视频在线测量中编码器的影响

陈永东

（佛山电视台 播出部，广东 佛山 528000）

责任编辑:孙 卓

保证用户端信号的质量一直都是各电视台技术维护工作的重心。在过去的几十年中，为了检测整个电视传输通道的性能，各厂家和相关技术人员开发出了种种用于系统测试的信号，并制定了相应的标准。然而，进入数字系统之后，原先能完全取代活动内容的测试信号，在新的环境中，由于编解码等视频处理设备的影响，测试结果会发生很大的变化，若采用相同的测量方法，得到的结果甚至会变得没有意义。为此，本文专门介绍编码器对测量结果的影响以及操作过程中需关注的细节。

1 测量方法中面临的问题

在最开始的模拟测量中，电视台收播之后，在播出机房前端播出测试信号，然后在出口端、用户端分别进行测量，以此来完成对整个播出通道、传输通道的检测。为了满足不间断播出的要求，各电视台又将测试信号插入场消隐区进行在线测量。进入数字系统后，很多电视台沿用了相同的方法，期望整个测试能达到相同的效果。而在实际运用中，却碰到了新的问题。

图1为国内某电视台的第18行信号，通过卫星接收，码率为3.5 Mbit/s。由图1可知，该多波群信号完好，高频损失几乎为0。对于此问题，本文将逐步讨论、分析。

2 数字电视系统信号劣化的分析

在数字系统中，信号的劣化有两种可能:1）视频处理通道。包括亮度、色差等分量信号的调节系统或者编码压缩系统等；2）非视频处理通道。主要是开关电路、电缆或者不带处理功能的视频分配放大器等。在视频处理通道中，主要是由于采用视频压缩导致图像细节（高频信号）的丢失，引起了电视信号的劣化。而在非视频处理通道中，主要是由于误码。在各电视台的播控、演播机房中，所用的各厂家的电缆（如百通、佳耐美等）用于标清系统时，理论长度可达250 m，而厂家设计时都要求长度小于100 m，实际施工中，线材的长度基本上都小于50 m，因此，系统基本上工作在一个无噪声干扰的环境，误码可以不用考虑。因此，电视信号的劣化实际上都集中在视频处理通道上。

3 测试指标的选取

在数字电视通道中，大多采用了串行数字分量信号，因此亮色之间的串扰已经消除，原先用于检测模拟系统的微分增益、微分相位等亮色串扰问题此时都已经不存在，不需要测量。而幅频特性、亮度/色度的非线性等仍然存在，需要使用相应的信号进行测量。本文以测量系统的幅频特性为例进行探讨，测试系统的框图如图2所示。

图2 测试系统图

4 系统测试分析

在图2中，行插入设备在第17，18，330，331行分别插入测试信号，其中第18行为多波群信号。播出通道各环节无视频处理功能，MPEG编码器采用的是3.5 Mbit/s的视频码率。在信号源处，选择多波群信号，在A，C点得到的波形为:

1）A，B点第80行的波形相同，均如图3所示（有效图像区任何一行都可以，这里选择第80行），各波群峰峰值幅度均为（426±2）mV。

2）C点第80行波形如图4所示。

由图4可知，基准波幅度为426 mV，波群最大幅度为433 mV，波群最小幅度为377 mV，幅频特性为-1.06～+0.14 dB（0.5～5.75 MHz）

3）C点第18行波形（只有亮度通道有多波群信号，两色差通道为0，由行插入设备决定）如图5所示。

各波群峰峰值幅度均为（426±2）mV。

由图3～图4的测试结果可知，当信号经过MPEG-2编码器时，不同频率的波群受到了不同程度的衰减，总的趋势为频率越高，衰减越严重。然而由图5显示可知，处于消隐区的第18行多波群信号，经过编码器后，各波群却没有受到任何衰减。如果用18行的测试结果来评判整个通道，显然是不对的，原因如下。

在MPEG-2的算法中，图像的压缩按分层、分级进行。广播级用的一般都是MP@ML，或者4∶2∶2 P@ML。在这些算法中，将图像尺寸规定为720×576，其中720表示每行样点数，576表示每帧的行数（具体行数为第一场第23～310行，第二场第336～623行）。MPEG-2的核心是DCT变换，最小变换单位为尺寸8×8的数据块，于是每帧图像被分解成90×72个数据块。上述讨论的范围全都在有效图像区，没有涉及到消隐行。而在图5中的第18行信号，由于处于消隐区，本身是不会被MPEG-2编码器处理的，因此将插测行嵌入电视信号，在经过编码器时，电视图像信号被压缩，但是消隐行没有被处理，整行数据无压缩地加入了MPEG-2的数据包。于是，前面所做的在电视信号消隐区加入行插入信号，以期望达到不停播的在线测量的目的无法完成。在终端检测的插测行几乎都是没有任何损失的完好的波形。

4∶2∶2P算法中用于压缩的数据是720×608，每行为720个样，每帧为608行，具体为第一场为第7～310行，第二场为第320～623行，那是否可以把插入行信号算进去？确实按照算法，在每帧相当于增加了4组图像块，分别是7～14行，15～22行，320～327行，328～335行，而插测行为17，18，330，331共4行，正好处于其中的2个区间。MPEG算法开发的初衷是为了去除图像信号中空间和时间上的冗余，而在消隐区的信号只是人为加上去，满足特定要求的信号，本身不是一种图像，加上都是单行信号，以18行为例，本身是多波群，前面一行17行为另一个插测信号，块内的其余6行都是空行，这样的块，本身就没有什么空间上的冗余。进行压缩后，得到的几乎是和原始数据一样的数据量，在这种数据块上，MPEG失去了作用。

由上面的分析可知，采用MPEG-2方法对标清数据块进行压缩时，采用720×608方式和720×576方式的效果差不多。因此，在数字电视系统中，采用插入行测试的方式进行在线测量时，所获得的指标几乎都是完美的，但实际上是假象，没有什么用处。

在模拟系统中，采用插入行测试，获得的指标完全能反映图像区的劣化程度，实现了不间断播出的信号测试，获得了广大电视工作者的好评。而到了数字系统，这一测试却变得没有实际用处，很多时候还给电视工作者一个错误的认识，认为整个系统完好无损。因此，在现有情况下，各电视台要想对整个传输通道进行技术指标的测试，还需要在停播的状况下进行。

5 新环境下测试方法的展望

如果抛开现有的设备不管，针对MPEG-2算法，是否可以实现真正的数字电视通道插入行测试？图6为MPEG-2编码器的GoP组成架构。采用MPEG-2压缩时，首先需要对图像进行分组（GoP），其分组长度典型值是12帧，而在编码过程中造成的延时基本上也是由于分组的影响（例如12帧的分组，造成0.48 s的延时）。分组完成后才开始真正的压缩。因此，一个图像的分组，可以累计12帧，也就相当于累积了12行的第17行、第18行、第330行和第331行信号。在编码器内部，完全可以把收集到的这些行放入各自的分组，然后对这些分组采用与有效图像区相同的压缩变换方式，那么所受到的劣化程度就等同与有效图像区。也就是说，若编码器对消隐区的插测行信号采用了这种处理，那么在线不停播的测试结果将等同于停播状态下的测量。这样，在数字环境下也能真正地做到不间断测试。

随着电视节目的日益丰富，将有越来越多的电视台实现24 h节目不间断播出，而跨入数字系统之后，对电视工作者来说，如何在保证节目播出的情况下，对整个传输通道进行定期、有效的检测就成了一个非常棘手的问题。就目前而言，还只能进行停播测试，真正想解决的话，得需要2个条件:1）在编码端需要编码器制造商的支持，对场消隐区的插测行信号进行收集，然后进行与有效视频区相同的处理；2）对解码端，如用户家里用的机顶盒，虽说为数字机顶盒，但很多盒子输出的信号只有AV信号，在高频端有相当大的衰减，影响了电视信号的质量。此外，很多机顶盒对场消隐区的插入行信号采取了直接丢弃的方式，根本没有转换。这样就让在线测量只能停留在各电视台相互交流之间，在用户收看端则彻底放弃。只有将两个问题都解决了，才能让在线测量发挥出真正的作用。

当广播电视步入数字化后，在技术方面发生了巨大的变化。如本文所讨论的编码器在传输通道中的影响只是数字电视评估测量中的一小块，还有诸如图像质量指标的测量等。不过在数字方面的测量有个共同点，就是测量方案、测试的方法都与具体的算法有关，这就给各电视工作者提出了更大的挑战。因此，电视测试技术的发展，还需要广大电视技术人员的不懈努力。