浅析数字电视图像失真的改进措施
摘 要一个完整的数字电视系统主要由信源编解码、节目流与传输流多路复用/解多路复用、信道传输（包括有线传输、卫星传输、地面传输三种方式）、信道编解码、信号调制与解调等设备组成。本文将主要针对数字电视图像失真问题及其改进措施进行阐述。
关键词数字电视；失真；改进
中图分类号TN94文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)072-0199-02
2002年-2015年，国内数字电视市场规模将由400亿元扩张到5000亿元，2010年我国数字电视机顶盒市场规模已达到2050万台，其中蕴藏的市场机会超过万亿元。而整个数字电视产业的规模预计将达到15000亿元，市场潜力不可估量。在未来的10年内，我国的数字电视必将得到长足发展，由此带动的产业链市场价值更是以千亿元计算。数字电视将带来一场深刻的革命，这不仅仅是技术革命，而且将带来广播电视运营体制管理方式以及用户收听、收看方式的根本性变革，甚至对整个信息产业的发展产生深远影响。
1数字电视系统结构
一个完整的数字电视系统主要由信源编解码、节目流与传输流多路复用／解多路复用、信道传输（包括有线传输、卫星传输、地面传输三种方式）、信道编解码、信号调制与解调等设备组成。数字电视信号从数字信号源（主要来源于数字摄像机、数字录像机、数字摄录机等设备）到数字电视接收机进行处理及传递的全过程，可以看作一条链路，这常被称为数字电视广播链，它由信源编码和压缩系统、复用和传送系统、信道编码和调制系统、传输信道及数字电视接收机五部分组成。
数字电视广播链信源编码即数据压缩，其目的是设法降低信息码率，它适用于视频、音频和辅助数据流。其中辅助数据流包括各类控制数据，主要是用于收费管理及控制接收的有条件接收控制用数据，还有与视频、音频节目有关的数据，如字幕等，此外还可以是独立的节目与数据业务。复用和传送是指将数字化的数据流分割成许多可识别的信息包，并将这些视频数据流包、音频数据流包、辅助数据流包复用成一个单一的数据流，再进行传送。信道编码和调制是指利用数据流信息来调制发射信号的方法，调制技术的讨论包括信道编码以及利用单载波或多载波方案的差错防御技术。信道包括卫星传输信道、有线传输信道、地面传输信道三种类型。数字电视接收机应具备信号解调、信道解码、解复用、视频解码、音频解码、图像显示等功能。
2数字化电视图像特征
几乎所有的数字视频系统都采用彩色图像信号的分量表示法，这样可以避免由上述混合过程带来的缺陷。在数字化电视图像信号中，不再需要消隐或同步脉冲，因为，只要知道了每行有多少个像素，就能确定一行的起始点。于是，在A/D转换的过程中，所有消隐或同步脉冲都要去掉。即使输入的是复合视频信号，通常也是先转换为分量模拟视频信号，然后再分别数字化。如果A/D芯片的采样速率足够高，例如达到色度副载波频率的3-4倍，也可直接对复合视频值号进行数字化，然后在数字域中分离出分量模拟视频信号。在普及数字视频中的主要困难就是其需要的巨大存储量和传输带宽。
数字信号的特点同模拟信号相比，数字信号有着本质的区别，具有很多特点，具体表现如下：①采用“0”和“1”二值形式组合的数字信号，其波形简单，很容易利用电路的两个稳定状态来实现。它还利于信号的传输、存储、延迟和变换等，又易于电路的集成，便于大规模集成化生产；②数字信号在传输过程中，它的各种信息，如图像、声音、数据等不像模拟信号那样包含在波形中，而是存在于以脉冲的有无或正负形式表示的代码中，而代码只有两三种离散值，很容易根据脉冲的有无和正负来判断。在传输过程中，即使信号受到一定程度的干扰，只要这种干扰小于规定的门限电平值，就不会影响对代码的判断，并可以及时采用再生的办法产生一个与发送端一样、无噪声干扰的再生信号。利用纠错编码技术，可使生成的数字信号具有很强的抑制噪声和抗干扰能力，从而使信息无差错地远距离传输；③系统中生成和传输的数字信号与计算机使用的信号都是离散的二进制信号，便于使用计算机对信号进行识别、处理、存储和交换，因而可以在一个系统内实现多种通信业务，便于综合业务的发展；④因数字信号简单，再生能力强，可以采用时分复用方式传输，提高了信道的利用率，且不需要频分复用中体积庞大的滤波器，利于电路的集成化，设备的小型化。同时，信号在传输中又能实现多次中继而质量不受损失，使信息能够高速、顺畅无阻地传输和交换；⑤利用数字压缩技术，可使数字信息在近似不失真的情况下，降低数字数据的传输数量，减少占用频带宽度，使有限的频谱资源得到了充分利用；⑥数字信号便于加密加扰，可提高信息安全质量；⑦数字系统部件通用性强，可扩展性好，只需外加不同的软件，就可完成不同的功能，实现一机多用。
3影响数字电视图像失真的因素
图像信号在视频、中频、射频通道中进行各种处理时，特别是在进行射频功率放大的过程中，虽然我们在电路的设计和制作过程中，都尽可能地减小失真，但失真仍是不可避免的，当失真超过了指标规定的范围，就会对图像的质量产生不良的影响。影响电视图像失真的因素很多，主要有：
1）电视系统的传输带宽。电视画面的垂直清晰度主要由电视制式规定的有效扫描行数决定，然而由于实际电视画面的内容及其与扫描行的空间位置之间具有随机性的特点，加之隔行扫描易出现局部并行现象，因而对于特定的景物，并非每一有效扫描行均会对清晰度产生贡献。根据实验结果，一般情况下垂直清晰度约为有效扫描行数的70%，这意味着标准清晰度电视系统其垂直方向的清晰度一般为575线（D制）×70%=402.5线，而高清晰度电视系统垂直方向的清晰度一般为1080线×70%=756线，显然，提高电视画面垂直清晰度的有效方法之一是提高电视系统的有效扫描行数。电视画面的水平清晰度主要取决于电视系统的传输带宽，在标准清晰度电视系统中，6MHz的视频带宽对应的最大水平清晰度为480线（相对清晰度）或624线（绝对清晰度），在高清晰度电视系统中，30MHz的视频带宽对应的最大水平清晰度为870线（相对清晰度）或1560线（绝对清晰度）。因此，受系统传输带宽的限制，ITU-R601和SMPTE 274M数字电视标准中规定的720个和1920个有效样点并不意味着系统的绝对清晰度可以达到720线或1920线。从以上计算可知，要实现720线或1920线的绝对清晰度，则系统的传输带宽应分别达到6.92MHz和36.92MHz。
2）传输通道内设备的清晰度指标。电视系统传输通道内的设备包括信号采集设备、后期编辑设备、特技处理设备、发射设备、传输设备和终端显示设备等，从理论上说，传输通道内所有环节及其设备都会对电视系统的最终清晰度产生影响，其中摄像机（主要是CCD的大小及其像素数量）、录像机（主要是带宽）、电视接收机（主要是显像管的分辨力和视频通道带宽）等设备对系统清晰度的影响最大。一般来说，电视系统的整体清晰度指标是由这个系统的传输通道内所有设备中清晰度指标最低的设备决定的。如由一台摄像机和一台录像机组成的电视节目素材制作系统，若摄像机的清晰度为400线，而录像机只有200线，则整个制作系统制作完成的电视节目的清晰度指标只能达到200线左右。再如，若电视制作及传输系统的带宽为6MHz（即可重现出480线的相对清晰度），但若用户使用的电视接收机只有300线的相对清晰度，则电视系统最终只能重现出300线的相对清晰度。同样，若用户使用的电视接收机具有800线的相对清晰度，由于现行电视系统的标称带宽为6MHz，因而，用户最终看到的图像相对清晰度最多只能是480线。
3）电视图像的对比度。严格地讲，电视图像的清晰度是一个心理物理学概念，目前国际上还没有公认的、完美的对清晰度作定量表示的方法，以电视屏幕上能够分辨的条纹数目（包括水平方向和垂直方向）来表示图像清晰度的方法是目前采用较多的一种，实际上，该方法所表示的是图像的分解力，并非是图像的清晰度。清晰度与分解力之间既有区别又有联系，一般来说，分解力是人们对图像清晰程度的客观评价，可用仪器来测量，而清晰度在更大程度上反映的是人们的主观感觉，是人眼对图像清晰程度的主观评价，从这个意义上说，清晰度是分解力的外在表现，分解力是清晰度的内在依据。通常情况下，分解力越高，清晰度也越高，但并不是绝对的。
除以上因素外，影响电视图像失真的因素还有被摄景物本身的层次、细节的丰富和鲜明程度、反差的大小，照明光线的硬柔，观看条件的好坏，图像显示屏幕的大小，扫描方式，信号的组成及处理方式，人眼分辨力的差异，以及制作、发射、传输和接收等环节存在的各种主、客观因素等。
4数字电视图像失真的改进措施
1）数字电视调制解调技术。在数字电视系统中，以下五种调制方式应用广泛：①正交幅度调制（QAM）：调制效率高，传输信噪比要求高，适于有线电视电缆传输；②正交移相键控（QPSK）：调制效率高，传输信噪比要求低，适于卫星传输；③残留边带（VSB）调制：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适于地面开路传输；④编码正交频分复用（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适于地面开路广播和同频网广播；⑤扩频调制（Spread Spectrum Modulation）：在CDMA移动通信领域应用极为广泛，特别是在WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等第三代移动通信（3G）中重要性非常突出。
2）数字电视加扰及解扰技术。加扰、解扰技术是数字电视收费运营机制的重要保证。收费电视系统的基本特点是所提供的业务仅限于授权用户使用，即在节目供应单位、节目播出单位和收视用户之间建立起一种有偿服务体系。正是基于这种有偿服务体系，使电视节目制作及播出的巨大投资得以补偿，从而为数字电视产业的持续、健康发展奠定了良性循环的经济基础。因此，加扰、解扰技术在数字电视系统实现中必不可少、意义重大。
3）图像压缩编码法。通过一定的编码方法来减少某一图像序列的数据量的方法称为图像压缩编码。压缩编码就是去掉信息中的冗余，保留不确定的信息，去除确定的可推知的信息，用一种接近信息的信息量的描述来代替原有冗余的传输密切关系。
①预测编码。预测编码又称差分脉冲编码调制，是数据压缩技术的重要分支，其理论基础主要是现代统计学和控制论。预测编码是根据某种模型，利用以前的一个或几个样值，对当前的样值进行预测，并对当前样值的实际值和预测值的差值进行编码。预测编码分帧内和帧间预测。帧内预测又分一维和二维预测。帧间预测是在时间轴上用前一帧对后一帧进行预测。在预测编码时，一般不直接传送图像样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值间的差值进行编码传送；②变换编码。变换编码是图像压缩技术中一种间接的编码方法，变换编码的过程为：先将空间域图像通过某种正交变换，产生一系列变换系数，在变换过程中，使图像变换系统能量相对集中，再对其变换系数进行区域量化等，按其所含能量大小，分配以不同的数据量去描述。图1为变换编码系统原理方框图。
4）高清晰度大屏幕显示技术。数字电视接收的最终信息需要在显示设备中还原出来，从而使来自数字演播室的图像与伴音能够呈现在节目观看者面前。如何使这些经信道传输之后的图像与伴音能够高质量、无失真地呈现给观众，这是显示领域的重要研究课题，因此，显示器件的品质与特性将直接影响最终的图像与伴音质量。选择性能优异的高清晰度大屏幕显示设备对数字电视的应用与推广意义重大。当前，以LCD（液晶显示）、PDP（等离子体显示屏）、DLP（数字光处理）等为代表的平板显示技术正日益成熟与完善，平板电视正在逐步取代传统的CRT（阴极射线管）电视，并成为数字电视接收机的主流，它们不仅具有高清晰度的图像质量、色彩生动艳丽，而且性能优异、环保健康，再配之以高质量的环绕立体声，必将会带给观众高质量的视听享受。
参考文献
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[4]方德葵主编,倪世兰,钱岳林编著.广播影视工程技术人员实用教材电视与调频发送技术[M].北京:中国广播电视出版社,2005.
作者简介
白建军（1955—），男，籍贯：陕西，工作单位：贵州电视台，职称：高级工程师。
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