模数转换对视频图像质量影响分析

程志洪，高玉平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

数字媒介与传统媒介相比，其本质的优点在于数字媒介可以远距离传输或长时间存储而不损失质量。摄像机输出地视频信号属于模拟信号，在时间上和幅度上都是连续的，这样的信号如果要进行传送、存储或者计算机处理，首先需要通过模数转换，将模拟信号转换为数字信号再进行处理。模数转换作为视频采集电路的重要部分，容易受到多方面的干扰，由此引入的噪声直接会导致图像质量的下降。如何减少噪声干扰、提高图像质量是视频采集电路设计中主要考虑的问题。

1 图像质量评价方法

图像质量评价从方法上可分为主观评价方法和客观评价方法，前者凭借实验人员的主观感知来评价对象的质量;后者根据模型给出的量化指标，模拟人类视觉系统感知机制衡量图像质量。

1.1 单刺激评价方法

单刺激评价方法是常规的主观评价方法的一种，主要依靠人眼主观视觉效果来判断，即观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价。具体实施起来就是在一定的光照、视距和分辨率大小等条件下，由一组专家和非专家观察者分别对所评价的同一图像进行打分，然后按照一定的规则得出一个总的评价结果。这种通过取所有观察者的平均评价分来确定图像质量等级的方法叫主观质量评分法。多年来，它已被公认为图像质量评价方法中最可靠的方法。国际上常用的评价方法包括单刺激方法、刺激比较法、单刺激连续质量评价法和双刺激连续质量评价方法等。其中单刺激方法简单可行、易于操作，在工程上采用较多。单刺激方法仅对压缩后的图像进行评测，采用的质量和损伤评价尺度如表1所示。对多数工程图像应用，一般主观评测应达到4级以上才能满足要求。

表1 质量和损伤评价尺度

主观评价方法的评价结果通常能够较好地反映图像的实际质量，但主观评价方法在实施过程中存在很多问题。比如评价过程消耗的时间长，主观分数受到观察者自身素质、情绪以及测试环境的影响而不稳定，评价所花费的费用较高，不易实现，处理过程不能实现自动化等。目前图像质量主观评价结果主要用来衡量各种客观评价指标与人类主观视觉的符合程度。

1.2 峰值信噪比评价方法

图像质量的的客观评价方法是利用数学模型的质量进行评价，具有快速、稳定和易量化的特点。在图像质量的客观评价方法中，最常用的是图像逼真度的度量，计算退化图像与原始图像之间的统计误差。若误差越小，从统计意义上来说退化图像与源图像的差异越小，图像的逼真度就越高，获得的图像质量评价也就越高。常用的客观评价方法有均方误差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)和信息熵等评价方法。其中应用最广泛的评价方法是峰值信噪比，其计算公式为:

式中，N为图像中像素的总个数;Pi，src为源图像中的像素值;Pi，rec为降质图像中的像素值;L为像素值的动态范围。虽然客观评价方法看起来简单直观，数学表达式严格，但是其表示往往和人的主观感受效果不一致。其中均方误差法和峰值信噪比法都是一种统计误差，从总体上反映原始图像和失真图像差别的。

对于8 bit采样系统，PSNR理论值可达48 dB。当PSNR值大于42 dB时，图像质量非常好，很难看出原始图像和采集后的图像的差别。而当PSNR值为36 dB时，图像质量较好，但可以看出压缩痕迹，图像的细节信息会有损伤。

2 引起图像降质的因素分析

2.1 视频全电视信号

逐行倒相(PAL)制彩色电视视频全信号由一个亮度信号和一对色度信号混合形成，这一对色度信号是由2个色差信号ER－Y和EB－Y以抑制载波的振幅调制方式，分别调制相差90o的2个同频副载波而的。全信号用下式表示:

亮度信号的组成为:

式中，E'R、E'G、E'B为经过γ预校正后的三基色信号。

色度调制信号的组成为:

2.2 量化噪声分析

视频采集流程如图1所示，输入的视频信号首先进行模拟处理，模拟处理电路包括箝位电路、放大电路和滤波电路;模拟处理后送A/D采集电路，然后把采集的数据分别送给亮度信号处理模块、色度信号处理模块以及同步信号处理模块进行处理，分离出亮度、色度和同步信号，然后把处理后的数据送给视频数字信号输出电路，完成数字视频信号的采集。对视频数据的处理包括亮度信号、色度信号、同步信号和视频信号编码等处理，这类处理不影响图像质量，而模数转换(A/D)和放大滤波等模拟处理会对图像质量产生影响。

图1 视频采集流程

A/D转换会带来量化误差，可以认为A/D转换引起的量化噪声是均匀分布，分布函数为:

量化噪声平均功率为:

国际标准的视频压缩算法采用的精度都是8位;工程上采用的A/D转换器芯片的最大误差为±2，取 q=4，L=255 ，用式(7)计算，这时的 PSNR值为45.6 dB。图像质量较好，由此可见 A/D采样器件本身给图像质量带来的影响很小。

2.3 数字信号对模拟信号干扰

数字信号对模拟信号的干扰反映在模拟电源和地之间的波动变化，也称为地弹噪声。这个噪声可以认为直接叠加在输入信号上，测出电源的波动变化，可以估算地弹噪声造成的影响。可以用峰值信噪比计算干扰电压对图像质量的影响。实际的电源干扰电压很复杂，严格计算很困难。可以做一些等效，简化计算，假定测得的噪声电压范围是32.76 mV，均匀分布。视频信号幅度为700 mV，对应量化值是255，量化电平是2.73 mV。用没有干扰的视频信号采集后的值作为参考值，用干扰后的视频信号的A/D采集电压值作为测试值进行比较计算，计算时不考虑A/D精度的影响。噪声干扰模型如图2所示。

图2 噪声干扰模型

由式(8)得:

由式(9)可以看出，地弹噪声对图像质量影响较大，使峰值信噪比下降。主观观测，地弹噪声主要影响图像的清晰度，当噪声干扰较大时，图像变的模糊。

3 改善图像质量的解决措施

针对上述分析可知，数字信号对图像质量有严重影响。数字电路在同步时钟作用下工作，当内部电路发生切换时，会产生较大的瞬时电流时，芯片封装与电源平面之间的寄生电感、电容和电阻引发的电源噪声以及较大的电流涌动而在电源与接地面之间产生大量地弹噪声，这个噪声就对模拟电路电路产生影响。为了减少干扰，可采用下列措施:

①尽量使用单独的电源接地层，并让电源层和地平面层尽量接近，以降低电源的电感和电阻，合理分配电源接地层，要考虑不同电源之间的电位差及接地类型。在高速数字系统中，通过地平面设计和电源平面设计可以实现3个重要功能:为数字信号的转换提供稳定的参考电压;为所有的逻辑器件分配电源;控制信号之间的串扰。

②合理设置布线层和布线间隔，减小并行信号长度，缩短信号层与地面层的距离，增大信号线间距。

③增加电源/地的芯片管脚数，降低封装中的电源和地的电感，缩短管脚接地引线长度。

④增加电源旁路电容，给高频的瞬变交流信号提供低电感的旁路。集成电路的去偶电容应尽量靠近芯片电源脚，使之与电源和地之间形成回路最短。

⑤数字地平面和模拟地平面采用桥型连接。数字区和模拟区之间应设立隔离区，对模拟信号应进行隔离保护。

4 结束语

PAL制视频图像是模拟信号，首先需要通过A/D采集电路把模拟信号转换成数字信号。通过分析可以看出，A/D芯片采集精度不会对图像质量造成明显影响，但地弹噪声会对模拟电路产生影响，进而使图像质量受影响。用客观评测，地弹噪声可以使峰值信噪比降低;主观评测，可以图像清晰度降低。因此在进行图像处理电路设计时，应采取各种措施，减少地弹噪声的影响。 ■

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