模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)視頻圖像質(zhì)量影響分析

程志洪，高玉平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

數(shù)字媒介與傳統(tǒng)媒介相比，其本質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字媒介可以遠(yuǎn)距離傳輸或長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)而不損失質(zhì)量。攝像機(jī)輸出地視頻信號(hào)屬于模擬信號(hào)，在時(shí)間上和幅度上都是連續(xù)的，這樣的信號(hào)如果要進(jìn)行傳送、存儲(chǔ)或者計(jì)算機(jī)處理，首先需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換作為視頻采集電路的重要部分，容易受到多方面的干擾，由此引入的噪聲直接會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。如何減少噪聲干擾、提高圖像質(zhì)量是視頻采集電路設(shè)計(jì)中主要考慮的問(wèn)題。

1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)從方法上可分為主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法，前者憑借實(shí)驗(yàn)人員的主觀感知來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)象的質(zhì)量;后者根據(jù)模型給出的量化指標(biāo)，模擬人類視覺(jué)系統(tǒng)感知機(jī)制衡量圖像質(zhì)量。

1.1 單刺激評(píng)價(jià)方法

單刺激評(píng)價(jià)方法是常規(guī)的主觀評(píng)價(jià)方法的一種，主要依靠人眼主觀視覺(jué)效果來(lái)判斷，即觀察者依據(jù)自己的感覺(jué)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體實(shí)施起來(lái)就是在一定的光照、視距和分辨率大小等條件下，由一組專家和非專家觀察者分別對(duì)所評(píng)價(jià)的同一圖像進(jìn)行打分，然后按照一定的規(guī)則得出一個(gè)總的評(píng)價(jià)結(jié)果。這種通過(guò)取所有觀察者的平均評(píng)價(jià)分來(lái)確定圖像質(zhì)量等級(jí)的方法叫主觀質(zhì)量評(píng)分法。多年來(lái)，它已被公認(rèn)為圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中最可靠的方法。國(guó)際上常用的評(píng)價(jià)方法包括單刺激方法、刺激比較法、單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)法和雙刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法等。其中單刺激方法簡(jiǎn)單可行、易于操作，在工程上采用較多。單刺激方法僅對(duì)壓縮后的圖像進(jìn)行評(píng)測(cè)，采用的質(zhì)量和損傷評(píng)價(jià)尺度如表1所示。對(duì)多數(shù)工程圖像應(yīng)用，一般主觀評(píng)測(cè)應(yīng)達(dá)到4級(jí)以上才能滿足要求。

表1 質(zhì)量和損傷評(píng)價(jià)尺度

主觀評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果通常能夠較好地反映圖像的實(shí)際質(zhì)量，但主觀評(píng)價(jià)方法在實(shí)施過(guò)程中存在很多問(wèn)題。比如評(píng)價(jià)過(guò)程消耗的時(shí)間長(zhǎng)，主觀分?jǐn)?shù)受到觀察者自身素質(zhì)、情緒以及測(cè)試環(huán)境的影響而不穩(wěn)定，評(píng)價(jià)所花費(fèi)的費(fèi)用較高，不易實(shí)現(xiàn)，處理過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。目前圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果主要用來(lái)衡量各種客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)與人類主觀視覺(jué)的符合程度。

1.2 峰值信噪比評(píng)價(jià)方法

圖像質(zhì)量的的客觀評(píng)價(jià)方法是利用數(shù)學(xué)模型的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有快速、穩(wěn)定和易量化的特點(diǎn)。在圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法中，最常用的是圖像逼真度的度量，計(jì)算退化圖像與原始圖像之間的統(tǒng)計(jì)誤差。若誤差越小，從統(tǒng)計(jì)意義上來(lái)說(shuō)退化圖像與源圖像的差異越小，圖像的逼真度就越高，獲得的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)也就越高。常用的客觀評(píng)價(jià)方法有均方誤差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)和信息熵等評(píng)價(jià)方法。其中應(yīng)用最廣泛的評(píng)價(jià)方法是峰值信噪比，其計(jì)算公式為:

式中，N為圖像中像素的總個(gè)數(shù);Pi，src為源圖像中的像素值;Pi，rec為降質(zhì)圖像中的像素值;L為像素值的動(dòng)態(tài)范圍。雖然客觀評(píng)價(jià)方法看起來(lái)簡(jiǎn)單直觀，數(shù)學(xué)表達(dá)式嚴(yán)格，但是其表示往往和人的主觀感受效果不一致。其中均方誤差法和峰值信噪比法都是一種統(tǒng)計(jì)誤差，從總體上反映原始圖像和失真圖像差別的。

對(duì)于8 bit采樣系統(tǒng)，PSNR理論值可達(dá)48 dB。當(dāng)PSNR值大于42 dB時(shí)，圖像質(zhì)量非常好，很難看出原始圖像和采集后的圖像的差別。而當(dāng)PSNR值為36 dB時(shí)，圖像質(zhì)量較好，但可以看出壓縮痕跡，圖像的細(xì)節(jié)信息會(huì)有損傷。

2 引起圖像降質(zhì)的因素分析

2.1 視頻全電視信號(hào)

逐行倒相(PAL)制彩色電視視頻全信號(hào)由一個(gè)亮度信號(hào)和一對(duì)色度信號(hào)混合形成，這一對(duì)色度信號(hào)是由2個(gè)色差信號(hào)ER－Y和EB－Y以抑制載波的振幅調(diào)制方式，分別調(diào)制相差90o的2個(gè)同頻副載波而的。全信號(hào)用下式表示:

亮度信號(hào)的組成為:

式中，E'R、E'G、E'B為經(jīng)過(guò)γ預(yù)校正后的三基色信號(hào)。

色度調(diào)制信號(hào)的組成為:

2.2 量化噪聲分析

視頻采集流程如圖1所示，輸入的視頻信號(hào)首先進(jìn)行模擬處理，模擬處理電路包括箝位電路、放大電路和濾波電路;模擬處理后送A/D采集電路，然后把采集的數(shù)據(jù)分別送給亮度信號(hào)處理模塊、色度信號(hào)處理模塊以及同步信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，分離出亮度、色度和同步信號(hào)，然后把處理后的數(shù)據(jù)送給視頻數(shù)字信號(hào)輸出電路，完成數(shù)字視頻信號(hào)的采集。對(duì)視頻數(shù)據(jù)的處理包括亮度信號(hào)、色度信號(hào)、同步信號(hào)和視頻信號(hào)編碼等處理，這類處理不影響圖像質(zhì)量，而模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和放大濾波等模擬處理會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖1 視頻采集流程

A/D轉(zhuǎn)換會(huì)帶來(lái)量化誤差，可以認(rèn)為A/D轉(zhuǎn)換引起的量化噪聲是均勻分布，分布函數(shù)為:

量化噪聲平均功率為:

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮算法采用的精度都是8位;工程上采用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片的最大誤差為±2，取 q=4，L=255 ，用式(7)計(jì)算，這時(shí)的 PSNR值為45.6 dB。圖像質(zhì)量較好，由此可見 A/D采樣器件本身給圖像質(zhì)量帶來(lái)的影響很小。

2.3 數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)干擾

數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾反映在模擬電源和地之間的波動(dòng)變化，也稱為地彈噪聲。這個(gè)噪聲可以認(rèn)為直接疊加在輸入信號(hào)上，測(cè)出電源的波動(dòng)變化，可以估算地彈噪聲造成的影響。可以用峰值信噪比計(jì)算干擾電壓對(duì)圖像質(zhì)量的影響。實(shí)際的電源干擾電壓很復(fù)雜，嚴(yán)格計(jì)算很困難。可以做一些等效，簡(jiǎn)化計(jì)算，假定測(cè)得的噪聲電壓范圍是32.76 mV，均勻分布。視頻信號(hào)幅度為700 mV，對(duì)應(yīng)量化值是255，量化電平是2.73 mV。用沒(méi)有干擾的視頻信號(hào)采集后的值作為參考值，用干擾后的視頻信號(hào)的A/D采集電壓值作為測(cè)試值進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算時(shí)不考慮A/D精度的影響。噪聲干擾模型如圖2所示。

圖2 噪聲干擾模型

由式(8)得:

由式(9)可以看出，地彈噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響較大，使峰值信噪比下降。主觀觀測(cè)，地彈噪聲主要影響圖像的清晰度，當(dāng)噪聲干擾較大時(shí)，圖像變的模糊。

3 改善圖像質(zhì)量的解決措施

針對(duì)上述分析可知，數(shù)字信號(hào)對(duì)圖像質(zhì)量有嚴(yán)重影響。數(shù)字電路在同步時(shí)鐘作用下工作，當(dāng)內(nèi)部電路發(fā)生切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流時(shí)，芯片封裝與電源平面之間的寄生電感、電容和電阻引發(fā)的電源噪聲以及較大的電流涌動(dòng)而在電源與接地面之間產(chǎn)生大量地彈噪聲，這個(gè)噪聲就對(duì)模擬電路電路產(chǎn)生影響。為了減少干擾，可采用下列措施:

①盡量使用單獨(dú)的電源接地層，并讓電源層和地平面層盡量接近，以降低電源的電感和電阻，合理分配電源接地層，要考慮不同電源之間的電位差及接地類型。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，通過(guò)地平面設(shè)計(jì)和電源平面設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)重要功能:為數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的參考電壓;為所有的邏輯器件分配電源;控制信號(hào)之間的串?dāng)_。

②合理設(shè)置布線層和布線間隔，減小并行信號(hào)長(zhǎng)度，縮短信號(hào)層與地面層的距離，增大信號(hào)線間距。

③增加電源/地的芯片管腳數(shù)，降低封裝中的電源和地的電感，縮短管腳接地引線長(zhǎng)度。

④增加電源旁路電容，給高頻的瞬變交流信號(hào)提供低電感的旁路。集成電路的去偶電容應(yīng)盡量靠近芯片電源腳，使之與電源和地之間形成回路最短。

⑤數(shù)字地平面和模擬地平面采用橋型連接。數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)之間應(yīng)設(shè)立隔離區(qū)，對(duì)模擬信號(hào)應(yīng)進(jìn)行隔離保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

PAL制視頻圖像是模擬信號(hào)，首先需要通過(guò)A/D采集電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過(guò)分析可以看出，A/D芯片采集精度不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成明顯影響，但地彈噪聲會(huì)對(duì)模擬電路產(chǎn)生影響，進(jìn)而使圖像質(zhì)量受影響。用客觀評(píng)測(cè)，地彈噪聲可以使峰值信噪比降低;主觀評(píng)測(cè)，可以圖像清晰度降低。因此在進(jìn)行圖像處理電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取各種措施，減少地彈噪聲的影響。 ■

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