数字化图像无线传输对图像质量的影响

【摘要】无线方式传播的电磁波在传输过程中受到时空等客观条件制约，图像质量受到一定影响。本文简要阐述了图像无线传输中电磁波信号各种衰落情况，介绍了减少传输对图像质量影响的方法，以期为同行提供借鉴。

【关键词】无线传输；图像质量；电磁波；衰落

1.引言

随着计算机信息技术的发展，人们能够利用图像信息采集的扫描技术，对相关图像信息进行模拟化处理，然后把连续色调的模拟图像转变成电子信号，经采样量化后转换成数字影像，即图像的数字化处理。

当模拟视频技术与现代无线网络视频技术进行有机结合，并基于图像的数字化以及压缩加密、实时控制、无线网络通信传输等技术，将模拟摄像机采集的视频信号数字化并压缩加密后，通过编解码器、无线网络传输，用户就可以观看实时图像。但是，经过传输的数字化实时图像够清楚吗？即数字化图像无线传输的图像质量。

1.电磁波传输中影响因素

建筑物、树木、车辆等对无线方式传播中的电磁波有相当的障碍作用。在遇到上述障碍物后发射的电磁波会发生衍射、反射或散射等现象，接收机端接收到的信号，因此而叠加了各种各样的干扰信号，造成了许多影响：

⑴在超过很多倍波一长的距离的情况下，远场平均功率会随着距离增大而减小，它减少的速率应大于d2。

⑵在同样超过很多倍波长的相对远距离的情况下，实际接收功率会在平均功率上下随机变化。此时，一个很不错的近似假设就是功率以分贝（dB）为单位，服从均值为平均功率的正态分布或高斯分布，数位方差在6dB到IOdB范围内。此时得到的功率概率分布就会被称为对数正态分布。这两个影响实际接收功率和远场平均功率，一般表现的为在相对远的距离下大尺度衰落发生的变化。

⑶在距离很近时，在波长的范围内可以测得的信号将会大幅度变化。对于在移动的接收机，小距离内信号发生的较大变化是快速发生的信号的变化，信号的变化速率与接收机的移动速率为正比例关系。此种小尺度的信号变化，是由于多路的接收信号合并而成的有益或有害的相位干扰造成的，此种现象涉及到了多径衰落。

2.电磁波信号阴影衰落

2.1信号阴影衰落与原因

⑴信号阴影衰落

建筑物、树林、山丘等大型物会阻挡、障碍电磁波的传播路径，会造成起伏的电磁波，造成电波大片的阴影区域，使得信号的场强中值缓慢变化，从而引起衰落。被称为阴影慢衰落。气象状况的改变，使得途径的电波折射系数也随之发生相应变化，造成同一地点的接收信号场强中值也可能随时变化。由于在陆地的移动通信中信号场强中值随时间的改变会远小于因地形引起的慢变化，因此，通常会忽略。

阴影衰落反映的是在中等范围内，波长量级为数百的接收电平均值变化而引起的损耗，其通常遵从对数正态分布。

⑵ 慢衰落主要原因：①路径损耗；②由于障碍物的阻挡产生的电磁波阴影区；③与移动台和障碍物的相对速度、电磁波工作频率、天气的变化等有关。

2.2路径损耗与多径衰落

⑴路径损耗

路径损耗系指在接收和发射之间的传播环境所引入的损耗量。损耗在电磁波在空气中传输时发生，原因是由于空气会对信号产生过滤作用，特定的电磁频率可能会被空气障碍，产生过滤或完全阻塞现象。大尺度路径损耗是指有效发射功率与平均接收功率的差值，是用来测定接收机和发射机之间的信号平均衰落。其衰落模型主要有布灵顿模型、自由空间模型和EgLi模型等。

⑵多径衰落

瑞利衰落信道是一种无线电信号在传播环境中衰落的统计模型。此种模型是假设信号在通过了无线信道之后，其信号的幅度会是随机的，此种现象即“衰落”。此信道模型可以描述由对流层和电离层反射的短波信道和有密集建筑物的城市环境。

在无线通信环境中，经过折射、散射、反射等多种路径传播的电磁波到达接收机后，其总信号强度将服从瑞利分布。同时又因为接收机移动和其他的原因，信号相位和强度等等特性又有起伏变化。若接收到的信号之中除经折射、散射、反射等方式传来的信号之外，还有从发射机直接传送到接收机的信号，则总信号强度将服从莱斯分布。

多路信号传送到接收机的时间一般情况下有先后，也就是有相对的时间延迟。若这些相对时延远远小于一个字符的时间，多路信号基本不会造成字符间的干扰。此种信道的频率响应在有用频段内由于是平坦的，此种衰落被称为平坦衰落。

与之相反，如果多路信号间的相对时延与一个字符的时间相比较不能被忽略，则当多路信号相互迭加时，不同时间的字符就将被重叠在一起，这样就会造成符号间干扰。此种信道的频率响应在有用频段内由于是不平坦的，此种衰落被称为频率选择性衰落。

慢与快衰落，常指的是信号与一个字符时间相比较其变化的快慢。若在一个字符的时间里，信号变化不大，则可认为是慢衰落。相反，若在一个字符的时间里，信号存在明显变化，则可认为是快衰落。

对于存在了能够散射无线电信号的大量障碍物，这样的无线传播环境能够被瑞利衰落有效的描述。若在传播环境中有足够多的散射，那么激励信号被接收机接收后会表现为多个独立的随机变量叠加的方式。

若是此散射信道之中没有主要的信号分量，这一条件通常是特指没有直射信号，那么可以得到此过程的均值为0，并且相位服从[0，2p]的均匀分布。即是信道响应的包络或是能量将服从瑞利分布。若是信道中有主要分量，如直射信号，那么信道响应的包络将服从莱斯分布，而相对应的信道模型即为莱斯衰落信道。

通常会将信道增益用等效基带信号来表示，即用一个复数来表示信道的相位和幅度特性。即瑞利衰落就能够用此种复数来表示，其实部和虚部将服从均值为零的独立分布高斯过程。

接收端和发射端间相对运动的速度大小与信道衰落的快慢相关。这种相对运导致了接收信号多普勒频移效应。例如一瑞利衰落信道其多普勒频移的最大分别是l0Hz和100Hz，载波频率GSM1800MHz，它相对应的移动速度分别是6km/h和60km/h。须特别注意的是信号“深衰落”的现象，此时的信号能量衰减可达数千倍，即是30-40dB。

3.数字化图像无线视频传输的影响

因为衰落现象造成了无线网络的带宽与频率资源更为有限，所能达到的带宽远低于有线网络。由于公共移动通信网络其单个终端的有效带宽相当有限，往往需要同时承载语音、数据等传输业务，高带宽的视频监控数据易发生丢包，而且可用带宽经常发生波动。无线信道的误码率比较高。特别是当终端设备处于移动状态时，可用带宽和误码率指标有较大幅度下降。如此必将影响视频图像的传输质量。

4.减少传输对图像质量影响的方法

4.1录像文件质量

录像本身文件质量是至关重要的，因此在采集信号时，主要关注的是源视频采集和被测视频采集的无线网络视频服务器的录像文件质量。

①将制作好的AVI格式的视频源在测试计算机上存成相应的文件名及存在相应的路径上。

②将制作好的视频源通过DVD播放机输出到W-NVS的输入端，然后由W-NVS编码后通过其无线发射模块发送到其接收服务器上，再通过其管理软件进行录像采集，录像格式应设定为AVI格式，将有用的视频保留下来并存成已设定好的文件名。

4.2分辨力、分辨率、峰值信噪比和帧率

视频分辨力是对一帧等宽黑白相间的线条图像，能分辨其黑白线条最小宽度的能力。对于分辨力的测试主要是依靠测试人员主观的判断，因此，必须要由测试人员观察得到。

分辨率是一帧图像能被人眼分辨出的像素数。表示经过W-NVS编码-传输-解码后视频的清晰度，反映了是否有像素丢失的情况。

峰值信噪比是参考视频的数字信号在压缩前的信号能量与对其进行压缩一解压后失真视频的数字信号的能量之比。其数值表示了在此过程中视频被加入了多少噪声，与源视频文件相比的色彩还原性，有无失真等情况。

帧率指图像序列中每秒所包含的图像帧数。此测试指标能够反映经W-NVS传输后得到的视频的连续性，是否存在丢帧的现象。

4.3设计、制作视频源与测试软件

由于没有成型的视频源，需要分别制作相应的视频源以完成对其的测试工作，即：a.分辨力视频源；b.分辨率及帧率视频源；c.峰值信噪比视频源。在视频测试图设计完成后进行合成。

测试软件设计主要有：视频预处理、帧率测试、分辨率测试、峰值信噪比的测试等。

参考文献

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