理論上，數(shù)字電視(DTV)畫面品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬電視，沒有鬼影、雪花、顫動(dòng)和色彩失真等等問題。而且，模擬電視信號(hào)正如可以論證的那樣，最大的缺陷就是畫面斑點(diǎn)甚多，且因?yàn)閷?duì)高頻信號(hào)響應(yīng)不足而導(dǎo)致畫面不夠細(xì)膩，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是帶寬不夠。圖像越細(xì)致，分辨率就越高，所需要的帶寬就越大。
很久以前，美國(guó)官方就把可用頻譜中的每6MHz帶寬分配給美國(guó)廣播公司的每一個(gè)頻道以提供模擬電視信號(hào)，這種對(duì)視頻帶寬的限制及其對(duì)應(yīng)的顯示標(biāo)準(zhǔn)(NTSC色彩空間)，就決定了傳統(tǒng)電視機(jī)的特征，并在幾十年時(shí)間里決定了電視畫面的質(zhì)量。
隨著數(shù)字電視的出現(xiàn)，廣播公司看到了能更充分地利用其分配的帶寬的機(jī)會(huì)。的確，從他們的角度來(lái)看，數(shù)字電視最突出的優(yōu)點(diǎn)莫過(guò)于容許在同樣的帶寬內(nèi)傳輸更多的頻道，并且同樣能支持后續(xù)的高清晰度電視節(jié)目(HDTV)。
冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)
帶寬的限制
HDTV對(duì)技術(shù)的要求非常高。傳統(tǒng)傳播模擬信號(hào)的NTSC信號(hào)在一個(gè)頻道6MHz帶寬內(nèi)最低要使用4.2MHz的帶寬，并以29.97Hz的場(chǎng)頻掃描525線。經(jīng)過(guò)數(shù)字量化和編碼壓縮之后，該信號(hào)可以被記錄在DVD上，其位傳輸bit率從2Mbits/s到10Mbits/s(支持自適應(yīng))，平均為4Mbits/s。比較而言，典型的HDTV具有5倍于模擬TV的分辨率。因此在同樣條件下，傳輸數(shù)據(jù)率應(yīng)該是模擬信號(hào)的5倍才能達(dá)到同樣的性能。
無(wú)論是傳統(tǒng)的空中廣播(OTA)、有線電視公司的機(jī)頂盒，還是衛(wèi)星電視，他們都在傳輸信號(hào)時(shí)受到帶寬的制約，在受限的帶寬上他們還要附加占用帶寬的服務(wù)，包括互動(dòng)廣播、收費(fèi)頻道和電視節(jié)目表等等。
那么，怎樣才能解決問題呢?采用壓縮技術(shù)是一種辦法。
數(shù)字視頻壓縮引起失真
目前最常用的數(shù)字視頻壓縮算法是MPEG-2。從現(xiàn)有的衛(wèi)星電視傳輸、有線數(shù)字電視傳輸?shù)娇罩袛?shù)字廣播，MPEG-2在各種應(yīng)用中已經(jīng)被國(guó)際上廣為采用。
MPEG-2首先通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償去除時(shí)間冗余，然后將一幀圖像分割成一個(gè)個(gè)8x8的相素點(diǎn)陣，在每個(gè)點(diǎn)陣內(nèi)使用DCT(離散余弦變換)去除空間冗余。DCT完成后通過(guò)量化和重組后壓縮就完成了，然后進(jìn)行可變長(zhǎng)編碼，最后進(jìn)行霍夫曼編碼。整個(gè)壓縮過(guò)程極大的減少了比特率(>10:1壓縮比)。
然而，比特率的減少也帶來(lái)了問題，因?yàn)榫幋a損失了一些原始的視頻信息，有可能引起嚴(yán)重的負(fù)作用，所以，MPEG-2被稱為有損編碼。它丟棄了被認(rèn)為視覺上較為次要的圖像信息。壓縮得越大，編碼后的圖像與原始圖像的差異就越大。圖像質(zhì)量和逼真度現(xiàn)在取決于所選擇的(或通常是施加的)壓縮級(jí)別。因?yàn)樗苯优c可用帶寬相關(guān)，我們必須問問自己，什么時(shí)候才不出現(xiàn)過(guò)度的視頻壓縮呢?
看得見的失真
在數(shù)字信號(hào)傳輸中的帶寬限制以及過(guò)分的圖像壓縮，使壓縮后的圖象完全不同于模擬世界看到的圖像。
通常，模擬圖像變差(或噪聲)經(jīng)常是以高斯噪聲的形式出現(xiàn)，該噪聲的優(yōu)點(diǎn)是它會(huì)保留基本的內(nèi)容并且因?yàn)槿搜垡曈X缺陷而不易被發(fā)覺。我們常常會(huì)看到那些有些模糊而讓人不那么舒服的模擬圖像，但是，這并不會(huì)讓人覺得明顯的反感。
數(shù)字噪聲遵循的是一種不同的分布模式，更重要的是，其特殊的形態(tài)讓人的視覺感到很不自然。當(dāng)將MPEG-2編碼(或任何基于DCT模塊的編解碼)用到極限，失真就主要有兩種方式：蚊式噪聲(Mosquito noise)和方塊效應(yīng)(Blocking artifacts)。
蚊式噪聲和a.k.a. Gibbs效應(yīng)
蚊式噪聲
在清晰的彩色背景上，圍繞突出物體、電腦仿真物體或滾動(dòng)的字符周圍的蚊式噪聲最為明顯。它看起來(lái)像某種圍繞物體與背景之間高頻分界(在前景物體與背景之間形成的尖銳跳變)的朦朧的東西或閃光體，甚至有時(shí)它被誤認(rèn)為是環(huán)繞物。不幸的是，這種細(xì)小的效應(yīng)在人身體之類更接近自然的形狀上也能看到。VIRIS項(xiàng)目組(視頻參考損傷系統(tǒng))將蚊式噪聲定義為“伴隨著運(yùn)動(dòng)物體邊緣的失真，表現(xiàn)為圍繞著物體四周有一層象飛行物體和/或模糊的氣泡的物質(zhì)(就像蚊子圍繞著人頭部和肩膀飛)”。
當(dāng)重建圖像并因?yàn)槭褂糜梅从嘞易儞Q丟棄一些數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蚊式噪聲。
“蚊子”在一張圖像的其它部分也可以找到，例如，在特定的紋理分界處或顆粒狀物體處也會(huì)出現(xiàn)蚊式噪聲。結(jié)果就有點(diǎn)類似隨機(jī)噪聲了，噪聲看起來(lái)似乎與紋理或顆粒物混合在了一起，看起來(lái)就像畫面的原始特征。
方塊效應(yīng)
方塊效應(yīng)
方塊效應(yīng)，名副其實(shí)，在圖像中表現(xiàn)出令人討厭和不自然的方塊。有時(shí)侯表現(xiàn)為一大塊，它是一種圖像的失真，且是由分塊編碼結(jié)構(gòu)造成的。
當(dāng)編碼達(dá)到最大化的時(shí)候，每個(gè)像素點(diǎn)陣就會(huì)被相當(dāng)粗糙地取平均，使之看上去像一個(gè)大像素。每一個(gè)像素點(diǎn)陣的計(jì)算都不一樣，這樣就造成了各個(gè)點(diǎn)陣之間象是有明顯的邊界一樣。
當(dāng)物體或攝像機(jī)快速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候該效應(yīng)更為明顯。最佳的例子是在NFL(美國(guó)國(guó)家足球聯(lián)盟)廣播過(guò)程中，抱球飛奔的運(yùn)動(dòng)員看起來(lái)就像老式任天堂游戲機(jī)里的馬利奧兄弟似的。
預(yù)平滑
盡管預(yù)平滑不是圖像壓縮處理算法中的一種，但它已經(jīng)被用于消除這種數(shù)字失真。
廣播公司和內(nèi)容提供商已經(jīng)越來(lái)越意識(shí)到其傳播系統(tǒng)的缺陷，他們中的一些針對(duì)已有的帶寬限制采用了相當(dāng)有爭(zhēng)議的解決方案：預(yù)平滑。
通過(guò)在信號(hào)輸入信道之前消除其圖像中的高頻部分，編碼器有更多的時(shí)間處理其任務(wù)，所產(chǎn)生的圖像受到方塊效應(yīng)和蚊式噪聲的影響就更小。另一方面，這種一定程度上的過(guò)度濾波也損失了原始圖像中的所有微細(xì)變化和紋理。
