圖像通信系統

圖像信息具有直觀、形象、易懂和信息量大等特點，因此它是在人們日常的生活、生產中接觸最多的信息之一。圖像信息的傳輸無論是在理論研究方面還是在實際應用方面都取得了長足的進展。尤其是數字通信的發展、計算機網絡的普及、微電子芯片密度的增加，對數字圖像通信技術的發展起了關鍵性的推動作用。而數字圖像通信技術的發展又反過來促進和加速了上述各項技術的發展。 ^[1] 

在日常的生活和工作中，我們經常接觸的信息主要有三類，它們是語音、文本和圖像信息。其中，語音和簡單的圖像(圖形)是人類最早應用於信息交流的一種方式。然後，隨着社會的發展，出現了表達某種特定信息的符號，即文字、文本。我們這裏所説的圖像信息的特點，是和語音、文本信息相比較而言的，並且僅從人們對這些信息的發出和接受、理解和表達等方面有何不同這一角度出發的。

生活的經驗表明，對語音信息的發出和接受，是需要經過一定的學習和實踐的。因此，人們無論是説話(發出語音信息)或聽話(接受語音信息)，都必須通過大腦的思維，將不同的音節“轉換”為不同的含意。和語音信息相類似，文本信息的交流，更是需要經過人的思維“轉換”，才能接受。

再從人們接受或發出信息的方式來比較一下。人們在發言或聆聽的過程中，基本上是一種“串行”的輸入、輸出方式。以發言為例，説話者必須一字、一句地説。不可能同時將這段話的每個字的所有的語音一併發出。文本信息情況也和語音差不多，文章也必須一字、一句地寫出來。顯然，這也是一種串行的信息交流方式。

因此，和語音、文本信息相比較，圖像信息主要具有以下三方面的特點。

一是圖像的直觀性強。在一般情況下圖像是外界場景的直接反映，幾乎近於“所見即所得”，不需要經過人的思維的特別“轉換”，可以直接被人所理解。

二是圖像信息的信息量特別大。俗話説“百聞不如一見”，它表明一幅圖像帶給我們的信息量是巨大的。例如，我們可以憑一張某人的照片在人羣中識別出此人。但我們很難依據一篇描述此人的文章(儘管可以用成千上萬的字來描述)來識別他。此外，“百聞不如一見”中的“一見”也表明人們接受圖像信息的方式是一種“並行”的方式，一眼看去，圖中所有的像素盡收眼底。而不是一個像素一個像素地看，一行一行地看。

三是圖像信息(尤其是自然場景圖像)的確切性不十分好，存在一定的模糊性，這是相對於語音和文本信息而言的。例如，面對同一幅圖像，不同的觀察者會有不同的理解和感受，甚至有可能給出不同的解釋。

將上述內容歸納一下，形成表1，從中我們可以清楚地看出圖像信息的直觀性強，易於為人們所接受，能表達語音或文本信息難以表達的東西，這些就是圖像信息倍受人們歡迎的根本原因之一，也是圖像通信近來得到迅速發展的根本動力之一。人們喜歡圖像信息，喜歡圖像信息的交流，如“千里眼”的傳説就反映了長期以來人們的這種需求和喜好，只是受限於我們的通信能力，難以實現人們的這種願望而已。

表1 三類信息的特點比較

至於為什麼難以實現，這恰恰又要歸結於圖像信息的“信息量特別大”的特點，使得我們在實現了“順風耳”(語音通信)以後的很長的一段時間內，也可以説迄今為止都沒有很好地實現“千里眼”(圖像通信)。因此，如何解決圖像信息量特別大的問題，在圖像通信這一技術領域是一個放在首位的問題。

如前所述，由於和語音信息相比，圖像信息具有直觀性強、內容豐富等特點。因此，通信中引入圖像信息的傳輸，不僅大大地豐富了通信的內容，而且也更適合人獲取信息的生理、心理特點。

圖像通信系統所傳送的主要是人的視覺能夠感知的圖像信息，它包括自然景物、文字符號、動畫圖形等。圖像通信系統也和其他通信系統一樣，經歷了一個從模擬到數字的轉化過程。目前，數字圖像通信方式已處於主流地位，因此，我們這裏所介紹的也主要是數字圖像通信系統。它的系統構成和其他的數字通信系統類似，只不過處理的信息內容為數字圖像而已。

圖像通信系統的種類較多，從應用的角度來看，圖像通信的方式按業務的性質可分為電視廣播、可視電話、會議電視、視頻點播(VOD)、遠程教育、遠程醫療、傳真、圖文電視、交互電視、Web視頻等。隨着計算機、電視與通信技術的結合，新的圖像通信業務也將不斷出現。若按照圖像內容的性質劃分，則可分為活動圖像和靜止圖像通信兩大類。由於圖像信息具有信息量大的特點，圖像通信需要佔用比話音通信大得多的信道。為了使圖像通信在大眾中普及應用，就必須根據不同類型的圖像的特點，採用行之有效的信息壓縮方法，達到圖像信息的高效傳輸。

數字圖像通信系統的組成框圖如圖41.1所示。圖中左邊是發送端，右邊是接收端。在發送端，圖像信源首先進入的數字化部分，經過A/D轉換形成數字圖像信號。信源編碼的作用是去除或減少圖像信息中的冗餘度，壓縮圖像信號的頻帶或降低其數碼率，以達到經濟有效地傳輸或存儲的目的。經過壓縮後的圖像信號，由於去除了冗餘度，相關性減少，抗干擾性能較差。為了增強其抗干擾的能力，通常可對其進行信道編碼，即適當增加一些保護碼(糾錯碼)。這時數碼率雖然略有所增加，但卻顯著提高了抗干擾性能。最後，系統中的調製部分把信號變為更適宜於信道中傳輸的形式，常用的數字調製方式有mPSK、mQAM、VSB等。在接收端，接收信號的解調、信道解碼、信源解碼等部分均為發送端相應部分的逆過程，這裏不再贅述。有時，為了獲得更好的圖像質量，可在信源編碼之前增加預處理，在顯示部分之前增加後處理。

通信信道一般可理解為傳輸圖像信號的通信線路，但從廣義上説，存儲處理器也可看成信道，它也能將圖像信息從一地傳送到另一地，只不過不是實時地，而且是通過機械搬移的方法來實現的信息傳送。

和以往的模擬系統相比，上述數字方式的圖像傳輸系統具有以下幾方面的優點：

①可以多次中繼而不致引起噪聲的嚴重積累。因此適合於需多次中繼的遠距離圖像通信或在存儲中的多次複製。

②有利於採用壓縮編碼技術。雖然數字圖像的基帶信號的傳輸需要佔用很高的頻帶，但採用數字圖像壓縮編碼技術後，可在一定的信道頻帶的條件下，獲得比模擬傳輸更高的通信質量；甚至在窄帶條件下，也可實現一定質量的圖像通信。

③易於與計算機技術結合，在IP網絡上實現圖像、聲音、數據等多種信息內容的綜合傳輸。

④可採用數字通信中的抗干擾編碼技術，以提高抗干擾性能。

⑤易於實現保密通信。

⑥採用大規模集成電路，可以降低功耗，減小體積、重量，提高可靠性，降低成本，便於維護。