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視頻信號數(shù)字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點
視頻信號數(shù)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(shù)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(xù)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(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(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制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號流。取樣和量化帶來的某些信號損傷多數(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)是因為實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；實際低通濾波器的濾波特性與理想狀態(tài)下的不同又會導(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(shù)已將損傷減少到最小。
編碼就其本身而言只是將取樣、量化后的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字符號，應(yīng)不存在信號損傷。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中的冗余成分，實現(xiàn)壓縮碼率和帶寬，保證信號的有效傳輸。這就必然會產(chǎn)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(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，去除電視信號本身的冗余，實現(xiàn)壓縮。雖因舍棄了一部分相關(guān)性較強信息而造成了信號暫時性的損傷，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，信號損傷被消除。我們稱這個過程中產(chǎn)生的信號損傷為可恢復(fù)損傷。這種損傷不會導(dǎo)致圖像質(zhì)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(guān)特性和統(tǒng)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(shù)編碼等。
2、不可恢復(fù)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(guān)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(xiàn)高壓縮。這些信息在解碼端是不能被恢復(fù)出來的，因此造成了信號永久性損傷。我們稱該種損傷為不可恢復(fù)損傷。它對圖像質(zhì)量來說是有損害的。特別當幾種不可恢復(fù)損傷發(fā)生累積后，將會導(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。它們均對視頻信號造成了不同程度、不可預(yù)計的損傷。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別每個視頻場或幀中的冗余。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）在時間方向上，圖象數(shù)據(jù)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(shù)學過程。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。
對于活動圖像多數(shù)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(qū)別，但移動物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運動了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)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(yīng)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?shù)膸g預(yù)測就是利用了這種相關(guān)性，有效地去除視頻信號在時間方向的重復(fù)信息，達到壓縮的目的。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(fù)的信號損傷是在量化處產(chǎn)生的，損失量標注為D1，如圖。視頻信號經(jīng)過DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會變得非常細小，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。因此在進行量化處理時對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(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測幀幀存中擁有一個根據(jù)前一幀和運動矢量所建立的預(yù)測的當前幀。輸出是預(yù)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(yù)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(shù)據(jù)需要壓縮�？梢姴罘謳敵霾粸槎ㄖ�。為了維持最終數(shù)據(jù)流在一個一定的水平上，量化表控制單元會相應(yīng)決定應(yīng)如何量化DCT系數(shù)（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(fù)損傷無法預(yù)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(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)和運動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。因此通過運動補償?shù)玫降漠斍皫瓦_不到完美預(yù)測，會帶有不可預(yù)計的損傷或失真。
對一個系統(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(fù)損傷對圖像質(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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