數(shù)字化圖像無線傳輸對圖像質(zhì)量的影響

【摘要】無線方式傳播的電磁波在傳輸過程中受到時空等客觀條件制約，圖像質(zhì)量受到一定影響。本文簡要闡述了圖像無線傳輸中電磁波信號各種衰落情況，介紹了減少傳輸對圖像質(zhì)量影響的方法，以期為同行提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】無線傳輸；圖像質(zhì)量；電磁波；衰落

1.引言

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，人們能夠利用圖像信息采集的掃描技術(shù)，對相關(guān)圖像信息進(jìn)行模擬化處理，然后把連續(xù)色調(diào)的模擬圖像轉(zhuǎn)變成電子信號，經(jīng)采樣量化后轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，即圖像的數(shù)字化處理。

當(dāng)模擬視頻技術(shù)與現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并基于圖像的數(shù)字化以及壓縮加密、實時控制、無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)燃夹g(shù)，將模擬攝像機(jī)采集的視頻信號數(shù)字化并壓縮加密后，通過編解碼器、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，用戶就可以觀看實時圖像。但是，經(jīng)過傳輸?shù)臄?shù)字化實時圖像夠清楚嗎？即數(shù)字化圖像無線傳輸?shù)膱D像質(zhì)量。

1.電磁波傳輸中影響因素

建筑物、樹木、車輛等對無線方式傳播中的電磁波有相當(dāng)?shù)恼系K作用。在遇到上述障礙物后發(fā)射的電磁波會發(fā)生衍射、反射或散射等現(xiàn)象，接收機(jī)端接收到的信號，因此而疊加了各種各樣的干擾信號，造成了許多影響：

⑴在超過很多倍波一長的距離的情況下，遠(yuǎn)場平均功率會隨著距離增大而減小，它減少的速率應(yīng)大于d2。

⑵在同樣超過很多倍波長的相對遠(yuǎn)距離的情況下，實際接收功率會在平均功率上下隨機(jī)變化。此時，一個很不錯的近似假設(shè)就是功率以分貝（dB）為單位，服從均值為平均功率的正態(tài)分布或高斯分布，數(shù)位方差在6dB到IOdB范圍內(nèi)。此時得到的功率概率分布就會被稱為對數(shù)正態(tài)分布。這兩個影響實際接收功率和遠(yuǎn)場平均功率，一般表現(xiàn)的為在相對遠(yuǎn)的距離下大尺度衰落發(fā)生的變化。

⑶在距離很近時，在波長的范圍內(nèi)可以測得的信號將會大幅度變化。對于在移動的接收機(jī)，小距離內(nèi)信號發(fā)生的較大變化是快速發(fā)生的信號的變化，信號的變化速率與接收機(jī)的移動速率為正比例關(guān)系。此種小尺度的信號變化，是由于多路的接收信號合并而成的有益或有害的相位干擾造成的，此種現(xiàn)象涉及到了多徑衰落。

2.電磁波信號陰影衰落

2.1信號陰影衰落與原因

⑴信號陰影衰落

建筑物、樹林、山丘等大型物會阻擋、障礙電磁波的傳播路徑，會造成起伏的電磁波，造成電波大片的陰影區(qū)域，使得信號的場強(qiáng)中值緩慢變化，從而引起衰落。被稱為陰影慢衰落。氣象狀況的改變，使得途徑的電波折射系數(shù)也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，造成同一地點的接收信號場強(qiáng)中值也可能隨時變化。由于在陸地的移動通信中信號場強(qiáng)中值隨時間的改變會遠(yuǎn)小于因地形引起的慢變化，因此，通常會忽略。

陰影衰落反映的是在中等范圍內(nèi)，波長量級為數(shù)百的接收電平均值變化而引起的損耗，其通常遵從對數(shù)正態(tài)分布。

⑵ 慢衰落主要原因：①路徑損耗；②由于障礙物的阻擋產(chǎn)生的電磁波陰影區(qū)；③與移動臺和障礙物的相對速度、電磁波工作頻率、天氣的變化等有關(guān)。

2.2路徑損耗與多徑衰落

⑴路徑損耗

路徑損耗系指在接收和發(fā)射之間的傳播環(huán)境所引入的損耗量。損耗在電磁波在空氣中傳輸時發(fā)生，原因是由于空氣會對信號產(chǎn)生過濾作用，特定的電磁頻率可能會被空氣障礙，產(chǎn)生過濾或完全阻塞現(xiàn)象。大尺度路徑損耗是指有效發(fā)射功率與平均接收功率的差值，是用來測定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的信號平均衰落。其衰落模型主要有布靈頓模型、自由空間模型和EgLi模型等。

⑵多徑衰落

瑞利衰落信道是一種無線電信號在傳播環(huán)境中衰落的統(tǒng)計模型。此種模型是假設(shè)信號在通過了無線信道之后，其信號的幅度會是隨機(jī)的，此種現(xiàn)象即“衰落”。此信道模型可以描述由對流層和電離層反射的短波信道和有密集建筑物的城市環(huán)境。

在無線通信環(huán)境中，經(jīng)過折射、散射、反射等多種路徑傳播的電磁波到達(dá)接收機(jī)后，其總信號強(qiáng)度將服從瑞利分布。同時又因為接收機(jī)移動和其他的原因，信號相位和強(qiáng)度等等特性又有起伏變化。若接收到的信號之中除經(jīng)折射、散射、反射等方式傳來的信號之外，還有從發(fā)射機(jī)直接傳送到接收機(jī)的信號，則總信號強(qiáng)度將服從萊斯分布。

多路信號傳送到接收機(jī)的時間一般情況下有先后，也就是有相對的時間延遲。若這些相對時延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個字符的時間，多路信號基本不會造成字符間的干擾。此種信道的頻率響應(yīng)在有用頻段內(nèi)由于是平坦的，此種衰落被稱為平坦衰落。

與之相反，如果多路信號間的相對時延與一個字符的時間相比較不能被忽略，則當(dāng)多路信號相互迭加時，不同時間的字符就將被重疊在一起，這樣就會造成符號間干擾。此種信道的頻率響應(yīng)在有用頻段內(nèi)由于是不平坦的，此種衰落被稱為頻率選擇性衰落。

慢與快衰落，常指的是信號與一個字符時間相比較其變化的快慢。若在一個字符的時間里，信號變化不大，則可認(rèn)為是慢衰落。相反，若在一個字符的時間里，信號存在明顯變化，則可認(rèn)為是快衰落。

對于存在了能夠散射無線電信號的大量障礙物，這樣的無線傳播環(huán)境能夠被瑞利衰落有效的描述。若在傳播環(huán)境中有足夠多的散射，那么激勵信號被接收機(jī)接收后會表現(xiàn)為多個獨立的隨機(jī)變量疊加的方式。

若是此散射信道之中沒有主要的信號分量，這一條件通常是特指沒有直射信號，那么可以得到此過程的均值為0，并且相位服從[0，2p]的均勻分布。即是信道響應(yīng)的包絡(luò)或是能量將服從瑞利分布。若是信道中有主要分量，如直射信號，那么信道響應(yīng)的包絡(luò)將服從萊斯分布，而相對應(yīng)的信道模型即為萊斯衰落信道。

通常會將信道增益用等效基帶信號來表示，即用一個復(fù)數(shù)來表示信道的相位和幅度特性。即瑞利衰落就能夠用此種復(fù)數(shù)來表示，其實部和虛部將服從均值為零的獨立分布高斯過程。

接收端和發(fā)射端間相對運動的速度大小與信道衰落的快慢相關(guān)。這種相對運導(dǎo)致了接收信號多普勒頻移效應(yīng)。例如一瑞利衰落信道其多普勒頻移的最大分別是l0Hz和100Hz，載波頻率GSM1800MHz，它相對應(yīng)的移動速度分別是6km/h和60km/h。須特別注意的是信號“深衰落”的現(xiàn)象，此時的信號能量衰減可達(dá)數(shù)千倍，即是30-40dB。

3.數(shù)字化圖像無線視頻傳輸?shù)挠绊?/p>

因為衰落現(xiàn)象造成了無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬與頻率資源更為有限，所能達(dá)到的帶寬遠(yuǎn)低于有線網(wǎng)絡(luò)。由于公共移動通信網(wǎng)絡(luò)其單個終端的有效帶寬相當(dāng)有限，往往需要同時承載語音、數(shù)據(jù)等傳輸業(yè)務(wù)，高帶寬的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)易發(fā)生丟包，而且可用帶寬經(jīng)常發(fā)生波動。無線信道的誤碼率比較高。特別是當(dāng)終端設(shè)備處于移動狀態(tài)時，可用帶寬和誤碼率指標(biāo)有較大幅度下降。如此必將影響視頻圖像的傳輸質(zhì)量。

4.減少傳輸對圖像質(zhì)量影響的方法

4.1錄像文件質(zhì)量

錄像本身文件質(zhì)量是至關(guān)重要的，因此在采集信號時，主要關(guān)注的是源視頻采集和被測視頻采集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的錄像文件質(zhì)量。

①將制作好的AVI格式的視頻源在測試計算機(jī)上存成相應(yīng)的文件名及存在相應(yīng)的路徑上。

②將制作好的視頻源通過DVD播放機(jī)輸出到W-NVS的輸入端，然后由W-NVS編碼后通過其無線發(fā)射模塊發(fā)送到其接收服務(wù)器上，再通過其管理軟件進(jìn)行錄像采集，錄像格式應(yīng)設(shè)定為AVI格式，將有用的視頻保留下來并存成已設(shè)定好的文件名。

4.2分辨力、分辨率、峰值信噪比和幀率

視頻分辨力是對一幀等寬黑白相間的線條圖像，能分辨其黑白線條最小寬度的能力。對于分辨力的測試主要是依靠測試人員主觀的判斷，因此，必須要由測試人員觀察得到。

分辨率是一幀圖像能被人眼分辨出的像素數(shù)。表示經(jīng)過W-NVS編碼-傳輸-解碼后視頻的清晰度，反映了是否有像素丟失的情況。

峰值信噪比是參考視頻的數(shù)字信號在壓縮前的信號能量與對其進(jìn)行壓縮一解壓后失真視頻的數(shù)字信號的能量之比。其數(shù)值表示了在此過程中視頻被加入了多少噪聲，與源視頻文件相比的色彩還原性，有無失真等情況。

幀率指圖像序列中每秒所包含的圖像幀數(shù)。此測試指標(biāo)能夠反映經(jīng)W-NVS傳輸后得到的視頻的連續(xù)性，是否存在丟幀的現(xiàn)象。

4.3設(shè)計、制作視頻源與測試軟件

由于沒有成型的視頻源，需要分別制作相應(yīng)的視頻源以完成對其的測試工作，即：a.分辨力視頻源；b.分辨率及幀率視頻源；c.峰值信噪比視頻源。在視頻測試圖設(shè)計完成后進(jìn)行合成。

測試軟件設(shè)計主要有：視頻預(yù)處理、幀率測試、分辨率測試、峰值信噪比的測試等。

參考文獻(xiàn)

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