便攜式移動(dòng)電視接收系統淺析（下）

二、手機電視的信源壓縮編碼標準
　　是ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組(VCEG)和ISO/IEC活動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組(MPEG)的聯(lián)合視頻組(JVT)開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數字視頻編碼標準，它既是ITU-T的，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。在技術(shù)上，標準中有多個(gè)亮點(diǎn)，如：統一的VLC符號編碼；高精度、多模式的位移估計；基于4×4塊的整數變換；分層的編碼語(yǔ)法等。這些技術(shù)亮點(diǎn)使得它具備更好的壓縮性能，同時(shí)也增強了對各種信道的適應能力，采用“網(wǎng)絡(luò )友好”的結構和語(yǔ)法，有利于對誤碼和丟包的處理；應用范圍較寬，以滿(mǎn)足不同速率、不同解析度及不同傳輸(存儲)場(chǎng)合的需求；這些使得算法具有很高的編碼效率， 它的壓縮率比MPEG-2高2～3倍，1Mb/s速率的圖像效果接近MPEG-2中DVD的圖像質(zhì)量，同樣，碼流結構的網(wǎng)絡(luò )適應性也很強，這增強了它的差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用。是目前手機電視中最為理想的信源壓縮編碼標準。

　　1、的技術(shù)特點(diǎn)：

　　(1) 就改善圖像質(zhì)量有以下特點(diǎn)

　　運動(dòng)補償中的塊大小可變，最小的亮度補償塊可以小到4×4。

　　采用了1/4采樣精度的運動(dòng)補償，大大減少了內插處理的復雜度。

　　中運動(dòng)矢量不再限制在已編碼參考圖像的內部。

　　中使用了高級圖像選擇技術(shù)，可以用已編過(guò)碼且保留在緩沖區的圖像進(jìn)行預測。

　　消除了參考圖像的順序必須依賴(lài)顯示圖像順序的這種相關(guān)性。

　　消除了參考圖像與圖像表示方式的限制，使B幀圖像在很多情況下也能作為參考幀預測圖像。

　　采用了加權預測，允許一定的加權補償預測和偏移，在淡入淡出中可大大的提高編碼效率。

　　改變了在以前的標準中，預測編碼圖像的“跳過(guò)”區不能有運動(dòng)的限制。對“跳過(guò)”區的運動(dòng)采用推測方法。對雙預測的B幀圖像，采用高級運動(dòng)預測方法，稱(chēng)為“直接”運動(dòng)補償，進(jìn)一步改善編碼效率。

　　采用幀內編碼的直接空間預測，將編碼圖像邊沿進(jìn)行外推應用到當前幀內編碼圖像的預測。

　　采用了循環(huán)去塊效應濾波器，此消除基于塊的視頻編碼在圖像中存在塊效應，改善視頻的主觀(guān)和客觀(guān)質(zhì)量。

　　(2) 就善預測方法來(lái)改善編碼效率有以下特點(diǎn)：

　?、僖郧暗臉藴首儞Q的塊都是8×8，主要使用4×4塊變換，使編碼器表示信號局部適應性更好，更適合預測編碼，減少“鈴”效應。另外圖像邊界需要小塊變換。
　?、谕ǔＪ褂眯K變換，但有些信號包含足夠的相關(guān)性，要求以大塊表示，這就是分級塊變換。有兩種方式實(shí)現。低頻色度信號可用8×8，；對幀內編碼，可使用特別的編碼類(lèi)型，低頻亮度信號可用16×16塊。
　?、鬯幸郧皹藴适褂玫淖儞Q要求32位運算，C只使用16位運算的短字長(cháng)變換。
　?、芤郧皹藴史醋儞Q和變換之間存在一定容限的誤差，每個(gè)解碼器輸出視頻信號都不相同，產(chǎn)生小的漂移，最終影響圖像的質(zhì)量，實(shí)現了完全匹配。
　?、菔褂脙煞N熵編碼方法，CAVLC（上下文自適應的可變長(cháng)編碼）和CABAC（上下文自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼），兩種都是基于上下文的熵編碼技術(shù)。

　　(3)具有強大的糾錯功能和各種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境操作靈活性，主要特性如下：

　?、俚膮导Y構設計了強大、有效的傳輸頭部信息具有較強的抗誤碼特性，采用了很靈活、特殊的方式，分開(kāi)處理關(guān)鍵信息，可以在各種環(huán)境下可靠傳送。
　?、谥械拿恳粋€(gè)語(yǔ)法結構放置在稱(chēng)為NAL網(wǎng)絡(luò )抽象層的單元中，改變了以前標準中都要采用強制性特定位流接口的情況，能適應不同網(wǎng)絡(luò )中的視頻傳輸，有較好的網(wǎng)絡(luò )親和性。
　?、墼诳刹捎梅浅ｌ`活的像條大小。
　?、芸梢詫D像劃分為像條組，每個(gè)像條可以獨立解碼。靈活宏塊排序（FMO）通過(guò)管理圖像區之間的關(guān)系，具有很強的抗數據丟失能力。
　?、葜С秩我獾南駰l排序，每個(gè)像條幾乎可以獨立解碼，所以像條可以按任意順序發(fā)送和接收。在實(shí)時(shí)應用中，可以改善端到端的延時(shí)特性。
　?、逓樘岣呖箶祿G失的能力，允許編碼器發(fā)送圖像區的冗余表示，當圖像區的主表示丟失時(shí)仍可以正確解碼。
　?、呖梢愿鶕總€(gè)像條語(yǔ)法元素的范疇，將像條語(yǔ)法劃分為3部分，分開(kāi)傳送。

　　下面就的幾個(gè)重要特性進(jìn)行詳細介紹：

　　1、幀內預測
　　
　　對I幀的編碼是利用空間相關(guān)性而非時(shí)間相關(guān)性而實(shí)現的。以前的標準只利用了一個(gè)宏塊內部的相關(guān)性，而忽視了宏塊之間的相關(guān)性，所以編碼后的數據量較大。為了進(jìn)一步利用空間相關(guān)性，引入了幀內預測以提高壓縮效率。簡(jiǎn)單地說(shuō)，幀內預測編碼就是用周?chē)徑南笏刂祦?lái)預測當前的象素值，然后對預測誤差進(jìn)行編碼。這種預測是基于塊的，對于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16塊有4種預測模式16×16 、 16×8 、 8×16 和 8×8，4×4塊有9種。

　　預測模式；對于色度分量，預測是對整個(gè)8×8塊進(jìn)行的，有4種預測模式。除了DC預測外，其他每種預測模式對應不同方向上的預測。

　　2、幀間預測
　
　　(1)預測時(shí)所用塊的大小可變
　　
　　假設基于塊的運動(dòng)模型塊內所有象素都做了相同的平移，在運動(dòng)比較劇烈時(shí)或者在運動(dòng)物體的邊緣處，這一假設會(huì )與實(shí)際出入較大，導致較大的預測誤差，這時(shí)減小塊的大小可以使假設在小的塊中依然成立。同時(shí)，小的塊所造成的塊效應相對也小，從而提高預測的效果。

　　一共采用了7種方式對一個(gè)宏塊進(jìn)行分割，每種方式下塊的大小和形狀都不相同，這就使編碼器可以根據圖像的內容選擇最好的預測模式以提高預測效果。與僅使用16×16塊進(jìn)行預測相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率降低15％以上。

　　(2)更精細的預測精度

　　在中，亮度分量的運動(dòng)矢量使用1/4象素精度。色度分量的運動(dòng)矢量由亮度運動(dòng)矢量導出，由于色度分量的分辨率是亮度分量的一半(對4∶2∶0)，所以其運動(dòng)矢量精度將為1/8。既一個(gè)單位的色度分量的運動(dòng)矢量所代表的位移僅為色度分量取樣點(diǎn)間距離的1/8。如此精細的預測精度，比整數精度可使碼率降低20％以上。

　　(3)多參考幀
　
　　支持多參考幀預測，即可以有多于一個(gè)(最多5個(gè))在當前幀之前的解碼幀作為參考幀，產(chǎn)生對當前幀的預測。這適用于視頻序列中含有周期性運動(dòng)的情況。這種技術(shù)，可以改善運動(dòng)估計的性能，提高解碼器的錯誤恢復能力；但它也增加了緩存的容量，加大了編解碼器的復雜性。與只使用一個(gè)參考幀相比，使用5個(gè)參考幀可以使碼率降低5～10％。

　　(4)去塊效應濾波器
　
　　它的作用是消除經(jīng)反量化和反變換后重建圖像中由于預測誤差產(chǎn)生的塊效應，即消除塊邊緣處的象素值跳變，從而改善圖像的主觀(guān)質(zhì)量，并減小預測誤差。中的去塊效應濾波器還可以根據圖像內容做出判斷，只對由于塊效應產(chǎn)生的象素值跳變進(jìn)行平滑，而對圖像中物體邊緣處的象素值不連續給予保留，以免造成邊緣模糊。與以往的去塊效應濾波器同的是，經(jīng)過(guò)濾波后的圖像將根據需要放在緩存中用于幀間預測，而不是僅僅在輸出重建圖像時(shí)用來(lái)改善主觀(guān)質(zhì)量。對于幀內預測，使用的是未經(jīng)過(guò)濾波的重建圖像。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/351744.htm
　　3、整數變換
　　
　　對幀內或幀間預測的殘差進(jìn)行DCT編碼。為了避免舍入誤差造成的編碼器和解碼器之間不匹配的問(wèn)題，對DCT的定義做了修改，使得變換僅用整數加減法和移位操作即可實(shí)現，這樣在不考慮量化影響的情況下，解碼端的輸出可以準確地恢復編碼端的輸入。當然，這樣做的代價(jià)是壓縮性能略微下降。此外，該變換是針對4×4塊進(jìn)行的，這也有助于減小塊效應。
　　
　　為了進(jìn)一步利用圖像的空間相關(guān)性，在對色度分量的預測殘差和16×16幀內預測的預測殘差進(jìn)行上述整數DCT之后，標準還將每個(gè)4×4變換系數塊中的DC系數組成2×2或4×4大小的塊，進(jìn)一步做哈達瑪(Hadamard)變換。

　　4、熵編碼
　　
　　對于Slice層以上的數據，采用Exp-Golomb碼，這是一種沒(méi)有自適應能力的VLC。而對于Slice層(含)以下的數據，如果是殘差，有兩種熵編碼方式：基于上下文的自適應變長(cháng)碼(CAVLC)和基于上下文的自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)；如果不是殘差，采用Exp-Golomb碼或CABAC編碼，視編碼器的設置而定。
　　
　　(1) CAVLC
　　
　　VLC的基本思想就是對出現頻率高的符號使用較短的碼字，而對出現頻率低的符號采用較長(cháng)的碼字。這樣可以使得平均碼長(cháng)最小。
　　
　　在CAVLC中，采用若干VLC碼表，不同的碼表對應不同的概率模型。編碼器能夠根據上下文，如周?chē)鷫K的非零系數或系數的絕對值大小，在這些碼表中自動(dòng)地選擇，盡可能地與當前數據的概率模型匹配，從而實(shí)現上下文自適應的功能。
　　
　　(2)CABAC
　　
　　算術(shù)編碼是一種高效的熵編碼方案，其每個(gè)符號所對應的碼長(cháng)被認為是分數。由于對每一個(gè)符號的編碼都與以前編碼的結果有關(guān)，所以它考慮的是信源符號序列整體的概率特性，而不是單個(gè)符號的概率特性，從而能夠更大程度地逼近信源的極限熵，降低碼率。
　　
　　中的CABAC實(shí)現了繞開(kāi)算術(shù)編碼中無(wú)限精度小數的表示問(wèn)題和對信源符號概率進(jìn)行估計的問(wèn)題。在CABAC中，每編碼一個(gè)二進(jìn)制符號，編碼器就會(huì )自動(dòng)調整對信源概率模型(用一個(gè)“狀態(tài)”來(lái)表示)的估計，隨后的二進(jìn)制符號就在這個(gè)新的概率模型基礎上進(jìn)行編碼。這樣的編碼器不需要信源統計特性的先驗知識，而是在編碼過(guò)程中自適應地估計。這使得CABAC有更大的靈活性，可以獲得更好的編碼性能—碼率降低大約10%。

　　5、SP Slice
　　
　　SP Slice的主要目的是用于不同碼流的切換，也可用于碼流的隨機訪(fǎng)問(wèn)、快進(jìn)/快退和錯誤恢復。這里指的不同碼流，是指在不同比特率限制下對同一信源進(jìn)行編碼所產(chǎn)生的碼流。設切換前傳輸碼流中最后一幀為Al，切換后的目標碼流第一幀為B2(假設是P幀)，由于B2的參考幀不存在，直接切換顯然會(huì )導致嚴重失真，而且這種失真會(huì )向后傳遞。簡(jiǎn)單的解決方法就是傳輸幀內編碼的B2，但是一般I幀的數據量很大，這種方法會(huì )造成傳輸碼率陡然增大。根據前面的假設，由于是對同一信源進(jìn)行編碼，盡管比特率不同，但切換前后的兩幀必然有相當大的相關(guān)性，所以編碼器可以將Al作為B2的參考幀，對B2進(jìn)行幀間預測，預測誤差就是SP Slice，然后通過(guò)傳遞SP Slice完成碼流的切換。與常規P幀不同的是，生成SP Slice所進(jìn)行的預測是在A(yíng)l和B2的變換域中進(jìn)行的。SP Slice要求切換后B2的圖像和直接傳送目標碼流時(shí)一樣。當然，如果切換的目標是毫不相關(guān)的另一碼流，SP Slice就不適用了。

　　6、靈活的宏塊排序
　　
　　靈活的宏塊排序(FMO)，是指將一幅圖像中的宏塊分成幾個(gè)組，分別獨立編碼，某一個(gè)組中的宏塊不一定是在常規掃描順序下前后連續，而可能是隨機地分散在圖像中各個(gè)不同的位置。這樣，在傳輸時(shí)，如果發(fā)生錯誤，某個(gè)組中的某些宏塊不能正確解碼時(shí)，解碼器仍然可以根據圖像的空間相關(guān)性，依靠其周?chē)_譯碼的象素，對其進(jìn)行恢復。

　　這些特點(diǎn)使得它的應用場(chǎng)合相當廣泛，包括可視電話(huà)(固定或移動(dòng))、實(shí)時(shí)視頻會(huì )議系統、視頻監控系統及因特網(wǎng)視頻傳輸、多媒體信息存儲等。

　　三、小結

　　最終，DVB-H標準主要解決了基于DVB數據廣播和地面電視標準融合后的兩個(gè)問(wèn)題：它采用的基于時(shí)分復用的策略，實(shí)現了節省功耗和業(yè)務(wù)的無(wú)縫交互；使用MPE-FEC技術(shù)，可提供魯棒性更強的信號，使得在室內低速率移動(dòng)和室外高速率移動(dòng)的手持終端（特別是手機）能進(jìn)行正常的業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)。

　　以其高效的編碼性能可以適用于多種網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)也可滿(mǎn)足多種應用的需求?？梢詰迷诨陔娎|、衛星、 調制解調器、 DST 等信道的多種領(lǐng)域；也可應用于視頻數據在光學(xué)或磁性設備上的存儲和基于 ISDN 、以太網(wǎng)、 DSL 無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的公話(huà)服務(wù)、視頻流服務(wù)、彩信服務(wù)等方面。

　　未來(lái)的移動(dòng)視頻接收中解決了編碼問(wèn)題，DVB-H標準解決了視頻流在傳輸中存在的問(wèn)題，使得從收聽(tīng)廣播節目、觀(guān)看影像檔案到在手機上觀(guān)看電視直播，成為一個(gè)再自然不過(guò)的發(fā)展過(guò)程。這種體驗對于消費者所帶來(lái)的沖擊，絕對會(huì )令人難以想象。隨著(zhù)電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線(xiàn)電視網(wǎng)的三網(wǎng)融合趨勢，已經(jīng)注定這些各具優(yōu)勢的技術(shù)在交叉和互補的運用過(guò)程中會(huì )誕生出多種多樣的新媒體，而手機將成為多種傳播媒體的載體，將成為一種新興媒體——多媒體的綜合服務(wù)終端。這必將給人們帶來(lái)更快、更多的信息獲取方式。