1. MPEG降噪是什麼意思
MPEG降噪是用軟體方式對視頻畫面加以平滑處理來減少噪點使圖像質量提升的一種方式。
視頻壓縮和MPEG降噪技術
理論上,數字電視(DTV)畫面品質優於傳統的模擬電視,沒有鬼影、雪花、顫動和色彩失真等等問題。而且,模擬電視信號正如可以論證的那樣,最大的缺陷就是畫面斑點甚多,且因為對高頻信號響應不足而導致畫面不夠細膩,簡單地說,就是帶寬不夠。圖像越細致,解析度就越高,所需要的帶寬就越大。
很久以前,美國官方就把可用頻譜中的每6MHz帶寬分配給美國廣播公司的每一個頻道以提供模擬電視信號,這種對視頻帶寬的限制及其對應的顯示標准(NTSC色彩空間),就決定了傳統電視機的特徵,並在幾十年時間里決定了電視畫面的質量。
隨著數字電視的出現,廣播公司看到了能更充分地利用其分配的帶寬的機會。的確,從他們的角度來看,數字電視最突出的優點莫過於容許在同樣的帶寬內傳輸更多的頻道,並且同樣能支持後續的高清晰度電視節目(HDTV)
冗長的數據
HDTV對技術的要求非常高。傳統傳播模擬信號的NTSC信號在一個頻道6MHz帶寬內最低要使用4.2MHz的帶寬,並以29.97Hz的場頻掃描525線。經過數字量化和編碼壓縮之後,該信號可以被記錄在DVD上,其位傳輸bit率從2Mbits/s到10Mbits/s(支持自適應),平均為4Mbits/s。比較而言,典型的HDTV具有5倍於模擬TV的解析度。
因此在同樣條件下,傳輸數據率應該是模擬信號的5倍才能達到同樣的性能。
無論是傳統的空中廣播(OTA)、有線電視公司的機頂盒,還是衛星電視,他們都在傳輸信號時受到帶寬的制約,在受限的帶寬上他們還要附加佔用帶寬的服務,包括互動廣播、收費頻道和電視節目表等等。
那麼,怎樣才能解決問題呢?採用壓縮技術是一種辦法。
數字視頻壓縮引起失真
目前最常用的數字視頻壓縮演算法是MPEG-2。從現有的衛星電視傳輸、有線數字電視傳輸到空中數字廣播,MPEG-2在各種應用中已經被國際上廣為採用。
MPEG-2首先通過運動補償去除時間冗餘,然後將一幀圖像分割成一個個8x8的相素點陣,在每個點陣內使用DCT(離散餘弦變換)去除空間冗餘。DCT完成後通過量化和重組後壓縮就完成了,然後進行可變長編碼,最後進行霍夫曼編碼。整個壓縮過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了問題,因為編碼損失了一些原始的視頻信息,有可能引起嚴重的負作用,所以,MPEG-2被稱為有損編碼。它丟棄了被認為視覺上較為次要的圖像信息。壓縮得越大,編碼後的圖像與原始圖像的差異就越大。圖像質量和逼真度現在取決於所選擇的(或通常是施加的)壓縮級別。因為它直接與可用帶寬相關,我們必須問問自己,什麼時候才不出現過度的視頻壓縮呢?
看得見的失真
在數字信號傳輸中的帶寬限制以及過分的圖像壓縮,使壓縮後的圖象完全不同於模擬世界看到的圖像。
通常,模擬圖像變差(或雜訊)經常是以高斯雜訊的形式出現,該雜訊的優點是它會保留基本的內容並且因為人眼視覺缺陷而不易被發覺。我們常常會看到那些有些模糊而讓人不那麼舒服的模擬圖像,但是,這並不會讓人覺得明顯的反感。
數字雜訊遵循的是一種不同的分布模式,更重要的是,其特殊的形態讓人的視覺感到很不自然。當將MPEG-2編碼(或任何基於DCT模塊的編解碼)用到極限,失真就主要有兩種方式:蚊式雜訊(Mosquito noise)和方塊效應(Blocking artifacts)。
蚊式雜訊和a.k.a. Gibbs效應
蚊式雜訊
在清晰的彩色背景上,圍繞突出物體、電腦模擬物體或滾動的字元周圍的蚊式雜訊最為明顯。它看起來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,甚至有時它被誤認為是環繞物。不幸的是,這種細小的效應在人身體之類更接近自然的形狀上也能看到。
VIRIS項目組(視頻參考損傷系統)將蚊式雜訊定義為「伴隨著運動物體邊緣的失真,表現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(就像蚊子圍繞著人頭部和肩膀飛)」。
當重建圖像並因為使用用反餘弦變換丟棄一些數據時,就會出現蚊式雜訊。」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出現蚊式雜訊。結果就有點類似隨機雜訊了,雜訊看起來似乎與紋理或顆粒物混合在了一起,看起來就像畫面的原始特徵。
方塊效應
塊效應,名副其實,在圖像中表現出令人討厭和不自然的方塊。有時侯表現為一大塊,它是一種圖像的失真,且是由分塊編碼結構造成的。
當編碼達到最大化的時候,每個像素點陣就會被相當粗糙地取平均,使之看上去像一個大像素。每一個像素點陣的計算都不一樣,這樣就造成了各個點陣之間象是有明顯的邊界一樣。
當物體或攝像機快速運動的時候該效應更為明顯。最佳的例子是在NFL(美國國家足球聯盟)廣播過程中,抱球飛奔的運動員看起來就像老式任天堂游戲機里的馬利奧兄弟似的。
預平滑
盡管預平滑不是圖像壓縮處理演算法中的一種,但它已經被用於消除這種數字失真。
廣播公司和內容提供商已經越來越意識到其傳播系統的缺陷,他們中的一些針對已有的帶寬限制採用了相當有爭議的解決方案:預平滑。
通過在信號輸入信道之前消除其圖像中的高頻部分,編碼器有更多的時間處理其任務,所產生的圖像受到方塊效應和蚊式雜訊的影響就更小。另一方面,這種
一定程度上的過度濾波也損失了原始圖像中的所有微細變化和紋理。
例如,一個蓄須達一周的足球運動員現在看來象是胡須剃得很乾凈(即使他處於靜止狀態),而體育場則看起來像一片綠色的大地毯。
可以證明,盡管有人會覺得預平滑也不錯,但這完全是一個不可逆的演算法。一旦處理掉了細節,人們就不能再重建它們了。
然而,方塊效應和蚊式雜訊確實消失了。
MNR: Algolith
公司的解決方案
從學術的觀點看,人們已經對圖像的壓縮和校正進行了廣泛的研究,但是,至今為止,尚沒有多少針對最終用戶的切實可行的解決方案。
Algolith公司是最先提供實時解決蚊式雜訊和方塊效應的解決方案的公司之一,Algolith的產品是MNR(MPEG Noise Recer-MPEG消噪器)。
MNR實現了4種獨特的圖象處理技術:
1 - 每個像素實時回歸進行降噪
2 - 採用巧妙的分組技術降低蚊式雜訊
3 - 通過檢測、混合及逐步縮小基於DCT壓縮的點陣來減弱方塊效應
4 - 採用非線性濾波實現圖像體調整
MNR的本質在於其空間圖像分析模塊。每個像素被定義在不同的區域,比如邊緣,紋理,平面或者交叉區域。MNR同樣關注運動圖像的瞬時狀態。考慮了所有這些因素後MNR會在多種濾鏡中選擇一種加以應用。
MNR獨特的適用性使其成為一種先進的圖像處理系統。MNR能在出問題的特殊區域運行而不會影響到畫面的剩下部分。要知道何時何地使用濾鏡同何時何地不使用濾鏡是同等重要的。正是基於這種理念MNR被設計了出來。因此,MNR僅用來增強觀看體驗而且特別適用於大屏幕顯示器和投影顯示器。
其高度自適應特性還容許在不改造已經建立的廣播基礎設施的條件下改善圖像質量。MNR的設計一直考慮了實時實現和硬體可行性,因而可以被無縫地植入到終端用戶現有的家庭影院設備之中。
蚊式雜訊(左),採用Algolith公司的MNR技術處理(右)
方塊效應(左),採用Algolith公司的BAR技術處理(右)
顯示技術的發展
曾經,NTSC標准代表了顯示領域的標准。模擬電視多年來一直都保持不變的解析度,視覺質量的改善並無實質進展。目前,由於政府主管部門沒有強制執行新的數字電視標准,無論好壞怎麼樣,都使普通電視的標准得到了不斷的進步。
解析度標準的提高是沒有盡頭的。隨著新興顯示技術的快速發展(LCOS,DLP等等),一些新型顯示器現在可以超過信號能表現的最大解析度。更重要的是,新的顯示具有更高的對比度,還達到了幾年前難以想像的大尺寸屏幕。
所有這一切都給提高圖像質量提出了更高的要求,因為對於那些干擾和失真它們表現出了放大鏡的作用。
隨著顯示技術的不斷進步,象Algolith公司專有的MNR技術那樣的對原始圖像信號的修正方案,將更具有吸引力。
最大限度地沿用SD DVD直到HD塵埃落定
向數字世界的轉移不僅僅表現在廣播電視工業,老式的家用錄像帶系統在全數字的DVD視頻(數字通用碟)面前也將加速走向滅亡(如果還算沒有全部滅亡的話)。但是,即使這種技術在壓縮的要求下也顯得不安全。
的確,增加新的內容,加長的影片時間,多聲道的音軌會使本已經包含有大量內容的碟片播放起來不那麼清楚了。因為更多內容的加入,會使碟片空間顯得不夠而導致不得不提高壓縮率。這樣的結果是,消費者開始抱怨效果不清楚,這促使了「超級內容」DVD的出現,這種DVD關注於如何使碟片能裝下的電影內容最大化。
這種發自DVD出版行業的行動不僅證實了壓縮可能帶來的缺點,而且還表明了公眾對其的認識。因此,正常的DVD媒介可能會從進一步的視頻處理中獲益,如Algolith公司的MNR解決方案,NHR容許現有這一代媒介沿用下去,直到我們等來藍光、HD DVD和HVD之戰的勝者。
未來展望
新格式之戰的勝者關注的是提供具有最高視覺品質的高清晰內容,這當然是採用現有的DVD技術不可能做到的事情。此外,這些新格式除了包含現有編解碼技術外還將包括下一代編解碼技術:
MPEG-2, 常用的高清方案
VC-1, MPTE標准421M的非正式草案,基於微軟的Windows媒體播放器(WMV)技術。
MPEG-4/AVC a.k.a. H.264, 是最有發展前景的編解碼方案。
然而,這些牽涉到版權問題的不同標准有可能導致象DTV啟動時那樣的混亂狀態。最終圖像質量會受到何種影響,尚需拭目以待。
編解碼器越優秀,用戶的需求就越高
數字電視和高清電視為圖像質量最初帶來的彷彿是「聖杯」,盡管如此,現實卻是我們的圖像質量要做到脫胎換骨還為時過早。對壓縮的需求本身已經帶來了若干問題,隨著更好的顯示技術的出現,這些問題對一般電視觀眾會變得更為明顯。
整個行業都認識到有限視頻帶寬的嚴峻現實,作為下一代解決方案的編解碼效率的提高展示出改善圖像質量的潛力。然而,由於未來似乎被對帶寬日益增長的需求所主導(IPTV增加了互動性和內容定製),人們可能要問,如果僅僅在壓縮技術上創新還能滿足消費者的期望嗎?
隨著現實與需求之間差距的擴大,開發更好的視頻處理演算法將成為未來追求高清顯示的另一個戰場。