现代电视系统的画面质量测量

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1、现代电视系统的画面质量测量 摘自泰克电子公司技术说明书在视频领域，由观察者的主观检测进行概括的方法是目前检验视频压缩系统发展的主流。随著各种视频压缩方法的不断使用和发展，以及主观检测的复杂性和易变性，我们需要有独立於压缩算法和相关副产物的画面质量评估方法和一种客观的检测仪器。本文解释了所提出的客观检测算法的优点和局限性，说明了实际测量仪器中的客观画面质量评估需要综合传统的视频技术和现代计算机技术。1.压缩电视系统（1）压缩基础对电视视频信号进行压缩有两个原因，即处理速度（带宽）的实际局限性和因所需带宽引起的传输或存储费用。目前，高速半导体和集成电路的使用使得在几乎所有应

2、用中後一个原因变得更为重要。实际上，所有视频压缩的方法均利用了人类视觉系统的局限性，去掉了那些本应展现但又不太容易看到的画面内容。随著广播电视的不断发展，每秒钟50或60幅画面的显示速率被认为是必须的，为了提供足够的视觉信息，每幅画面在每个方向上需要500个显示元素（现在称为像素）。要以模拟形式产生和传输如此的画面序列需要的处理速度和传输带宽达到大约10MHz。这是现有技术很难达到的，而且也超过了现有的无线电频率范围。第一个实际使用的电视广播系统使用二比一的频带降低或压缩，称之为交织。每帧画面分为两场，每场包括一半数量的行，而不是每秒钟发送50至60幅画面。第一场中的行

3、是相间隔的，比方说1、3、5..，第二场中的行则填补了第一场中的空行，见图1。因交织引起的图像衰减以副产物的形式表示出来，称为行间抖动。然而在娱乐节目中如此的图像质量已经令人满意了。十九世纪五十年代，彩色电视问世。一幅彩色画面需要三种色彩图像，指定为发光器件像阴极射线管（如显像管）中的红色、绿色和蓝色（RGB）。在全帧逐行扫描画面的时代，要提供所需的图像率需要30MHz的带宽，15而对於模拟RGB系统来说，使用交织技术可将带宽降低至15MHz。如图2所示，在演播室中信号分别由三根各为5MHz或更大带宽的电缆承载。彩色电视中使用的最基本压缩方案是将三种彩色信号变为彩色差异

4、域，即画面通过亮度（相当於早期的黑白电视）画面和两个色差画面R-Y及B-Y表现出来。该系统的另一个名称是YUV，Y代表亮度，U、V代表两个色差信号。我们利用人类视觉系统的局限性，即对色彩远不如对亮度那样敏感的原理，将色差信号的带宽再降低50%，从而使YUV带宽只需要10MHz。目前，YUV信号已经以模拟和数字的方式使用，并且与交织RGB视频信号相比几乎看不到视觉上的衰减。随著YUV的广泛使用，这两种形式被称为分量视频信号。从十九世纪五十年代到现在，彩色电视一直需要进一步压缩以适应6MHz的发射通道带宽，并与已建立的黑白电视设备相兼容。为了达到这个目的，两个色差信号的带宽

5、均降低至每个1.5MHz，并正交调制到副载波上，再加到亮度信号上产生复合视频信号。复合NTSC和PAL制信号均能产生质量很好的彩色娱乐节目视频信号，而其带宽为5MHz，与理想的逐行扫描的RGB视频信号相比压缩比率为六比一。最後以二比一的压缩比率将分量信号压缩为复合信号会造成画面质量降低，包括色度信息看上去像亮度错误，或出现相反的情况。目前，使用现代数字压缩方法，四路或更多路的高质量数字分量电视信号可以通过相同的6MHz传输通道送到各个家庭。如果数字分量信号源的质量很高的话，压缩後的多路电视信号的质量会比单个6MHz带宽的复合视频信号有明显的提高。（2）数字压缩方法随著1

6、973年视频录像机以复合信号为基础的数字时基校正器的问世，数字视频信号变成了现实。十九世纪八十年代初，全世界范围的数字分量视频信号标准被制定了出来，要求根据使用8位或10位取样值的不同，采用216Mb/s或270Mb/s的数据率。这个标准通常称为Rec.601。它是数字电视中主要的取样框架，在各种实际应用中它不断地得到发展。自从Rec.601标准通过以後，针对降低数字视频数据率这一目标进行了大量的研究和开发工作，产生了各种视频压缩方法。这些压缩方法中的每一个均有其优点、缺点和画面质量降低的特性。对我们而言，重要的是有一种用於一般目的的画面质量测量仪器能提供测量结果，而不

7、需要考虑具体使用何种压缩方法。15目前逐渐占有主导地位的压缩方法叫作MPEG-2由运动画面专家组定义，并是由国际标准组织（ISO）和国际电工技术委员会（IEC）共同予以标准化。MPEG-2是以离散馀弦变换（DCT）方法和强大的空间压缩技术为基础的。虽然在有些应用中使用其它压缩方法效果更好，但MPEG-2必将在未来成为使用最广的压缩方法。这是因为它是在大范围应用中被公认的最佳的或效果足够好的标准。人们正在花大量的精力开发低成本编码器和解码器的集成芯片。不久将建立的庞大基地将吸引大量的设备制造商和应用开发商。（3）现代电视系统图3以简化的方框