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数模混合系统中视频测量方法的探讨(上)

2004-09-21 陈善栘 依马狮网


    针对当前电视台数字化过程中遇到的实际问题,由中国电影电视技术学会主办和北京电视台承办的“电视制播系统测试技术专题研讨会” 于 7月7~9日在北京举行。会上,各路专家纷纷发表了自己的中肯意见。《传播与制作》从本期开始,将陆续发表会上各位代表的发言,主要内容包括:数模混合系统中视频测量方法的探讨;D/A、A/D变换器的测量;非线性编辑网络指标测量;SDTV综合测试图介绍;虚拟演播室的测量方法和视频服务器的技术指标及其信号分析等。敬请读者关注。

    鉴于目前电视台的视频信号系统尚处于模拟、数字混合状态,模拟复合的全电视信号仍然是家庭电视机(含发射机、有线电视)的主要信号;尽管中心机房已经数字化,但视频通道很多处理电路仍离不开模拟(含分量)电视信号的监视和监测。送往发射台(含网络中心)的信号虽已为数字的(SDI)但需经D/A变换器加到发射机或有线前端等设备上。这期间,除要测量模拟接口处的信号指标外,还要兼看数字变换前后的图像质量,以使值班人员心中有数。再者,即使是用眼图确认了SDI数字信号合格,但因没有模拟指标的佐证,仍然无法反映最终的信号合格程度。因此,A/D、D/A的质量检测(包括采购、验收)便成为了主要矛盾。另一方面,在制作机房里很多信号转换工作(如非编、服务器的上、下载等)、网络化后(包括新闻制作、编、播、存一体化网络等)的传输以及卫星、有线电视等的码流传输还要引入压缩、解压缩的图像质量检测等问题。
    所以,重新认识传统的视频通道概念、接受数字信号测量的特点、理解和研究传统测量方法用于压缩、解压缩信号的局限性等,都成为了值得探讨的问题。而压缩后的图像质量,如何进行客观测量的问题(从理论到实践)更是摆在数字视频测量技术面前的新课题。
    目前,我们所面临的系统状况如图1所示。由图1可见,模拟分量部分:从摄像机输出的R、G、B信号是最原始而又基础的R、G、B分量信号。经矩阵变换,可得B-Y、R-Y 和 Y 的色差分量信号,自此以后有三种去向:(1)经模拟复合编码形成复合全电视信号(PAL或NTSC),进而经A/D变换器成为并行或串行的数字复合信号(PAL 制177Mb/s、NTSC制143Mb/s);(2)本身即是模拟的色差分量(R-Y、B-Y和Y)视频信号;(3)经三个A/D变换器成为数字分量信号(并行)和再经串行处理成为SDI信号。

数模混合系统中视频测量方法的探讨(上)

    MPEG协议分析部分:由信道编码和音频、数据嵌入电路形成MPEG-2传输流,主要用于传输和各种方式变换、处理等。需经数字解码后才能分别还原成各种所需的信号。
    总之,模拟信号测量仍然是视频测量的基础,模拟系统质量强调的是信号质量,并可以用它描述模拟通道的质量。而数字测量虽已是视频测量方法的重要手段,但通过“眼图”信号分析得到的通道质量,只能说明数字信号的模拟波形在传输中损伤的情况,与其解码后的图像质量无任何相关性。重要的是:数字系统不必再以通道质量来衡量信源(模拟)信号的质量了。因为理论上已充分证明:数字传输后的信源模拟信号质量(只要数字信号不误码)是无损的,解码后的信号质量取决于D/A变换器的好坏,所以测量D/A、A/D的质量倒是必要的。否则,就要以直接检验图像质量为准。尤其是经过压缩、解压等编、解码后的数字系统,是无法用间接的、测量通道或信号质量(损伤程度)等办法得到结果的。所以,数字化后的“系统质量”强调的是图像质量,而不是信号波形或通道怎样。
    可见,由模拟向数字过渡阶段,在探讨视频测量方法之前,首先要解决的问题应该是:先澄清上述这些概念!

    一.视频测量概念的沿革
    1.主观测量(评价):模拟时代的主观评价用目测测试卡,根据图上的“楔形线条”、“辉度级”等专门设计的静态图像内容,进行主观定量。如,用于测量摄像机的分解力、监视器的清晰度、灰度级、和光栅几何失真等。而数字时代,主观评价测试图的结构和意义有了根本的变化。
   

数模混合系统中视频测量方法的探讨(上)
图2为在原国家标准 GB 2097—80《彩色电视广播测试图》基础上修订的数字电视(SDTV)综合测试图示意图(该图由广电总局广播电视计量检测中心研究制作,即将发布)。
    由图可见,这个图形不仅保持了原模拟测试图中所需的重要信息,而且增加了在中央窗口处可嵌入用于检验压缩图像质量的活动图像序列 (目前是波带卡的静止图片,随时可以嵌入动态图像序列)。
    测量方法和程序:先用此综合测试图测试、检验监视器,将监视器调测至最佳状态。再用该监视器检验摄像机拍摄测试卡所得的图像,以验证摄像机。通过该监视器还可检验通道传输后的静态图像质量(包括色还原、色差信号的失真等信息)和通过中央窗口嵌入的图像序列,检查压缩、解压缩后的动态图像损伤情况,从而判明图像质量、等级范围等。
    通过测试图还可以解决大部分数字视频测量(眼图以外)的内容。因为,以测试图作为信号源,利用视频选行示波器或有选行功能的波形监视器对不同局部内容(如,取黑白分解力线条看亮度通路频率特性、取色差线条看色信号通路频率特性、用灰度阶梯看亮度非线性失真和取彩条(最顶上的为75%、下边圆中的小彩条为100%彩条)进行选行显示彩条波形等。还可通过左侧“黑底白线”和右侧“白底黑线”方块(实际为2T正弦平方脉冲的正、负波形),可测量时域的线性失真(注意,这些失真并非数字传输通道所带来的,它除了包含有少量模拟视频通道质量外,还有数模转换过程中器件所带进来的失真);它还可以检验显像端的图像状况(属于基础检测:有如清晨打开电视机时看到的、电视台开播前发给家家户户的、带台标的测试图。此时正是用该测试图为电视机进行基本调整的时候。因它未经摄像机,是从播出机房里直接发出的电子图形,所以很标准)。
    作为模拟时代视频测量范畴的“主观测量”用语应是:电视图像质量主观评价。是借助于主观评价实验所获得的各类客观损伤数据(等效于主观评价通道质量的数据)划分成等级,用来描述图像质量。之后,凡经类似通道所传图像质量(或称受损程度、“级别”),即可视为主观评价的等级。如,在模拟有线电视传输中,信杂比为34dB的通道质量(三级)就能代表所传图像的质量(经传输,再好的源图像也变为了三级!这里用单项举例不够全面,仅供参考)。
    而作为数字时代视频测量范畴的“主观测量”所指:图像质量,是与通道无关的。属于“非源即显”,发、收各端的编、解码(或模、数转换器)的质量。这又是一个数模混合时期需要强调的视频测量概念。
    2.客观测量:分间接和直接两类。
    全模拟时期,通过国标GB 3659-83《电视视频通道测试方法》中规定的“五大指标,十种测试信号”用示波器或分析仪对测试信号进行质量检验,从而取得通道质量参数的方法,称之为间接客观测量。
    这种借助于测量信号质量得到视频通道指标的方法,必须与主观评价图像质量所得的结论有较强的相关性,其客观测量才有意义。
    由图3可见,主观评价(虚线圈)和客观测试(实线圈)共同包围的面积,属于“具有很强相关性”的部分,比例相当的大。这是模拟信号系统所特有的。
数模混合系统中视频测量方法的探讨(上)

图3 传统电视系统的主观测试与客观测试的相关性


    3.直接测量:分客观和主观两类。
    “直接客观测量”是借助于综合测试图及其中间的动态图像序列或图像质量分析仪(如,PQA300等)来直接测出质量评估值的。这类以测量图像质量为主的方法(主要用于数字视频压缩系统),要比用间接测量时,以测试信号质量为基础的传统测量方法有较大的相关性。
    由图4可见,以图像质量为主的直接客观测试(细实线圈)与以信号质量为主的间接客观测试(虚线圈)二者在扩展的主观评价(粗实线圈)中做比较,从其相关性的比例来看,显然是直接的图像质量测试范围远比间接的信号质量测试范围大得多。
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