關(guān)于視頻模擬信號(hào)的數(shù)字化和量化

采用數(shù)字傳輸視頻信號(hào)和用計(jì)算機(jī)處理視頻信號(hào),首先要解決的問(wèn)題是將視頻信號(hào)數(shù)字化(它涉及到視頻信號(hào)的掃描、采樣、量化和編碼)。關(guān)于視頻信號(hào)掃描前面已討論過(guò)。在每條水平掃描線(xiàn)上,等間隔地抽取視頻圖像的值,并只處理和傳輸這些采樣值,此過(guò)程稱(chēng)為采樣。采樣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生失真與噪聲,類(lèi)型如下:

根據(jù)香農(nóng)采樣定理,為了能將采樣信號(hào)恢復(fù)到原信號(hào),其采樣頻率f,要求兩倍于最大信號(hào)頻率f。如果采樣頻率fs<2M,則產(chǎn)生混疊現(xiàn)象,從而對(duì)視頻圖像信號(hào)本身產(chǎn)生干擾。為了解決此問(wèn)題,通常采樣前,要對(duì)有噪聲的圖像信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

實(shí)際采樣脈沖并非理想的沖激函數(shù),而是具有一定的寬度,從而會(huì)產(chǎn)生孔徑效應(yīng),使原視頻圖像信號(hào)頻率特性的高頻成分跌落。當(dāng)由采樣值恢復(fù)原視頻圖像信號(hào)時(shí),要求使用理想濾波器,但理想濾波器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此在恢復(fù)視頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,這種噪聲稱(chēng)為插入噪聲。

由于時(shí)鐘信號(hào)在發(fā)送端和接收端間存在相位抖動(dòng),故在恢復(fù)視頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,這種噪聲稱(chēng)為抖動(dòng)噪聲。

經(jīng)過(guò)采樣后的視頻圖像,只是空間上的離散像素陣列,而每個(gè)像素的值仍是連續(xù)的,必須將它轉(zhuǎn)化為有限個(gè)離散值。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為量化。如果像素值等間隔分層量化,則稱(chēng)為均勻量化;若使用非等間隔進(jìn)行分層量化,則稱(chēng)為非均勻量化;若采樣后圖像的亮度序列中的每個(gè)亮度值分別用上述方法進(jìn)行量化,這種量化方法稱(chēng)為標(biāo)量量化;若將圖像亮度序列的每K個(gè)樣點(diǎn)合成一組,形成K維空間的1個(gè)矢量,然后對(duì)此矢量進(jìn)行量化,將它稱(chēng)為矢量量化。

模擬值和量化值間的誤差稱(chēng)為量化誤差或量化失真。在圖像亮度平坦區(qū)域,這種量化噪聲看起來(lái)像顆粒狀,故稱(chēng)為顆粒噪聲,量化帶來(lái)的另一種嚴(yán)重失真稱(chēng)為偽類(lèi)現(xiàn)象。顯然,量化噪聲和偽類(lèi)現(xiàn)象都與量化精度有關(guān),量化越精細(xì),量化噪聲越小,偽類(lèi)現(xiàn)象就不嚴(yán)重。

但這是以增加電平數(shù)為代價(jià)得來(lái)的。最佳量化的目標(biāo)是使用最少的電平數(shù)實(shí)現(xiàn)最小量化誤差。設(shè)計(jì)最佳量化器的方法有兩種,一是客觀的計(jì)算方法,它根據(jù)量化誤差的均方值為最小的原則,計(jì)算出判決電平和量化器輸出的電平值。另一種是主觀準(zhǔn)則設(shè)計(jì)方法,它根據(jù)人眼的視覺(jué)特性設(shè)計(jì)量化器。視頻信號(hào)的數(shù)字編碼視頻信號(hào)是一種有灰度層次的圖像信號(hào),視頻信號(hào)數(shù)字編碼的實(shí)質(zhì)是:在保證一定質(zhì)量信噪比要求或主觀評(píng)價(jià)得分)的前提下,以最少比特?cái)?shù)表示視頻圖像。對(duì)標(biāo)量量化來(lái)說(shuō),通常先對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性PCM編碼,其信噪比與量化比特?cái)?shù)的關(guān)系為:當(dāng)每像素的編碼比特?cái)?shù)每增加或減少1時(shí),其信噪比約增加或減少6dB。

視頻信號(hào)處理是指根據(jù)人的要求對(duì)視頻圖像進(jìn)行某種處理,主要包括：(1)在保證一定圖像質(zhì)量的前提下盡可能壓縮視頻圖像的數(shù)據(jù)量(即視頻壓縮)。由于視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量大,因此其壓縮技術(shù)非常重要,將在第三節(jié)深入討論。(2)消除視頻信號(hào)在產(chǎn)生、獲取和傳輸過(guò)程中所引入的失真和干擾,使視頻信號(hào)盡可能逼真地重現(xiàn)景物。例如使用圖像強(qiáng)技術(shù)和圖像恢復(fù)技術(shù)。(3)根據(jù)上述準(zhǔn)則,盡可能除去視頻圖像中的無(wú)用信息而突出其主要信息。(4)從視頻圖像中提取特征值,從便對(duì)其進(jìn)行描述、分類(lèi)和識(shí)別。

眾所周知,在開(kāi)發(fā)視頻圖像應(yīng)用系統(tǒng)時(shí),遇到的最大障礙是圖像信息量巨大,如何對(duì)巨大數(shù)據(jù)量進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸。例如,一幅640×480中分辨率的彩色圖像(24比特/像素),其數(shù)據(jù)量約為0.92MB,如果以每秒30幀的速度播放,則視頻信號(hào)的數(shù)碼率高達(dá)27.6Mbps。如果存放在650MB的光盤(pán)中,在不考慮音頻信號(hào)的情況下,每張光盤(pán)也只能播放24s,顯然,視頻壓縮技術(shù)是圖像處理的關(guān)鍵。在高清晰度數(shù)碼圖像中,數(shù)字化的視頻數(shù)據(jù)量極大,當(dāng)數(shù)字視頻信號(hào)直接用PCM傳輸時(shí),其數(shù)碼率高達(dá)884.7Mbps。要想在8MH(或6MHz)帶寬內(nèi)傳輸圖像信號(hào),就必須采用高效率的視頻壓縮編碼技術(shù)。

由于圖像所攜帶的信息量遠(yuǎn)大于語(yǔ)音和數(shù)據(jù),因此,決定了圖像通信將成為人類(lèi)最重要的通信手段之一。不久的將來(lái)必然會(huì)出現(xiàn)各種各樣豐富多彩的圖像通信業(yè)務(wù),21世紀(jì)將是圖像通信的世紀(jì)。視頻在圖像通信中最富有魅力和感染力,視頻圖像通信的重要性是不言而喻的,例如,數(shù)碼圖像也將成為人類(lèi)生活的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展,視頻圖像通信的應(yīng)用將更為廣闊和普及。例如,多媒體系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)中的圖像和Email的電子賀卡。