視頻在線測(cè)量中編碼器的影響

陳永東

（佛山電視臺(tái) 播出部，廣東 佛山 528000）

責(zé)任編輯:孫 卓

保證用戶端信號(hào)的質(zhì)量一直都是各電視臺(tái)技術(shù)維護(hù)工作的重心。在過去的幾十年中，為了檢測(cè)整個(gè)電視傳輸通道的性能，各廠家和相關(guān)技術(shù)人員開發(fā)出了種種用于系統(tǒng)測(cè)試的信號(hào)，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然而，進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)之后，原先能完全取代活動(dòng)內(nèi)容的測(cè)試信號(hào)，在新的環(huán)境中，由于編解碼等視頻處理設(shè)備的影響，測(cè)試結(jié)果會(huì)發(fā)生很大的變化，若采用相同的測(cè)量方法，得到的結(jié)果甚至?xí)兊脹]有意義。為此，本文專門介紹編碼器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及操作過程中需關(guān)注的細(xì)節(jié)。

1 測(cè)量方法中面臨的問題

在最開始的模擬測(cè)量中，電視臺(tái)收播之后，在播出機(jī)房前端播出測(cè)試信號(hào)，然后在出口端、用戶端分別進(jìn)行測(cè)量，以此來完成對(duì)整個(gè)播出通道、傳輸通道的檢測(cè)。為了滿足不間斷播出的要求，各電視臺(tái)又將測(cè)試信號(hào)插入場(chǎng)消隱區(qū)進(jìn)行在線測(cè)量。進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)后，很多電視臺(tái)沿用了相同的方法，期望整個(gè)測(cè)試能達(dá)到相同的效果。而在實(shí)際運(yùn)用中，卻碰到了新的問題。

圖1為國(guó)內(nèi)某電視臺(tái)的第18行信號(hào)，通過衛(wèi)星接收，碼率為3.5 Mbit/s。由圖1可知，該多波群信號(hào)完好，高頻損失幾乎為0。對(duì)于此問題，本文將逐步討論、分析。

2 數(shù)字電視系統(tǒng)信號(hào)劣化的分析

在數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)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(hào)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)或者編碼壓縮系統(tǒng)等；2）非視頻處理通道。主要是開關(guān)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(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)（高頻信號(hào)）的丟失，引起了電視信號(hào)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(tái)的播控、演播機(jī)房中，所用的各廠家的電纜（如百通、佳耐美等）用于標(biāo)清系統(tǒng)時(shí)，理論長(zhǎng)度可達(dá)250 m，而廠家設(shè)計(jì)時(shí)都要求長(zhǎng)度小于100 m，實(shí)際施工中，線材的長(zhǎng)度基本上都小于50 m，因此，系統(tǒng)基本上工作在一個(gè)無噪聲干擾的環(huán)境，誤碼可以不用考慮。因此，電視信號(hào)的劣化實(shí)際上都集中在視頻處理通道上。

3 測(cè)試指標(biāo)的選取

在數(shù)字電視通道中，大多采用了串行數(shù)字分量信號(hào)，因此亮色之間的串?dāng)_已經(jīng)消除，原先用于檢測(cè)模擬系統(tǒng)的微分增益、微分相位等亮色串?dāng)_問題此時(shí)都已經(jīng)不存在，不需要測(cè)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(yīng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本文以測(cè)量系統(tǒng)的幅頻特性為例進(jìn)行探討，測(cè)試系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)圖

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

在圖2中，行插入設(shè)備在第17，18，330，331行分別插入測(cè)試信號(hào)，其中第18行為多波群信號(hào)。播出通道各環(huán)節(jié)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(hào)源處，選擇多波群信號(hào)，在A，C點(diǎn)得到的波形為:

1）A，B點(diǎn)第80行的波形相同，均如圖3所示（有效圖像區(qū)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(diǎn)第80行波形如圖4所示。

由圖4可知，基準(zhǔn)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(diǎn)第18行波形（只有亮度通道有多波群信號(hào)，兩色差通道為0，由行插入設(shè)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(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過MPEG-2編碼器時(shí)，不同頻率的波群受到了不同程度的衰減，總的趨勢(shì)為頻率越高，衰減越嚴(yán)重。然而由圖5顯示可知，處于消隱區(qū)的第18行多波群信號(hào)，經(jīng)過編碼器后，各波群卻沒有受到任何衰減。如果用18行的測(cè)試結(jié)果來評(píng)判整個(gè)通道，顯然是不對(duì)的，原因如下。

在MPEG-2的算法中，圖像的壓縮按分層、分級(jí)進(jìn)行。廣播級(jí)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(guī)定為720×576，其中720表示每行樣點(diǎn)數(shù)，576表示每幀的行數(shù)（具體行數(shù)為第一場(chǎng)第23～310行，第二場(chǎng)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(shù)據(jù)塊，于是每幀圖像被分解成90×72個(gè)數(shù)據(jù)塊。上述討論的范圍全都在有效圖像區(qū)，沒有涉及到消隱行。而在圖5中的第18行信號(hào)，由于處于消隱區(qū)，本身是不會(huì)被MPEG-2編碼器處理的，因此將插測(cè)行嵌入電視信號(hào)，在經(jīng)過編碼器時(shí)，電視圖像信號(hào)被壓縮，但是消隱行沒有被處理，整行數(shù)據(jù)無壓縮地加入了MPEG-2的數(shù)據(jù)包。于是，前面所做的在電視信號(hào)消隱區(qū)加入行插入信號(hào)，以期望達(dá)到不停播的在線測(cè)量的目的無法完成。在終端檢測(cè)的插測(cè)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(shù)據(jù)是720×608，每行為720個(gè)樣，每幀為608行，具體為第一場(chǎng)為第7～310行，第二場(chǎng)為第320～623行，那是否可以把插入行信號(hào)算進(jìn)去？確實(shí)按照算法，在每幀相當(dāng)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(cè)行為17，18，330，331共4行，正好處于其中的2個(gè)區(qū)間。MPEG算法開發(fā)的初衷是為了去除圖像信號(hào)中空間和時(shí)間上的冗余，而在消隱區(qū)的信號(hào)只是人為加上去，滿足特定要求的信號(hào)，本身不是一種圖像，加上都是單行信號(hào)，以18行為例，本身是多波群，前面一行17行為另一個(gè)插測(cè)信號(hào)，塊內(nèi)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(jìn)行壓縮后，得到的幾乎是和原始數(shù)據(jù)一樣的數(shù)據(jù)量，在這種數(shù)據(jù)塊上，MPEG失去了作用。

由上面的分析可知，采用MPEG-2方法對(duì)標(biāo)清數(shù)據(jù)塊進(jìn)行壓縮時(shí)，采用720×608方式和720×576方式的效果差不多。因此，在數(shù)字電視系統(tǒng)中，采用插入行測(cè)試的方式進(jìn)行在線測(cè)量時(shí)，所獲得的指標(biāo)幾乎都是完美的，但實(shí)際上是假象，沒有什么用處。

在模擬系統(tǒng)中，采用插入行測(cè)試，獲得的指標(biāo)完全能反映圖像區(qū)的劣化程度，實(shí)現(xiàn)了不間斷播出的信號(hào)測(cè)試，獲得了廣大電視工作者的好評(píng)。而到了數(shù)字系統(tǒng)，這一測(cè)試卻變得沒有實(shí)際用處，很多時(shí)候還給電視工作者一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)完好無損。因此，在現(xiàn)有情況下，各電視臺(tái)要想對(duì)整個(gè)傳輸通道進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，還需要在停播的狀況下進(jìn)行。

5 新環(huán)境下測(cè)試方法的展望

如果拋開現(xiàn)有的設(shè)備不管，針對(duì)MPEG-2算法，是否可以實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字電視通道插入行測(cè)試？圖6為MPEG-2編碼器的GoP組成架構(gòu)。采用MPEG-2壓縮時(shí)，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行分組（GoP），其分組長(zhǎng)度典型值是12幀，而在編碼過程中造成的延時(shí)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(shí)）。分組完成后才開始真正的壓縮。因此，一個(gè)圖像的分組，可以累計(jì)12幀，也就相當(dāng)于累積了12行的第17行、第18行、第330行和第331行信號(hào)。在編碼器內(nèi)部，完全可以把收集到的這些行放入各自的分組，然后對(duì)這些分組采用與有效圖像區(qū)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(qū)。也就是說，若編碼器對(duì)消隱區(qū)的插測(cè)行信號(hào)采用了這種處理，那么在線不停播的測(cè)試結(jié)果將等同于停播狀態(tài)下的測(cè)量。這樣，在數(shù)字環(huán)境下也能真正地做到不間斷測(cè)試。

隨著電視節(jié)目的日益豐富，將有越來越多的電視臺(tái)實(shí)現(xiàn)24 h節(jié)目不間斷播出，而跨入數(shù)字系統(tǒng)之后，對(duì)電視工作者來說，如何在保證節(jié)目播出的情況下，對(duì)整個(gè)傳輸通道進(jìn)行定期、有效的檢測(cè)就成了一個(gè)非常棘手的問題。就目前而言，還只能進(jìn)行停播測(cè)試，真正想解決的話，得需要2個(gè)條件:1）在編碼端需要編碼器制造商的支持，對(duì)場(chǎng)消隱區(qū)的插測(cè)行信號(hào)進(jìn)行收集，然后進(jìn)行與有效視頻區(qū)相同的處理；2）對(duì)解碼端，如用戶家里用的機(jī)頂盒，雖說為數(shù)字機(jī)頂盒，但很多盒子輸出的信號(hào)只有AV信號(hào)，在高頻端有相當(dāng)大的衰減，影響了電視信號(hào)的質(zhì)量。此外，很多機(jī)頂盒對(duì)場(chǎng)消隱區(qū)的插入行信號(hào)采取了直接丟棄的方式，根本沒有轉(zhuǎn)換。這樣就讓在線測(cè)量只能停留在各電視臺(tái)相互交流之間，在用戶收看端則徹底放棄。只有將兩個(gè)問題都解決了，才能讓在線測(cè)量發(fā)揮出真正的作用。

當(dāng)廣播電視步入數(shù)字化后，在技術(shù)方面發(fā)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(shù)字電視評(píng)估測(cè)量中的一小塊，還有諸如圖像質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量等。不過在數(shù)字方面的測(cè)量有個(gè)共同點(diǎn)，就是測(cè)量方案、測(cè)試的方法都與具體的算法有關(guān)，這就給各電視工作者提出了更大的挑戰(zhàn)。因此，電視測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，還需要廣大電視技術(shù)人員的不懈努力。