，比如人們熟知的傅立葉變換，沃爾什哈達(dá)碼變換，哈爾變換，斜變換，余弦變換，正弦變換，K--L變換。
變換編碼中較常用的是離散余弦變換DCT，它首先將輸入圖象分成若干NXN的圖象塊，對每一小圖象塊進(jìn)行正交變換，從空間域變換到頻域。為了達(dá)到壓縮的目的，對DCT系數(shù)需作量化處理。低頻分量采用較小的量化間隔，量化誤差小，精度高。頻率越高，量化間隔愈大，精度越低。這是因?yàn)楦哳l分量只影響圖象的細(xì)節(jié)，對整塊圖象來講，沒有低頻分量重要。讀取時(shí)采用之字型。這樣的處理給信號帶來的損傷主要表現(xiàn)在：
由于高頻信息的丟失，恢復(fù)圖象中相鄰塊在邊界上產(chǎn)生較為規(guī)則的誤差分布，由于人眼對水平和垂直方向的規(guī)則誤差分布具有特殊的敏感性，使得在主觀感覺上認(rèn)為具有規(guī)則誤差分布的圖象的質(zhì)量明顯降低，從而產(chǎn)生"塊效應(yīng)"。在拍攝一幅綠草如茵的草地中，充斥畫面的草坪隨風(fēng)搖擺時(shí)，一種細(xì)塊狀的閃爍效應(yīng)是這一失真的直觀表現(xiàn)。
（三） 運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測
運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測是一個(gè)有力的工具，以便減少幀間的時(shí)間冗余度，并作為用于DPCM編碼的預(yù)測技術(shù)。運(yùn)動補(bǔ)償概念是以對視頻幀間運(yùn)動的估計(jì)為基礎(chǔ)的。也就是說，若視頻鏡頭中所有物體均在空間上有一位移，那么用有限的運(yùn)動參數(shù)來對幀間的運(yùn)動加以描述。為了做到這一點(diǎn)，畫面一般劃分成一些不連續(xù)的象素塊，對每個(gè)這樣的象素塊，只對一個(gè)運(yùn)動矢量進(jìn)行估算、編碼和傳送。
在MPEG壓縮算法中，運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測技術(shù)用來減少幀間的時(shí)間冗余度，只對預(yù)測誤差畫面（原始畫面與運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測畫面之間的差別）加以編碼。 運(yùn)動補(bǔ)償去除時(shí)間方向的冗余度，最多只能利用前后兩幀圖象間的相關(guān)性，效率不高。而實(shí)際上，尤其是在運(yùn)動緩慢的圖象序列中，在連續(xù)多幀圖象間都存在著很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性。正是由于它固有的缺陷，使得在圖象活動劇烈或低碼率通訊時(shí)，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)。
（四） 混合編碼
以兩種或兩種以上的方法對圖象進(jìn)行編碼稱為混合編碼。我們熟悉的JPEG和MPEG都屬于該種類型。
1 JPEG
JPEG是處理彩色或單色靜止圖象的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。利用它可以獲得較高的壓縮比，并保持較好的信噪比，從而大大節(jié)省圖象存儲空間，降低通訊帶寬。但是編碼過程會使物體在背景中的位置略有移動（即發(fā)生幾何畸變）。另外，高壓縮比場合，JPEG的重建圖象在水平和垂直方向可能有暈圈、幻影，產(chǎn)生"方塊"效應(yīng)。
這不難理解.在JPEG系統(tǒng)中,首先把原始圖像劃分成大小相等的像素塊，然后對圖像塊進(jìn)行離散余弦變換DCT（圖像塊的能量集中到少量的系數(shù)），再利用基于人眼特性的矩陣對變換后得到的系數(shù)矩陣進(jìn)行量化，從而大幅度地壓縮了矩陣系數(shù)，同時(shí)也造成了損失。最后對量化得到的矩陣系數(shù)進(jìn)行無損熵編碼。圖像的重建過程是編碼過程的逆過程。在高壓縮比場合，JPEG的重建圖像在水平和垂直方向出現(xiàn)暈圈、幻影，產(chǎn)生"方塊"效應(yīng)，就是因?yàn)閷υ紙D像進(jìn)行了分塊的DCT變換和量化。如果不分塊或分塊很大而進(jìn)行DCT變換與量化，那么圖像塊中像素能量集中到少量的系數(shù)效果將變的不明顯，即不利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化壓縮，同時(shí)還得使計(jì)算復(fù)雜度增加。這樣一種現(xiàn)象實(shí)際上是離散余弦變換DCT本身的特性所造成的（采用離散正弦變換DST或離散傅立葉變換DFT結(jié)果類似）。
2 MPEG
MPEG壓縮算法中包含兩種基本技術(shù)：一種是基于16X16子塊的運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)，用來減少幀序列的時(shí)域冗余；另一種是基于DCT的壓縮，用來減少幀序列的空間冗余。
較為成熟的MPEG技術(shù)是MPEG1和MPEG2。MPEG1是為適應(yīng)在數(shù)字存儲媒體（如CD-ROM）上有效地存取電視圖像而制定的標(biāo)準(zhǔn)（最高速率達(dá)1.5Mb/s）。它的壓縮技術(shù)基礎(chǔ)為：宏模塊結(jié)構(gòu)、運(yùn)動補(bǔ)償及宏模塊的有條件再補(bǔ)給。MPEG2是MPEG1算法的擴(kuò)展。是為MPEG1最初沒有包括在內(nèi)或未想到的應(yīng)用提供的一種視頻編碼方法。特別是對MPEG2提出的一個(gè)要求，即它所提供的視頻質(zhì)量，不能低于NTSC/PAL，最高應(yīng)可達(dá)到CCIR601質(zhì)量。MPEG2編碼算法的基礎(chǔ)為通用的混合DCT/DPCM編碼方案。
隨著MPEG1和MPEG2的廣泛應(yīng)用，其缺陷也日漸顯露，主要表現(xiàn)在：
（1）現(xiàn)已制定的標(biāo)準(zhǔn)所采用的技術(shù)，當(dāng)碼率很低時(shí)（低于64Kb/s）會產(chǎn)生嚴(yán)重的"方塊"效應(yīng)、"蚊音噪聲"以及"動作失真"。而低碼率要求是移動通訊信道所必須的。
（2）編碼采用了預(yù)測編碼技術(shù)。例如采用基于塊的運(yùn)動補(bǔ)償來去除時(shí)間相關(guān)性。但信號的糾錯(cuò)能力主要依賴其相關(guān)性，特別在條件較差的信道中傳播時(shí)，干擾造成的錯(cuò)誤會迅速沿視頻序列擴(kuò)散。
（3）仍停留在"幀"水平上處理視頻，而無法對視頻比特流內(nèi)的各個(gè)對象（object）單獨(dú)進(jìn)行編碼，解碼及操作。而這種能力正是許多交互式應(yīng)用（如多媒體數(shù)據(jù)庫）所需要的。
雖然電視信號經(jīng)過數(shù)字化處理后會有不同程度的損傷，有些損傷可以修復(fù)，并不影響圖象的最終質(zhì)量，而有些損傷是永久性的，只能通過一些補(bǔ)償措施削弱它的影響，但這并不能影響電視領(lǐng)域向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。因?yàn)榕c電視信號數(shù)字化后所帶來的好處相比，這些經(jīng)過修復(fù)的損傷的影響往往會被人為的忽略。
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