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
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