【技术文章】
| 数字电视节目制作中的数据处理 | |
| 叶明勤 | |
| 本文作者叶明勤先生，山东电视台工程技术应用研究员 | |
| 关键词：数字电视节目制作 数据处理 图像质量 近年来，数字技术取得了长足发展，M-JPEG、DV、DV50及MPEG-2等数字压缩格式广泛应用于电视节目制作。为了生产出高质量的电视节目，人们希望采用数字技术进行制作，并把由于格式转换、解压缩和再压缩等数据处理带来的图像质量损伤减至最小。许多广播电视机构和专家对这一问题进行了深入的研究并完成了许多客观测量，取得了很好的效果。 数据处理对图像质量的影响 电视图像信号的数据处理一般可分为量化编码、数据压缩和压缩格式转换等，这些处理过程将对图像质量带来不良影响。 在数字电视技术发展初期，对于数字电视图像质量的测评，一直沿用主观评价方法。近年来，泰克公司生产的PQA200图像质量分析系统，可以模拟人的视觉系统进行客观测量，再现人眼的主观视觉评价，计算出图像质量的PQR值，即图像质量比率值。PQR值为10，表示人眼能明显观察到的图像质量损伤；PQR值为3，表示人眼通常可以观察到的图像质量损伤；PQR值为1，表示人眼几乎感觉不到的图像质量损伤。 在相关的研究中，曾采用过三种测试图像信号，测试了多种图像格式的PQR值。第一种是一个简单的女性头像特写，侧重表现肤色和头发的细节；第二种是一个比较复杂的游戏转轮，侧重表现快速运动；第三种是经常用到的以“运动和日历"图像，主要表现含有许多饱和色彩的复杂图像和细微的图像细节。表1列出多种被测格式对三种测试图像信号所呈现的PQR值。 从表1中可以看出，高码率的数据处理对图像质量的影响比较小，当然其设备价格也比较高，并且需要占用较大的数字存储空间。低价位的DVCPRO 25和消费类的DV等格式设备，在较低码率情况下也能获得与Betacam SP相当的图像质量。DVCPRO 50是一种更高质量的记录格式，测试表明，它可以提供接近于数字Betacam的图像质量水平。同样，码率为50Mb/s的MPEG-2 I帧格式，其图像也呈现出相当于DVCPRO 50的质量水平。 如何避免数据处理的不良影响 在节目制作中，多次数据处理有可能对图像质量造成不良影响。为了保持数字视频信号的质量，必须注意以下几点： (1)避免转码 如果要在一个非线性编辑系统中输入与之格式不兼容的节目素材，则首先要把素材转码成非编系统可以接受的格式。主要有M-JPEG、DV、MPEG-2 I之间的转换，以及MPEG-2 I和MPEG-2 IBP之间的转换，这些转换都需要解码后再重新编码。而解码和再次压缩编码必然对图像质量造成不良影响。表2是将DVCPRO 25转码成M-JPEG后对图像质量产生影响的PQR值。如果使用较高的码率转码，不良影响会变小，但是以增大数字存储空间为代价。 (2)避免A/D和D/A转换 A/D转换涉及抽样、量化和编码处理。抽样前要用低通滤波器对原始信号滤波，以防止高频信号产生频谱混叠。滤波器的截止频率是抽样频率的一半，频率响应曲线比较陡峭，它是影响数字系统质量的一个重要因素，可能造成图像信号的边沿过冲或振铃，以及图像过渡边沿不清楚等，这就会影响到原始图像的清晰度和细腻感等特性。在D/A转换时，也要通过低通滤波器，这同样会对图像质量产生影响。 在量化时，要采用四舍五入的方法来处理量化样值，这样就会产生量化误差。量化误差是数字图像系统中特有的损伤源，通常称之为量化噪声，它会造成图像信号的波形失真和图像的伪轮廓效应。一个优质的图像信号，在经过8b量化之后，其量化信噪比的理论值最高为59dB，当然实际值会低一些。有关研究表明，当图像信号经过两次A/D和D/A转换后，信噪比下降3dB，相当于模拟磁带多复制一代带来的损失。人们在聆听CD唱盘时，常会感到声音比较生硬和刺耳，人们称之为“数字声"感觉。图像信号数字化以后，也会给人以类似的感觉。与原始模拟图像相比，数字图像的细腻程度与柔和度似乎要差一些。这也说明，电视节目的数字化并不是无代价的。 另外，测试还表明，在一个DV非编系统中，如果要输入模拟复合或模拟分量视频信号，那么经过A/D或D/A转换后，输出的图像质量就会明显降低。例如，在DV非编系统中，以DV输入、DV输出，PQR值仍然是正常值4.89；以DV输入、Y/C输出，PQR值升为6.52；以Y/C输入、Y/C输出，PQR值升为7.28。由此可见，A/D和D/A转换对图像质量的不良影响比较大。 (3)避免解压缩和再压缩 在数字电视节目制作中，对某一压缩格式的图像信号解压后再以另一种格式压缩，图像质量的损伤将比较明显。比如，M-JPEG、DV和MPEG-2 I帧之间的格式转换，虽然都是帧内压缩格式之间的转换，但由于它们的码流组织方式和宏块结构不同，所以都要先转换成基带信号，然后再压缩编码，从而实现格式转换。如果要把MPEG-2 I帧格式转换成MPEG-2 IBP帧格式，也要先转换成基带信号，然后再压缩编码；反之也一样。这些转换，都会对图像质量造成损伤。值得一提的是，如果将4:2:2取样格式转换成4:1:1或4:2:0取样格式，则图像的彩色清晰度在水平或垂直方向将分别损失一半，这也会对图像质量造成明显的损伤。长GOP结构的MPEG-2图像信号，经过解压缩和再压缩处理，对图像的损伤也会比较明显。为减少损伤，可将长GOP帧间压缩的MEPG-2图像信号的视频再编码数据与图像信号压缩数据一起传输，再压缩时参考这些历史再编码数据，使压缩再编码参数与上一次的相同，从而减小图像质量的劣化。这种技术已经成为SMPTE的建议标准并已公布，如SMPTE 319M、SMPTE 327M、SMPTE 328M和SMPTE 329M等。Sony公司生产的MSB-2000多格式数据桥，能够实现历史数据的再利用，从而可以减小解压缩和再压缩时图像质量的劣化。 在制作视频特技效果时，对数字压缩格式的图像信号一般都要解压缩。因此，必须合理地设计特技制作系统，最好一次性完成特技制作，以避免多次解压缩和再压缩造成的图像损伤。另外，以较高码率再压缩，对图像质量的损伤较小。 结束语 从某种意义上讲，数字电视节目的制作与过去采用1"录像机编辑母版录像带的时代并没有大的改变。节目制作的目的是生产最高质量的母版，然后用于复制、广播、分配传输和交换。只是现在分配和交换的途径更为广泛了，可以是模拟或数字磁带、VCD、DVD等，也可以是SDI、SDTI、DV、DV50、MPEG-1、MPEG-2甚或实时视频信号、数据码流等。 多格式的非编系统，集成了DV、DV50和MPEG-2 I帧压缩格式，允许模拟、SDI和SDTI信号的输入和输出，可提供灵活的数字电视节目制作和最好的图像质量。一般来说，以某种格式采集的节目素材，再以同一格式制作直到最后输出，可确保图像质量最佳。 |
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| 来源：《世界广播电视》 | |