数字化视频技术处理的优势及注意问题

尤浩东
1　前　　言

　　近几年随着数字技术的进步与发展，“数字化”这词已经进入了各行各业，以及我们生活的方方面面。我们面临的是一个数字化的时代，而且“数字化”也成了一种时髦。好像只要是数字化了的必定是先进的。有时还成了商业广告的用语，它本身的技术含义到有点模糊了。我们电视视频领域也经受着数字化的急风暴雨，数字化摄像机、数字化录像机、数字化特技台、数字化字幕机。几乎所有的视频设备都已经实现了数字化目标，一个我们梦寐以求的数字化系统似乎已经实现了。

2　数字处理技术在视频领域运用的历史及目标

　　其实数字处理的观点很久以前就提出了，我们早就看到了它具有模拟设备所无法比拟的优势。只不过当时由于集成电路的水平及相关技术都不能很好地满足视频设备数字化处理的要求，而且代价相当昂贵，所以运用非常少，只在模拟设备无法完成的情况下得到少量的运用。如录像机中的时基校正器，数字特技台，因为这些设备需要大量的存储，所以这些设备不得不进行数字处理。由于大部分的视频设备仍然是模拟信号传输，所以这些数字设备内部虽然是以数字化方式进行处理的，但它的外部接口则需要模拟接口。所以当时人们称这种现象为，模拟环境的汪洋中的数字化孤岛。有鉴于这种情况，当信号在进入数字化设备中时就必须进行一次A／D转换，而输出时又要进行一次D／A转换，每次转换都难以避免地会受到一些损失。所以人们希望有一天每个设备都是数字化的，它们之间的连接只是数字信号的连接，不需要A／D、D／A的转换，这将充分发挥数字信号的优势，在传输中不会有信号损失的出现。因为大自然不提供数字信号，我们人体也不接受数字信号，而中间的处理和传输过程都在数字域中进行，所以A／D只在摄像机拾取信号中进行一次，D／A只在我们的显示器中进行一次，才是最合理的。

3　数字处理的目的及优势

　　我们知道数字信号是由0、1两个电平构成的，首先是在传输中我们可以方便地恢复原始信号，可以把传输中引入的噪声滤除掉。这在模拟信号领域中是根本无法做到的。我们知道磁带记录和传输有着相似的过程，数字处理的优点可以使记录与重放不引入噪声，这就意味着多代复制性能将不会受到信噪比下降的限制。还有就是有利于帧存的使用，由于0、1信号能方便地使用电子存储器，使图像信号能做到随机存取，这就使我们实现数字TBC及数字特技台有了可能，而且我们还可以使用先进的计算机处理技术对数字信号进行一些运算及非线性处理，包括在计算机环境下的图像处理及非线性编辑。

　　但数字处理中我们也应注意一些问题，并非数字化后就可以万事大吉。要得到数字化的优势也是有条件的。首先是比特缺失问题。这主要是在数字运算过程中引入的，例如，一个8比特分辨率的信号除以2它的分辨率就将只有7比特，当它再乘以2后信号的幅度好象并没有改变，但它实际上只有7比特的分辨率了，也就是说它应按照7比特量来计算它的量化噪声，这种运算在信号处理过程中经常碰到。又如信号的非线性转换过程也会遇到类似的现象。

　　在这样的交换过程中必定不能做到每一个输入数字电平对应一个不同的输出电平，造成电平的合并，同样会降低信号比特的分辨率，这是摄像机GAMMAR处理的典型过程。这就意味着要引入新的量化噪声。而同样的处理在模拟环境中就没有那么明显的信噪比下降问题。所以我们在前期的处理中要用多比特取样来保证信号在处理过程后的实际比特数，以保证量化噪声达到指标。我们常见的数字摄像机中的14比特量化、特技台中的10比特量化都是非常必要的。其次在数字处理中帧存的使用虽然比较方便，但也给我们带来了另一个问题，这就是信号的延时问题，特别是经过多次帧存处理的情况下。这种延时将十分可观，会造成可以观察到的音画不同步现象。这就应在声音通道上加入相应的延时器加以调整，这在数字系统的设计中应给予足够的重视。

4　没有必要的数字化强调

　　并不是所有的设备都是越数字化就越好，前面我们已经列举了两个数字处理过程中要注意的问题，所以这里想提一下什么样的数字化才是必要的。其实数字化的主要优势是在整个处理过程中带来的，数字化本身并不是什么优点。光就信噪比来看，数字化就会带来量化噪声，要减少它就要增加量化比特数，造成昂贵的代价。在模拟设备中我们也能做到相同的信噪比而不要高昂的代价时，那么这种数字化就没有必要，如果系统中没有过多的信号处理，也不要长距离的传输，数字化就没有必要了，否则就是画蛇添足得不偿失。所以我们并不是为数字化而数字化，应该看是否值得为数字化付出代价。并不是一切数字化了的就是好的，要看数字化后到底给我们带来了什么，是量化噪声还是处理优势。

5　引入数字化压缩的必要

　　纵观数字化的全过程，我们发现人们总是在数字化性能与它所付出的代价中妥协与折衷。技术的先进也必须考虑它的实用价值和商业经济代价。这一点录像机（记录设备）的数字化表现得尤其突出。实际上数字化录像机早就问世，那就是大名鼎鼎的D1格式录像机。但是它的高码流造成庞大的体积、高昂的代价，没有几个电视台能使用它作为录像机的主流格式。它只能在高质量的制作公司中安身立命，当然它的性能是一流的。为了使数字录像机能够普及运用，我们使用了压缩技术，它降低了数码率，磁带的消耗量明显减少，记录设备的体积也明显减小。这很有利于电视台里的使用特别在ENG制作方式中应用。再者数码率的降低同时也开拓了磁盘记录的可能，因为硬盘的记录成本比磁带贵得多，所以它对数码率降低更加敏感。还有引入压缩后对传输通道的需求可以相对地减少，在同样的带宽里压缩后的信号可以多容纳几路，明显降低成本。可见没有数字压缩技术的进步，数字化的步伐将会由于它的高昂代价而步履维艰。所以在数字信号处理过程中引入压缩技术是发展的必然。我们现在主要使用的是M－JPEG和MPEG两种压缩方式（当然还有小波编码及分形编码），前者是帧内压缩，有利于编辑，后者增加了帧间压缩有利于降低数码率。它们的共同特点都是有损压缩，也就是说会对信号的质量带来一定的影响，我们又要在质量与代价间进行折衷。

6　压缩信号的损失

　　我们知道JPEG与MPEG在帧压缩时用的主要是利用图像内部的相关性来去除冗余，并利用人眼对高频信号的不敏感性使用DCT算法并量化这些系数来压缩信号，这里会丢弃一些图像信息。但合理地选择量化系数不会对图像的质量造成过多影响。MPEG则在帧内压缩的同时增加了帧间压缩，它利用了图像帧间的相关性降低冗余，主要运用了运动预测编码及I、B、P帧编码。但是我们在图像处理过程中要对非压缩信号进行处理。如特技台等都必须使信号回到601数字域，这就给我们的信号处理过程带来多次压缩解压缩过程。

　　在第一次压缩时一般信号的损失为最大。如果信号原封不动地进行多次压缩解压缩，以后各次的压缩过程带来的损失将会越来越少。如果信号在解压缩后进行了变化如空间位置有移动，I、B、P帧编码序列有改变，那么每次的压缩都将被视为第一次，这样它所带来的影响将是我们所不愿看到的。

7　减少多次压缩带来的问题

　　所以并非SDI口连接起来就完事了，我们还是要做到图像在空间位置上不要有位移，这样压缩解压缩时就可以减少损失，特别对一些没有自动定位的数字设备尤为重要。这是我们建立数字系统时应特别注意的问题，否则就无法享受到数字(下转47页)(上接59页)化所带给我们的优点，而牵涉到MPEG编码的信号，我们最好在再次编码时还使用第一次的一些压缩信息，使第二次编码的过程能够尽量按前一次的压缩方式进行，以减少多次压缩解压缩产生的不良后果。如果做不到这一点，我们也要事先明白这种数字化处理也是有损失的，也具有类似模拟时代的复制代数问题。那种只要是数字信号就可以多次转换而不受损失的观念其实是一种误解。

8　较理想的方案

　　信号处理前进行一次A／D转换后一直到最后进行一次D／A转换，中间都应该在数字域的范畴内进行处理。在数字域中最好也只进行一次压缩解压缩处理，如果要多次反复，应尽量保留第一次压缩时的处理信息，以便以后每次都能按照前一次的压缩方式来进行。当然这只是一种愿望，实际工作中是不会那么理想的。这也意味着我们目前的数字化技术还未到达最好的境界，只是在目前的技术条件下的一种技术妥协和经济折衷的结果。以后随着技术的进一步发展，网络技术的进一步普及必定有更为美好完善的解决方案。■

摘自　中国CATV