【技术文章】

数字电视图像清晰度
李桂苓 魏旭
本文作者李桂苓先生,天津大学电视与图像信息研究所副所长、教授;魏旭 先生,电子信息工程学院硕士研究生。
一 前言
  
图像清晰度是衡量图像质量的一个重要指标。它受图像源分解力,电视系统扫描标准、编码方式和参数、传输和接收条件、显示器质量和宽高比等多种因素影响。数字电视系统的离散化处理,使其重建图像清晰度的表征不同于模拟电视系统。为对数字电视图像清晰度进行定量评价,本文给出并比较了其多种表示和计算方法,分别设计、生成了标准清晰度电视(SDTV)及高清晰度电视(HDTV)图像清晰度测试卡。这些测试卡按建立于极坐标系的数学方程、用计算机精确计算生成,其参数符合ITU-R 601建议书和我国HDTV系统暂定参数,可用于SDTV、HDTV制式研究和设备或系统的研制、生产及测试。
二 数字电视图像清晰度的计算
  
图像清晰度应在图像静止及运动两种状态下分别评价。人眼对运动图像敏感程度较差,电视系统的运动图像清晰度可低于静止图像清晰度。由于人眼对图像沿水平、垂直、斜向变化快慢的感知程度不同,所以电视图像清晰度通常用水平、垂直、对角三个方向上的值来表征。对两个色信号在水平、垂直方向上的样点数均为亮度信号一半的数字电视系统,色信号的水平、垂直清晰度均为亮度信号的一半,这是利用人眼对彩色细节不敏感的特点,提高彩色图像数字信号压缩率的措施之一。
  数字图像清晰度主要取决于亮度信号,其值可用分解力、空间频率、基带信号上限频率、电视扫描行数(线)来描述。
  1. 分解力
  
若数字电视图像水平、垂直方向有效象素数分别为NH、NV,其分解力为:NH×NV    (1)
  2. 空间频率
  若数字图像宽度和高度分别为W、H,水平、垂直方向有效象素数分别为NH、NV,其水平、垂直空间频率最高值分别为:FH = NH/2 (C/W)   (2)
  FV = NV/2 (C/H)   (3)
  物理意义为,在图像有效宽度、高度内可分辨的等宽黑白相间线条组数。
  3. 基带信号上限频率
  
若水平扫描正程时间和有效象素数分别为TEH(μs)和NH,基带信号上限频率为:FV = NH/(2 TEH) (MHz)  (4)
  4. 线(电视扫描行)
  若水平、垂直有效象素数分别为NH、NV,屏幕宽高比为W/H,水平、垂直清晰度线数最高值分别为 :
  LH = NH×(H/W)   (5)
  LV = NV      (6)
  
斜向清晰度线数的最高值为:Lθ= LH/sinθ   (7) 式中,θ为斜向对水平方向的角度。
  5. 建议
  
“线”虽是电视图像清晰度的习惯表述方式,但其数值与屏幕宽高比有关,且沿屏幕不同方向的数值不同。“基带信号上限频率”便于指导设备的设计、生产和调试,但其数值与扫描标准有关,而“80线/MHz”的粗略估算也只适用于我国现行电视系统的水平清晰度;斜向清晰度线数虽较高,但系统的基带信号上限频率并不随之增高。“分解力”实质地反映离散数字系统质量,物理意义明确,不仅与“空间频率”有简单对应关系,而且与计算机描述清晰度的方法一致,建议在数字电视系统中推广使用。
三 数字电视图像清晰度测试卡
  
本文设计的SDTV、HDTV数字电视图像清晰度测试卡分别示于图1、图2。它们被设计成辐射状。图1所示的形式便于测试水平、垂直清晰度;图2所示的形式可用于测试各向清晰度。为重点评价屏幕中央的清晰度,测试卡的中心应位于屏幕中心。卡上还按习惯以线数标注了精确计算的清晰度值。为避免因超出系统分解力上限而在数字测试卡上出现混叠干扰,图2中心附近置成了黑色。卡上还标示了满屏标志等。
  为减少频带外分量,图1、图2所示测试卡的灰度沿圆周方向按正弦函数变化。图1、图2分别对应于SDTV标准和HDTV传输标准,水平、垂直有效象素数分别为720×576、1440×1152。由于两者对应的电视屏幕宽高比分别为4:3、16:9,所以象素的宽高比分别为1.067、1.422,呈现扁平状。而计算机屏幕上的象素为正方形,所以,用计算机生成的这类测试卡,需在计算中引入象素形状预校正。校正后的测试卡中的圆,在计算机屏幕上呈现为图1、图2所示的椭圆形,长轴位于垂直方向,但在电视机荧光屏上则呈现正确的圆形。
  用传统的方法难于精确产生这类测试卡。为了用计算机精确生成这类测试卡,首先须在极坐标系建立它们的数学模型,再按数学方程计算、生成数据文件。将数据文件转换成Bitmap或TIFF等格式图像文件,可将它们显示于Windows等平台。为便于交换测试卡数据,应按ISO 1001标准将数据存入磁带或光盘。为输入数字电视系统以进行MPEG编码,应将数据文件转换为4:2:2或4:2:0格式。数据文件经计算机接口,还可转换成电信号,供测试SDTV、HDTV设备或系统使用。
四 结语
  
图像分解力是数字电视系统的基本参数之一,图像清晰度是重现图像质量的一个重要指标。它们有空间域和时间域两种描述方式,彼此有内在联系。其中,有效象素数能清晰地表征数字电视系统图像分解力,应予推荐。
  本文设计的辐射状测试卡,可方便地评价SDTV、HDTV图像的各向清晰度。将其置于极坐标系,使数学分析变得明了。按方程精确计算并标注清晰度线数,便于定量测定清晰度值。对几何失真的预校正,较好地解决了象素形状呈扁平状的SDTV、HDTV电视屏幕,在显示象素形状为正方形的计算机生成的图形时所产生的失真问题。
  本项研究得到国家自然科学基金资助。
 
  来源:《世界广播电视》