視頻在線測量中編碼器的影響

陳永東

（佛山電視臺 播出部，廣東 佛山 528000）

責任編輯:孫 卓

保證用戶端信號的質量一直都是各電視臺技術維護工作的重心。在過去的幾十年中，為了檢測整個電視傳輸通道的性能，各廠家和相關技術人員開發出了種種用于系統測試的信號，并制定了相應的標準。然而，進入數字系統之后，原先能完全取代活動內容的測試信號，在新的環境中，由于編解碼等視頻處理設備的影響，測試結果會發生很大的變化，若采用相同的測量方法，得到的結果甚至會變得沒有意義。為此，本文專門介紹編碼器對測量結果的影響以及操作過程中需關注的細節。

1 測量方法中面臨的問題

在最開始的模擬測量中，電視臺收播之后，在播出機房前端播出測試信號，然后在出口端、用戶端分別進行測量，以此來完成對整個播出通道、傳輸通道的檢測。為了滿足不間斷播出的要求，各電視臺又將測試信號插入場消隱區進行在線測量。進入數字系統后，很多電視臺沿用了相同的方法，期望整個測試能達到相同的效果。而在實際運用中，卻碰到了新的問題。

圖1為國內某電視臺的第18行信號，通過衛星接收，碼率為3.5 Mbit/s。由圖1可知，該多波群信號完好，高頻損失幾乎為0。對于此問題，本文將逐步討論、分析。

2 數字電視系統信號劣化的分析

在數字系統中，信號的劣化有兩種可能:1）視頻處理通道。包括亮度、色差等分量信號的調節系統或者編碼壓縮系統等；2）非視頻處理通道。主要是開關電路、電纜或者不帶處理功能的視頻分配放大器等。在視頻處理通道中，主要是由于采用視頻壓縮導致圖像細節（高頻信號）的丟失，引起了電視信號的劣化。而在非視頻處理通道中，主要是由于誤碼。在各電視臺的播控、演播機房中，所用的各廠家的電纜（如百通、佳耐美等）用于標清系統時，理論長度可達250 m，而廠家設計時都要求長度小于100 m，實際施工中，線材的長度基本上都小于50 m，因此，系統基本上工作在一個無噪聲干擾的環境，誤碼可以不用考慮。因此，電視信號的劣化實際上都集中在視頻處理通道上。

3 測試指標的選取

在數字電視通道中，大多采用了串行數字分量信號，因此亮色之間的串擾已經消除，原先用于檢測模擬系統的微分增益、微分相位等亮色串擾問題此時都已經不存在，不需要測量。而幅頻特性、亮度/色度的非線性等仍然存在，需要使用相應的信號進行測量。本文以測量系統的幅頻特性為例進行探討，測試系統的框圖如圖2所示。

圖2 測試系統圖

4 系統測試分析

在圖2中，行插入設備在第17，18，330，331行分別插入測試信號，其中第18行為多波群信號。播出通道各環節無視頻處理功能，MPEG編碼器采用的是3.5 Mbit/s的視頻碼率。在信號源處，選擇多波群信號，在A，C點得到的波形為:

1）A，B點第80行的波形相同，均如圖3所示（有效圖像區任何一行都可以，這里選擇第80行），各波群峰峰值幅度均為（426±2）mV。

2）C點第80行波形如圖4所示。

由圖4可知，基準波幅度為426 mV，波群最大幅度為433 mV，波群最小幅度為377 mV，幅頻特性為-1.06～+0.14 dB（0.5～5.75 MHz）

3）C點第18行波形（只有亮度通道有多波群信號，兩色差通道為0，由行插入設備決定）如圖5所示。

各波群峰峰值幅度均為（426±2）mV。

由圖3～圖4的測試結果可知，當信號經過MPEG-2編碼器時，不同頻率的波群受到了不同程度的衰減，總的趨勢為頻率越高，衰減越嚴重。然而由圖5顯示可知，處于消隱區的第18行多波群信號，經過編碼器后，各波群卻沒有受到任何衰減。如果用18行的測試結果來評判整個通道，顯然是不對的，原因如下。

在MPEG-2的算法中，圖像的壓縮按分層、分級進行。廣播級用的一般都是MP@ML，或者4∶2∶2 P@ML。在這些算法中，將圖像尺寸規定為720×576，其中720表示每行樣點數，576表示每幀的行數（具體行數為第一場第23～310行，第二場第336～623行）。MPEG-2的核心是DCT變換，最小變換單位為尺寸8×8的數據塊，于是每幀圖像被分解成90×72個數據塊。上述討論的范圍全都在有效圖像區，沒有涉及到消隱行。而在圖5中的第18行信號，由于處于消隱區，本身是不會被MPEG-2編碼器處理的，因此將插測行嵌入電視信號，在經過編碼器時，電視圖像信號被壓縮，但是消隱行沒有被處理，整行數據無壓縮地加入了MPEG-2的數據包。于是，前面所做的在電視信號消隱區加入行插入信號，以期望達到不停播的在線測量的目的無法完成。在終端檢測的插測行幾乎都是沒有任何損失的完好的波形。

4∶2∶2P算法中用于壓縮的數據是720×608，每行為720個樣，每幀為608行，具體為第一場為第7～310行，第二場為第320～623行，那是否可以把插入行信號算進去？確實按照算法，在每幀相當于增加了4組圖像塊，分別是7～14行，15～22行，320～327行，328～335行，而插測行為17，18，330，331共4行，正好處于其中的2個區間。MPEG算法開發的初衷是為了去除圖像信號中空間和時間上的冗余，而在消隱區的信號只是人為加上去，滿足特定要求的信號，本身不是一種圖像，加上都是單行信號，以18行為例，本身是多波群，前面一行17行為另一個插測信號，塊內的其余6行都是空行，這樣的塊，本身就沒有什么空間上的冗余。進行壓縮后，得到的幾乎是和原始數據一樣的數據量，在這種數據塊上，MPEG失去了作用。

由上面的分析可知，采用MPEG-2方法對標清數據塊進行壓縮時，采用720×608方式和720×576方式的效果差不多。因此，在數字電視系統中，采用插入行測試的方式進行在線測量時，所獲得的指標幾乎都是完美的，但實際上是假象，沒有什么用處。

在模擬系統中，采用插入行測試，獲得的指標完全能反映圖像區的劣化程度，實現了不間斷播出的信號測試，獲得了廣大電視工作者的好評。而到了數字系統，這一測試卻變得沒有實際用處，很多時候還給電視工作者一個錯誤的認識，認為整個系統完好無損。因此，在現有情況下，各電視臺要想對整個傳輸通道進行技術指標的測試，還需要在停播的狀況下進行。

5 新環境下測試方法的展望

如果拋開現有的設備不管，針對MPEG-2算法，是否可以實現真正的數字電視通道插入行測試？圖6為MPEG-2編碼器的GoP組成架構。采用MPEG-2壓縮時，首先需要對圖像進行分組（GoP），其分組長度典型值是12幀，而在編碼過程中造成的延時基本上也是由于分組的影響（例如12幀的分組，造成0.48 s的延時）。分組完成后才開始真正的壓縮。因此，一個圖像的分組，可以累計12幀，也就相當于累積了12行的第17行、第18行、第330行和第331行信號。在編碼器內部，完全可以把收集到的這些行放入各自的分組，然后對這些分組采用與有效圖像區相同的壓縮變換方式，那么所受到的劣化程度就等同與有效圖像區。也就是說，若編碼器對消隱區的插測行信號采用了這種處理，那么在線不停播的測試結果將等同于停播狀態下的測量。這樣，在數字環境下也能真正地做到不間斷測試。

隨著電視節目的日益豐富，將有越來越多的電視臺實現24 h節目不間斷播出，而跨入數字系統之后，對電視工作者來說，如何在保證節目播出的情況下，對整個傳輸通道進行定期、有效的檢測就成了一個非常棘手的問題。就目前而言，還只能進行停播測試，真正想解決的話，得需要2個條件:1）在編碼端需要編碼器制造商的支持，對場消隱區的插測行信號進行收集，然后進行與有效視頻區相同的處理；2）對解碼端，如用戶家里用的機頂盒，雖說為數字機頂盒，但很多盒子輸出的信號只有AV信號，在高頻端有相當大的衰減，影響了電視信號的質量。此外，很多機頂盒對場消隱區的插入行信號采取了直接丟棄的方式，根本沒有轉換。這樣就讓在線測量只能停留在各電視臺相互交流之間，在用戶收看端則徹底放棄。只有將兩個問題都解決了，才能讓在線測量發揮出真正的作用。

當廣播電視步入數字化后，在技術方面發生了巨大的變化。如本文所討論的編碼器在傳輸通道中的影響只是數字電視評估測量中的一小塊，還有諸如圖像質量指標的測量等。不過在數字方面的測量有個共同點，就是測量方案、測試的方法都與具體的算法有關，這就給各電視工作者提出了更大的挑戰。因此，電視測試技術的發展，還需要廣大電視技術人員的不懈努力。