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(shù)字媒介與傳統(tǒng)媒介相比，其本質(zhì)的優(yōu)點在于數(shù)字媒介可以遠距離傳輸或長時間存儲而不損失質(zhì)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(xù)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(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再進行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhì)量的下降。如何減少噪聲干擾、提高圖像質(zhì)量是視頻采集電路設(shè)計中主要考慮的問題。

1 圖像質(zhì)量評價方法

圖像質(zhì)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(zhì)量;后者根據(jù)模型給出的量化指標，模擬人類視覺系統(tǒng)感知機制衡量圖像質(zhì)量。

1.1 單刺激評價方法

單刺激評價方法是常規(guī)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(jù)自己的感覺對圖像質(zhì)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(guī)則得出一個總的評價結(jié)果。這種通過取所有觀察者的平均評價分來確定圖像質(zhì)量等級的方法叫主觀質(zhì)量評分法。多年來，它已被公認為圖像質(zhì)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(xù)質(zhì)量評價法和雙刺激連續(xù)質(zhì)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(zhì)量和損傷評價尺度如表1所示。對多數(shù)工程圖像應(yīng)用，一般主觀評測應(yīng)達到4級以上才能滿足要求。

表1 質(zhì)量和損傷評價尺度

主觀評價方法的評價結(jié)果通常能夠較好地反映圖像的實際質(zhì)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(shù)受到觀察者自身素質(zhì)、情緒以及測試環(huán)境的影響而不穩(wěn)定，評價所花費的費用較高，不易實現(xiàn)，處理過程不能實現(xiàn)自動化等。目前圖像質(zhì)量主觀評價結(jié)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(zhì)量的的客觀評價方法是利用數(shù)學模型的質(zhì)量進行評價，具有快速、穩(wěn)定和易量化的特點。在圖像質(zhì)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(tǒng)計誤差。若誤差越小，從統(tǒng)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(zhì)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(yīng)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(shù);Pi，src為源圖像中的像素值;Pi，rec為降質(zhì)圖像中的像素值;L為像素值的動態(tài)范圍。雖然客觀評價方法看起來簡單直觀，數(shù)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(tǒng)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(tǒng)，PSNR理論值可達48 dB。當PSNR值大于42 dB時，圖像質(zhì)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(zhì)量較好，但可以看出壓縮痕跡，圖像的細節(jié)信息會有損傷。

2 引起圖像降質(zhì)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(diào)制方式，分別調(diào)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(jīng)過γ預校正后的三基色信號。

色度調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)送給視頻數(shù)字信號輸出電路，完成數(shù)字視頻信號的采集。對視頻數(shù)據(jù)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(zhì)量，而模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和放大濾波等模擬處理會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖1 視頻采集流程

A/D轉(zhuǎn)換會帶來量化誤差，可以認為A/D轉(zhuǎn)換引起的量化噪聲是均勻分布，分布函數(shù)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(zhuǎn)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(zhì)量較好，由此可見 A/D采樣器件本身給圖像質(zhì)量帶來的影響很小。

2.3 數(shù)字信號對模擬信號干擾

數(shù)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?？梢杂梅逯敌旁氡扔嬎愀蓴_電壓對圖像質(zhì)量的影響。實際的電源干擾電壓很復雜，嚴格計算很困難。可以做一些等效，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(yīng)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(zhì)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(zhì)量的解決措施

針對上述分析可知，數(shù)字信號對圖像質(zhì)量有嚴重影響。數(shù)字電路在同步時鐘作用下工作，當內(nèi)部電路發(fā)生切換時，會產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生大量地彈噪聲，這個噪聲就對模擬電路電路產(chǎn)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(shù)字系統(tǒng)中，通過地平面設(shè)計和電源平面設(shè)計可以實現(xiàn)3個重要功能:為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)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(shè)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(shù)，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(yīng)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(shù)字地平面和模擬地平面采用橋型連接。數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)之間應(yīng)設(shè)立隔離區(qū)，對模擬信號應(yīng)進行隔離保護。

4 結(jié)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(zhuǎn)換成數(shù)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(zhì)量造成明顯影響，但地彈噪聲會對模擬電路產(chǎn)生影響，進而使圖像質(zhì)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(shè)計時，應(yīng)采取各種措施，減少地彈噪聲的影響。 ■

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