视频信号数字化处理后所带来的信号损伤和畸变的种类及特点_教学论文_理工论文_计算机与信息技术论文
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视频信号数字化处理后所带来的信号损伤和畸变的种类及特点
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视频信号数字化处理后所带来的信号损伤和畸变的种类及特点&&&&电视信号数字化处理需要三个步骤，即：取样、量化和编码，下面就各个步骤来分别介绍它们给视频信号带来的损伤。一取样过程产生的信号损伤&&&&在取样的过程中对信号造成的损伤主要有：孔阑效应、混叠效应、过冲和振铃。为了说明这些损伤所产生的原因，我们在以下叙述中给出分析结果。&&&&取样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。根据奈奎斯特取样定理：对于最大频率为fm的信号f(t)，当取样频率fs不低于2fm时，由截止频率为fm矩形低通滤波器可以从取样信号中完全恢复原信号。但实际的物理过程与数字模型有不同的工程结果。1.孔阑效应&&&&在数学模型的理想化状态下理想的取样脉冲宽度为无穷窄，取样情况及其频域情况如图一所示，但在实际设备中取样脉冲只能是有限宽度的脉冲，它的取样情况及其频域情况如图一所示，很显然具有不等于零的实际的有限宽度的取样脉冲所引起的孔阑效应会产生高频衰落。&&&&由于信号的高频部分反映的是视频图象的细节，因此高频衰落会导致视频画面的细节模糊。针对这种情况实际工程中一般采用在将数字信号恢复成模拟信号以后通过提升高频的办法对这种失真进行补偿和校正。&&&&一般来讲,由于取样信号的频率fs必须满足fs&2fm,而为了减少孔阑效应要求取样脉冲的宽度τ尽量小,因此要满足τ远远小于取样信号的周期T,即取样信号的脉冲宽度要满足1/τ&&2fm。2．混叠效应&&&&在实际应用中，为满足奈奎斯特定理在取样之前应使用截止频率为取样频率一半的滤波器对原信号进行滤波，滤除可能产生频谱混叠的高频成分，以保证新处理的信号是一个有限带宽的处理信号。理想低通滤波器特性如图二所示，但实际的低通滤波器性能如图三所示，因此为了尽量滤除大于1/2fc的频率成分，就要选择多阶滤波器。如果滤波器的阶数不足以达到滤除1/2fc以上的高频分量，会引起恢复的信号中频谱混叠效应。混叠效应在视频图象上表现为一种被称为morie的涟漪状的干扰。3．过冲和振铃&&&&在保证有效的消除混叠效应时，在上述情况已建议采用多阶滤波器以满足滤波器的带外特性，但是取样前的低通滤波器如果阶数太大，会引起过冲和振铃从而造成恢复的视频信号过渡的边沿不清晰。&&&&针对以上两种信号损伤造成的矛盾，主观上选用阶数少的滤波器会有利一些，因为频谱混叠效应只有在图象有超过二分之一取样频率以上分量时，特别是有单频分量时才会明显感觉到，因此是偶发事件。但过冲和振铃效应却是只要有过渡边沿就回出现的经常性现象。因此就主观感觉来说，减少过冲和振铃留有一些混叠相对来讲更有利一些。一般工程上出于平衡考虑取样频率选为fc=(2.2---2.5)fm。&&&&另外为克服这一矛盾的方法是采用过抽样方式，即在抽样时用两倍抽样频率抽样，这时频谱按两倍抽样频率周期重复，重复频谱中心频率之间的间隔比正常情况大一倍，如图四所示。这时抽样前的滤波相对简单，可以用阶数少、频率特性缓降的无振铃滤波器，然后在数字域用线形相位滤波器进行二分之一抽取滤波器恢复到原抽样频率样值。另外，在此过程中，取样频率增加了一倍，因此取样脉冲的宽度只有原来的一半，从而也起到了减少孔阑效应的作用。二量化误差所带来的信号损伤&&&&取样过程是把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，量化的过程则是进行幅度上的离散化处理。因此在时间轴的任意一点上量化后的信号电平与原模拟信号电平之间在大多数情况下总是存在有一定的误差，量化所引入的误差是不可避免的同时也是不可逆的，由于信号的随机性这种误差大小也是随机的，这种表现类似于随机噪声效果，具有相当宽度的频谱，因此我们又把量化误差称为量化噪声。但量化误差与噪声是有本质的区别的，因为任一时刻量化误差是可以从输入信号求出的，而噪声与信号之间则没有这种关系。&&&&降低量化误差的方法最直接的就是增加量化级数减小最小量化间隔，但由此带来码率的增加从而要求更大的处理带宽，一般现在的视频信号均采用8比特、10比特，在信号质量要求较高的情况下采用12比特量化。此外，我们在设计一套系统的时候，可以考虑在系统的不同环节采用不同的比特量化，使得在系统的各个环节的量化级相互错开，从而避免量化噪声累积效果所产生的台阶效应，这种均衡的效果可以改善整个系统的量化失真。一般量化比特高的环节应该放在系统的前端，这样可以使系统的前端对信号造成的不可恢复损伤减小到最低限度。&&&&为了减小量化误差我们还要正确的选择量化方式。量化有两种量化方式，一种是取整时只舍不入，此时产生的量化误差总是负的，最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔d；另一种是取整时有舍有入，此时量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为1/2d。因此为了减少量化误差，应该采用有舍有入量化方式。1．轮廓效应&&&&如果信号两个相邻量化电平相差较大，若在图象面积较大的范围内，视频信号缓变区（如渐变的蓝天）能够看出不连续的跳变，即会在图象缓变区出现从一个量化电平到另一个量化电平之间的轮廓线，实际上就是图象的等量化电平线。这种轮廓线是原图象所没有的，所以又称为伪轮廓，即轮廓效应。&&&&一种简单而有效的消除轮廓效应的方法是利用随机的高斯噪声信号发生器产生颤动信号，叠加到被量化的信号当中，当颤动信号的均方根值大于1/3d时人们便觉察不到轮廓效应的存在。在数字电视中使用最多的颤动信号是重复频率为取样脉冲的一半，峰-峰幅度为1/2d的方波，具体步骤如图五所示。图五高频颤动的效果&&&&由图五比较可以看出，叠加颤动信号的效果等效于将量化间隔由d减小到1/2d，或者说将量化级数提高了一倍（比特数由n提高到n+1），从而改善了轮廓效应。顺便指出，由于模/数转换中的取样、量化都属于非线形过程，难以避免会出现差拍干扰，采用叠加颤动信号的方法对于消除图象中的差拍干扰也同样有效。同时由于颤动信号的幅度小，频率高，并未对图象细节造成显而易见的损伤。2．颗粒杂波&&&&如果最小量化电平不够小，则图象较弱信号的缓变区可能会出现在邻近的两个量化电平之间产生由于四舍五入法则而造成的跳变，使得图象在这个区域内出现颗粒状的杂波，而人的视觉对图象弱信号缓变区的噪声则是非常敏感的。&&&&为了克服均匀量化时这种大信号时信噪比有余，而小信号时信噪比不足的特点，我们可以采用小信号时量化级间宽度小而大信号时量化级间宽度大些的非均匀量化，又叫非线形量化。值得说明一点，数字摄象机信号处理大多数采用非均匀量化方式，这是由于摄象机中的光-电转换至电视机显象管中的电-光转换在内的整个电视信道必须保持线形，但是实际的电视系统在没有校正之前是非线形的，因此为了使最终显示出来的光像保持良好的线形关系，在摄象机单元必须对它进行校正，即γ校正。而γ校正类似于非线形量化特性，因此我们可以在量化过程中采用非均匀量化方式，在提高小信号信噪比的同时也满足了γ校正的要求。&&&&另外，由于在实际的信号中，弱信号出现的概率是很大的，为了改善弱信号时的的量化信噪比，可以采用压缩扩张的编解码方法。在量化之前，先利用非线形器件将信号电平高的部分进行压缩，然后对压缩过的信号进行量化，解码后复原出的模拟信号再通过非线形器件对大幅度信号进行扩张恢复没压缩之前的比例关系，这种方法相对扩大了小信号的动态范围，等效于对小信号采用量化间隔小的细量化而大信号采用粗量化，从而改善了弱信号的量化信噪比。三压缩编码所带来的信号损伤&&&&数字电视信号数码率太高,数据量非常大。如果直接存储和传输不但开销很大，而且有时设备也承受不了如此大的负荷。压缩编码以压缩信源数码率为目的，尽量减少信源各符号的相关性，使信源的传输效率提高。当然，它是以牺牲图像质量为前提。必定会对信号造成一定的损伤。&&&&下面针对几种常用的图像压缩方式，来看一下他具体会对信号带来什么样的损伤呢？&&&&（一）差值脉冲编码（DPCM）&&&&电视图像基本上是由面积较大的像块（如蓝天，大地，服装）组成。虽然每个像块的幅值各不相同，但像块内各样值的幅度是相近或相同的。换句话说，相邻象素之间有很强的相关性。我们就可以利用这些相关性对当前的像素进行预测。再利用预测值得到差值。这样在很大的程度上降低了信源的冗余度。这种压缩方法对视频信号会产生以下问题：&&&&1由于在当前差值中包括当前的量化误差，而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差，这就造成了量化误差的积累。而误差会传播，这就使信号抗通道误码能力减弱。&&&&2边缘清晰度临界。根据DPCM编码思想，当被预测值处于图象突变边缘时，往往会导致错误预测或产生较大的预测误差。致使边缘清晰度临界。如：边缘为黑白突变，被预测值为x，x1x2x3x4x5为已知值，由DPCM编码可得进行水平一维预测x=x1=0产生错误预测进行二维预测x=x1+(x4-x5)/2=1/2产生较大的预测误差（二）变换编码&&&&变换编码首先对图象数据进行某种形式的正交变换，并对变换后的数据进行编码，从而达到数据压缩的目的。正交变换的种类很多，比如人们熟知的傅立叶变换，沃尔什哈达码变换，哈尔变换，斜变换，余弦变换，正弦变换，K--L变换。&&&&变换编码中较常用的是离散余弦变换DCT，它首先将输入图象分成若干NXN的图象块，对每一小图象块进行正交变换，从空间域变换到频域。为了达到压缩的目的，对DCT系数需作量化处理。低频分量采用较小的量化间隔，量化误差小，精度高。频率越高，量化间隔愈大，精度越低。这是因为高频分量只影响图象的细节，对整块图象来讲，没有低频分量重要。读取时采用之字型。这样的处理给信号带来的损伤主要表现在：&&&&由于高频信息的丢失，恢复图象中相邻块在边界上产生较为规则的误差分布，由于人眼对水平和垂直方向的规则误差分布具有特殊的敏感性，使得在主观感觉上认为具有规则误差分布的图象的质量明显降低，从而产生"块效应"。在拍摄一幅绿草如茵的草地中，充斥画面的草坪随风摇摆时，一种细块状的闪烁效应是这一失真的直观表现。（三）运动补偿预测&&&&运动补偿预测是一个有力的工具，以便减少帧间的时间冗余度，并作为用于DPCM编码的预测技术。运动补偿概念是以对视频帧间运动的估计为基础的。也就是说，若视频镜头中所有物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述。为了做到这一点，画面一般划分成一些不连续的象素块，对每个这样的象素块，只对一个运动矢量进行估算、编码和传送。&&&&在MPEG压缩算法中，运动补偿预测技术用来减少帧间的时间冗余度，只对预测误差画面（原始画面与运动补偿预测画面之间的差别）加以编码。运动补偿去除时间方向的冗余度，最多只能利用前后两帧图象间的相关性，效率不高。而实际上，尤其是在运动缓慢的图象序列中，在连续多帧图象间都存在着很强的时间相关性。正是由于它固有的缺陷，使得在图象活动剧烈或低码率通讯时，编码器只能通过迭用粗量化，降低帧频或舍去更多的DCT变换系数来降低码率，因而对信号损伤较大，丢失了许多有用的信息。在恢复图象中将出现明显的块效应和运动物体边缘的蚊音效应。（四）混合编码&&&&以两种或两种以上的方法对图象进行编码称为混合编码。我们熟悉的JPEG和MPEG都属于该种类型。1JPEG&&&&JPEG是处理彩色或单色静止图象的压缩标准。利用它可以获得较高的压缩比，并保持较好的信噪比，从而大大节省图象存储空间，降低通讯带宽。但是编码过程会使物体在背景中的位置略有移动（即发生几何畸变）。另外，高压缩比场合，JPEG的重建图象在水平和垂直方向可能有晕圈、幻影，产生"方块"效应。&&&&这不难理解.在JPEG系统中,首先把原始图像划分成大小相等的像素块，然后对图像块进行离散余弦变换DCT（图像块的能量集中到少量的系数），再利用基于人眼特性的矩阵对变换后得到的系数矩阵进行量化，从而大幅度地压缩了矩阵系数，同时也造成了损失。最后对量化得到的矩阵系数进行无损熵编码。图像的重建过程是编码过程的逆过程。在高压缩比场合，JPEG的重建图像在水平和垂直方向出现晕圈、幻影，产生"方块"效应，就是因为对原始图像进行了分块的DCT变换和量化。如果不分块或分块很大而进行DCT变换与量化，那么图像块中像素能量集中到少量的系数效果将变的不明显，即不利于对数据进行量化压缩，同时还得使计算复杂度增加。这样一种现象实际上是离散余弦变换DCT本身的特性所造成的（采用离散正弦变换DST或离散傅立叶变换DFT结果类似）。2MPEGMPEG压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于16X16子块的运动补偿技术，用来减少帧序列的时域冗余；另一种是基于DCT的压缩，用来减少帧序列的空间冗余。&&&&较为成熟的MPEG技术是MPEG1和MPEG2。MPEG1是为适应在数字存储媒体（如CD-ROM）上有效地存取电视图像而制定的标准（最高速率达1.5Mb/s）。它的压缩技术基础为：宏模块结构、运动补偿及宏模块的有条件再补给。MPEG2是MPEG1算法的扩展。是为MPEG1最初没有包括在内或未想到的应用提供的一种视频编码方法。特别是对MPEG2提出的一个要求，即它所提供的视频质量，不能低于NTSC/PAL，最高应可达到CCIR601质量。MPEG2编码算法的基础为通用的混合DCT/DPCM编码方案。&&&&随着MPEG1和MPEG2的广泛应用，其缺陷也日渐显露，主要表现在：（1）现已制定的标准所采用的技术，当码率很低时（低于64Kb/s）会产生严重的"方块"效应、"蚊音噪声"以及"动作失真"。而低码率要求是移动通讯信道所必须的。（2）编码采用了预测编码技术。例如采用基于块的运动补偿来去除时间相关性。但信号的纠错能力主要依赖其相关性，特别在条件较差的信道中传播时，干扰造成的错误会迅速沿视频序列扩散。（3）仍停留在"帧"水平上处理视频，而无法对视频比特流内的各个对象（object）单独进行编码，解码及操作。而这种能力正是许多交互式应用（如多媒体数据库）所需要的。&&&&虽然电视信号经过数字化处理后会有不同程度的损伤，有些损伤可以修复，并不影响图象的最终质量，而有些损伤是永久性的，只能通过一些补偿措施削弱它的影响，但这并不能影响电视领域向数字化的转变。因为与电视信号数字化后所带来的好处相比，这些经过修复的损伤的影响往往会被人为的忽略。
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&&&&&&& 由国家图书馆主办的“地方文献国际学术研讨会”于20042.《由文献中心到交流中心》 张廷银　&&(王　珊　副研究馆员　国家图书馆分馆副馆长)&〔出处〕 国家图书馆学“流式播放”多媒体服务系统2004年度河南省广播电视优秀科技论文一等奖 前 言 &&&&流式媒体服务
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数字化视频技术处理的优势及注意问题
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1　前　　言
　　近几年随着数字技术的进步与发展，“数字化”这词已经进入了各行各业，以及我们生活的方方面面。我们面临的是一个数字化的时代，而且“数字化”也成了一种时髦。好像只要是数字化了的必定是先进的。有时还成了商业广告的用语，它本身的技术含义到有点模糊了。我们电视视频领域也经受着数字化的急风暴雨，数字化摄像机、数字化录像机、数字化特技台、数字化字幕机。几乎所有的视频设备都已经实现了数字化目标，一个我们梦寐以求的数字化系统似乎已经实现了。
2　数字处理技术在视频领域运用的历史及目标
　　其实数字处理的观点很久以前就提出了，我们早就看到了它具有模拟设备所无法比拟的优势。只不过当时由于集成电路的水平及相关技术都不能很好地满足视频设备数字化处理的要求，而且代价相当昂贵，所以运用非常少，只在模拟设备无法完成的情况下得到少量的运用。如录像机中的时基校正器，数字特技台，因为这些设备需要大量的存储，所以这些设备不得不进行数字处理。由于大部分的视频设备仍然是模拟信号传输，所以这些数字设备内部虽然是以数字化方式进行处理的，但它的外部接口则需要模拟接口。所以当时人们称这种现象为，模拟环境的汪洋中的数字化孤岛。有鉴于这种情况，当信号在进入数字化设备中时就必须进行一次A／D转换，而输出时又要进行一次D／A转换，每次转换都难以避免地会受到一些损失。所以人们希望有一天每个设备都是数字化的，它们之间的连接只是数字信号的连接，不需要A／D、D／A的转换，这将充分发挥数字信号的优势，在传输中不会有信号损失的出现。因为大自然不提供数字信号，我们人体也不接受数字信号，而中间的处理和传输过程都在数字域中进行，所以A／D只在摄像机拾取信号中进行一次，D／A只在我们的显示器中进行一次，才是最合理的。
3　数字处理的目的及优势
　　我们知道数字信号是由0、1两个电平构成的，首先是在传输中我们可以方便地恢复原始信号，可以把传输中引入的噪声滤除掉。这在模拟信号领域中是根本无法做到的。我们知道磁带记录和传输有着相似的过程，数字处理的优点可以使记录与重放不引入噪声，这就意味着多代复制性能将不会受到信噪比下降的限制。还有就是有利于帧存的使用，由于0、1信号能方便地使用电子存储器，使图像信号能做到随机存取，这就使我们实现数字TBC及数字特技台有了可能，而且我们还可以使用先进的计算机处理技术对数字信号进行一些运算及非线性处理，包括在计算机环境下的图像处理及非线性编辑。
　　但数字处理中我们也应注意一些问题，并非数字化后就可以万事大吉。要得到数字化的优势也是有条件的。首先是比特缺失问题。这主要是在数字运算过程中引入的，例如，一个8比特分辨率的信号除以2它的分辨率就将只有7比特，当它再乘以2后信号的幅度好象并没有改变，但它实际上只有7比特的分辨率了，也就是说它应按照7比特量来计算它的量化噪声，这种运算在信号处理过程中经常碰到。又如信号的非线性转换过程也会遇到类似的现象。
　　在这样的交换过程中必定不能做到每一个输入数字电平对应一个不同的输出电平，造成电平的合并，同样会降低信号比特的分辨率，这是摄像机GAMMAR处理的典型过程。这就意味着要引入新的量化噪声。而同样的处理在模拟环境中就没有那么明显的信噪比下降问题。所以我们在前期的处理中要用多比特取样来保证信号在处理过程后的实际比特数，以保证量化噪声达到指标。我们常见的数字摄像机中的14比特量化、特技台中的10比特量化都是非常必要的。其次在数字处理中帧存的使用虽然比较方便，但也给我们带来了另一个问题，这就是信号的延时问题，特别是经过多次帧存处理的情况下。这种延时将十分可观，会造成可以观察到的音画不同步现象。这就应在声音通道上加入相应的延时器加以调整，这在数字系统的设计中应给予足够的重视。
4　没有必要的数字化强调
　　并不是所有的设备都是越数字化就越好，前面我们已经列举了两个数字处理过程中要注意的问题，所以这里想提一下什么样的数字化才是必要的。其实数字化的主要优势是在整个处理过程中带来的，数字化本身并不是什么优点。光就信噪比来看，数字化就会带来量化噪声，要减少它就要增加量化比特数，造成昂贵的代价。在模拟设备中我们也能做到相同的信噪比而不要高昂的代价时，那么这种数字化就没有必要，如果系统中没有过多的信号处理，也不要长距离的传输，数字化就没有必要了，否则就是画蛇添足得不偿失。所以我们并不是为数字化而数字化，应该看是否值得为数字化付出代价。并不是一切数字化了的就是好的，要看数字化后到底给我们带来了什么，是量化噪声还是处理优势。
5　引入数字化压缩的必要
　　纵观数字化的全过程，我们发现人们总是在数字化性能与它所付出的代价中妥协与折衷。技术的先进也必须考虑它的实用价值和商业经济代价。这一点录像机（记录设备）的数字化表现得尤其突出。实际上数字化录像机早就问世，那就是大名鼎鼎的D1格式录像机。但是它的高码流造成庞大的体积、高昂的代价，没有几个电视台能使用它作为录像机的主流格式。它只能在高质量的制作公司中安身立命，当然它的性能是一流的。为了使数字录像机能够普及运用，我们使用了压缩技术，它降低了数码率，磁带的消耗量明显减少，记录设备的体积也明显减小。这很有利于电视台里的使用特别在ENG制作方式中应用。再者数码率的降低同时也开拓了磁盘记录的可能，因为硬盘的记录成本比磁带贵得多，所以它对数码率降低更加敏感。还有引入压缩后对传输通道的需求可以相对地减少，在同样的带宽里压缩后的信号可以多容纳几路，明显降低成本。可见没有数字压缩技术的进步，数字化的步伐将会由于它的高昂代价而步履维艰。所以在数字信号处理过程中引入压缩技术是发展的必然。我们现在主要使用的是M－JPEG和MPEG两种压缩方式（当然还有小波编码及分形编码），前者是帧内压缩，有利于编辑，后者增加了帧间压缩有利于降低数码率。它们的共同特点都是有损压缩，也就是说会对信号的质量带来一定的影响，我们又要在质量与代价间进行折衷。
6　压缩信号的损失
　　我们知道JPEG与MPEG在帧压缩时用的主要是利用图像内部的相关性来去除冗余，并利用人眼对高频信号的不敏感性使用DCT算法并量化这些系数来压缩信号，这里会丢弃一些图像信息。但合理地选择量化系数不会对图像的质量造成过多影响。MPEG则在帧内压缩的同时增加了帧间压缩，它利用了图像帧间的相关性降低冗余，主要运用了运动预测编码及I、B、P帧编码。但是我们在图像处理过程中要对非压缩信号进行处理。如特技台等都必须使信号回到601数字域，这就给我们的信号处理过程带来多次压缩解压缩过程。
　　在第一次压缩时一般信号的损失为最大。如果信号原封不动地进行多次压缩解压缩，以后各次的压缩过程带来的损失将会越来越少。如果信号在解压缩后进行了变化如空间位置有移动，I、B、P帧编码序列有改变，那么每次的压缩都将被视为第一次，这样它所带来的影响将是我们所不愿看到的。
7　减少多次压缩带来的问题
　　所以并非SDI口连接起来就完事了，我们还是要做到图像在空间位置上不要有位移，这样压缩解压缩时就可以减少损失，特别对一些没有自动定位的数字设备尤为重要。这是我们建立数字系统时应特别注意的问题，否则就无法享受到数字(下转47页)(上接59页)化所带给我们的优点，而牵涉到MPEG编码的信号，我们最好在再次编码时还使用第一次的一些压缩信息，使第二次编码的过程能够尽量按前一次的压缩方式进行，以减少多次压缩解压缩产生的不良后果。如果做不到这一点，我们也要事先明白这种数字化处理也是有损失的，也具有类似模拟时代的复制代数问题。那种只要是数字信号就可以多次转换而不受损失的观念其实是一种误解。
8　较理想的方案
　　信号处理前进行一次A／D转换后一直到最后进行一次D／A转换，中间都应该在数字域的范畴内进行处理。在数字域中最好也只进行一次压缩解压缩处理，如果要多次反复，应尽量保留第一次压缩时的处理信息，以便以后每次都能按照前一次的压缩方式来进行。当然这只是一种愿望，实际工作中是不会那么理想的。这也意味着我们目前的数字化技术还未到达最好的境界，只是在目前的技术条件下的一种技术妥协和经济折衷的结果。以后随着技术的进一步发展，网络技术的进一步普及必定有更为美好完善的解决方案。■
摘自　中国CATV
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