視頻信號(hào)數(shù)字化處理后所帶來的信號(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)樣值序列來代替原來在時(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，在工程上通過采用過抽樣、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)向于通過壓縮來去掉信號(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(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)，還利用了人類視覺對(duì)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(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(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。基于它們所采用的壓縮編碼技術(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(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(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)過來，得到其剩余的不同部分的過程稱為運(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)無損過程。
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(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。可見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(dòng)劇烈或低碼率通訊時(shí)，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(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
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