模數轉換對視頻圖像質量影響分析

程志洪，高玉平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

數字媒介與傳統媒介相比，其本質的優點在于數字媒介可以遠距離傳輸或長時間存儲而不損失質量。攝像機輸出地視頻信號屬于模擬信號，在時間上和幅度上都是連續的，這樣的信號如果要進行傳送、存儲或者計算機處理，首先需要通過模數轉換，將模擬信號轉換為數字信號再進行處理。模數轉換作為視頻采集電路的重要部分，容易受到多方面的干擾，由此引入的噪聲直接會導致圖像質量的下降。如何減少噪聲干擾、提高圖像質量是視頻采集電路設計中主要考慮的問題。

1 圖像質量評價方法

圖像質量評價從方法上可分為主觀評價方法和客觀評價方法，前者憑借實驗人員的主觀感知來評價對象的質量;后者根據模型給出的量化指標，模擬人類視覺系統感知機制衡量圖像質量。

1.1 單刺激評價方法

單刺激評價方法是常規的主觀評價方法的一種，主要依靠人眼主觀視覺效果來判斷，即觀察者依據自己的感覺對圖像質量進行評價。具體實施起來就是在一定的光照、視距和分辨率大小等條件下，由一組專家和非專家觀察者分別對所評價的同一圖像進行打分，然后按照一定的規則得出一個總的評價結果。這種通過取所有觀察者的平均評價分來確定圖像質量等級的方法叫主觀質量評分法。多年來，它已被公認為圖像質量評價方法中最可靠的方法。國際上常用的評價方法包括單刺激方法、刺激比較法、單刺激連續質量評價法和雙刺激連續質量評價方法等。其中單刺激方法簡單可行、易于操作，在工程上采用較多。單刺激方法僅對壓縮后的圖像進行評測，采用的質量和損傷評價尺度如表1所示。對多數工程圖像應用，一般主觀評測應達到4級以上才能滿足要求。

表1 質量和損傷評價尺度

主觀評價方法的評價結果通常能夠較好地反映圖像的實際質量，但主觀評價方法在實施過程中存在很多問題。比如評價過程消耗的時間長，主觀分數受到觀察者自身素質、情緒以及測試環境的影響而不穩定，評價所花費的費用較高，不易實現，處理過程不能實現自動化等。目前圖像質量主觀評價結果主要用來衡量各種客觀評價指標與人類主觀視覺的符合程度。

1.2 峰值信噪比評價方法

圖像質量的的客觀評價方法是利用數學模型的質量進行評價，具有快速、穩定和易量化的特點。在圖像質量的客觀評價方法中，最常用的是圖像逼真度的度量，計算退化圖像與原始圖像之間的統計誤差。若誤差越小，從統計意義上來說退化圖像與源圖像的差異越小，圖像的逼真度就越高，獲得的圖像質量評價也就越高。常用的客觀評價方法有均方誤差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)和信息熵等評價方法。其中應用最廣泛的評價方法是峰值信噪比，其計算公式為:

式中，N為圖像中像素的總個數;Pi，src為源圖像中的像素值;Pi，rec為降質圖像中的像素值;L為像素值的動態范圍。雖然客觀評價方法看起來簡單直觀，數學表達式嚴格，但是其表示往往和人的主觀感受效果不一致。其中均方誤差法和峰值信噪比法都是一種統計誤差，從總體上反映原始圖像和失真圖像差別的。

對于8 bit采樣系統，PSNR理論值可達48 dB。當PSNR值大于42 dB時，圖像質量非常好，很難看出原始圖像和采集后的圖像的差別。而當PSNR值為36 dB時，圖像質量較好，但可以看出壓縮痕跡，圖像的細節信息會有損傷。

2 引起圖像降質的因素分析

2.1 視頻全電視信號

逐行倒相(PAL)制彩色電視視頻全信號由一個亮度信號和一對色度信號混合形成，這一對色度信號是由2個色差信號ER－Y和EB－Y以抑制載波的振幅調制方式，分別調制相差90o的2個同頻副載波而的。全信號用下式表示:

亮度信號的組成為:

式中，E'R、E'G、E'B為經過γ預校正后的三基色信號。

色度調制信號的組成為:

2.2 量化噪聲分析

視頻采集流程如圖1所示，輸入的視頻信號首先進行模擬處理，模擬處理電路包括箝位電路、放大電路和濾波電路;模擬處理后送A/D采集電路，然后把采集的數據分別送給亮度信號處理模塊、色度信號處理模塊以及同步信號處理模塊進行處理，分離出亮度、色度和同步信號，然后把處理后的數據送給視頻數字信號輸出電路，完成數字視頻信號的采集。對視頻數據的處理包括亮度信號、色度信號、同步信號和視頻信號編碼等處理，這類處理不影響圖像質量，而模數轉換(A/D)和放大濾波等模擬處理會對圖像質量產生影響。

圖1 視頻采集流程

A/D轉換會帶來量化誤差，可以認為A/D轉換引起的量化噪聲是均勻分布，分布函數為:

量化噪聲平均功率為:

國際標準的視頻壓縮算法采用的精度都是8位;工程上采用的A/D轉換器芯片的最大誤差為±2，取 q=4，L=255 ，用式(7)計算，這時的 PSNR值為45.6 dB。圖像質量較好，由此可見 A/D采樣器件本身給圖像質量帶來的影響很小。

2.3 數字信號對模擬信號干擾

數字信號對模擬信號的干擾反映在模擬電源和地之間的波動變化，也稱為地彈噪聲。這個噪聲可以認為直接疊加在輸入信號上，測出電源的波動變化，可以估算地彈噪聲造成的影響。可以用峰值信噪比計算干擾電壓對圖像質量的影響。實際的電源干擾電壓很復雜，嚴格計算很困難?？梢宰鲆恍┑刃?，簡化計算，假定測得的噪聲電壓范圍是32.76 mV，均勻分布。視頻信號幅度為700 mV，對應量化值是255，量化電平是2.73 mV。用沒有干擾的視頻信號采集后的值作為參考值，用干擾后的視頻信號的A/D采集電壓值作為測試值進行比較計算，計算時不考慮A/D精度的影響。噪聲干擾模型如圖2所示。

圖2 噪聲干擾模型

由式(8)得:

由式(9)可以看出，地彈噪聲對圖像質量影響較大，使峰值信噪比下降。主觀觀測，地彈噪聲主要影響圖像的清晰度，當噪聲干擾較大時，圖像變的模糊。

3 改善圖像質量的解決措施

針對上述分析可知，數字信號對圖像質量有嚴重影響。數字電路在同步時鐘作用下工作，當內部電路發生切換時，會產生較大的瞬時電流時，芯片封裝與電源平面之間的寄生電感、電容和電阻引發的電源噪聲以及較大的電流涌動而在電源與接地面之間產生大量地彈噪聲，這個噪聲就對模擬電路電路產生影響。為了減少干擾，可采用下列措施:

①盡量使用單獨的電源接地層，并讓電源層和地平面層盡量接近，以降低電源的電感和電阻，合理分配電源接地層，要考慮不同電源之間的電位差及接地類型。在高速數字系統中，通過地平面設計和電源平面設計可以實現3個重要功能:為數字信號的轉換提供穩定的參考電壓;為所有的邏輯器件分配電源;控制信號之間的串擾。

②合理設置布線層和布線間隔，減小并行信號長度，縮短信號層與地面層的距離，增大信號線間距。

③增加電源/地的芯片管腳數，降低封裝中的電源和地的電感，縮短管腳接地引線長度。

④增加電源旁路電容，給高頻的瞬變交流信號提供低電感的旁路。集成電路的去偶電容應盡量靠近芯片電源腳，使之與電源和地之間形成回路最短。

⑤數字地平面和模擬地平面采用橋型連接。數字區和模擬區之間應設立隔離區，對模擬信號應進行隔離保護。

4 結束語

PAL制視頻圖像是模擬信號，首先需要通過A/D采集電路把模擬信號轉換成數字信號。通過分析可以看出，A/D芯片采集精度不會對圖像質量造成明顯影響，但地彈噪聲會對模擬電路產生影響，進而使圖像質量受影響。用客觀評測，地彈噪聲可以使峰值信噪比降低;主觀評測，可以圖像清晰度降低。因此在進行圖像處理電路設計時，應采取各種措施，減少地彈噪聲的影響。 ■

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