數字視頻技術(shù)的國際標準及視頻壓縮方式

當前，電視設備正逐步從模擬向數字過(guò)渡，SONY、松下、JVC等公司紛紛推出了最新的數字攝、錄、編設備。在當今電視技術(shù)領(lǐng)域，數字記錄和編輯已得到廣泛的運用。

數字視頻的記錄格式有非壓縮和壓縮兩大類(lèi)。非壓縮記錄格式的D1、D2、D3、D5等系列，它是以原有信號碼率直接記錄輸入信號，保持了信號的原有水平，為無(wú)損記錄。記錄方式又分數字分量（D1、D5）和數字復合（D2、D3），它們代表了視頻設備最高標準，圖像質(zhì)量最高，信號損失最小，但同時(shí)由于圖像信號數據量很大，對機器硬件的要求極其苛刻，而價(jià)格非常昂貴，雖然產(chǎn)品已問(wèn)世數年，但僅有少數對畫(huà)質(zhì)要求極高的視頻制作公司使用。而壓縮格式是指采用數字壓縮技術(shù)的視頻，常見(jiàn)的有DV，MPEG-2，M-JPEG等，并制定各種數據壓縮標準，于是出現了相應的數字Betacam(DVW)，DV，DVCPRO，DIGITAL-S，DVCAM，Betacam-SX等規格的數字錄像機，它們將圖像信號壓縮再記錄在磁帶上，其目的是在保證圖像質(zhì)量的前提下，減小圖像信號的數據量，減小設備體積，減少磁帶用量，以最小的信號損失達到盡可能好的效果，從而降低設備成本。

1、數字視頻技術(shù)的國際標準

（1）CCIR601號建議

為了便于國際間的節目交換，消除數字設備之間的制式差別，使625行電視系統與525行電視系統之間能夠兼容，1982年2月國際無(wú)線(xiàn)電咨詢(xún)委員會(huì )(CCIR，現改為國際電聯(lián)無(wú)線(xiàn)電通信部，即ITU-R)第15次全會(huì )上通過(guò)了601號建議，確定以分量編碼為基礎：以亮度分量Y和兩個(gè)色差分量R-Y，B-Y為基礎進(jìn)行編碼，作為電視演播室數字編碼的國際標準。

（2）H.261標準

H.261簡(jiǎn)稱(chēng)p×64。該標準是用于電視電話(huà)和電視會(huì )議，圖像編碼算法是實(shí)時(shí)處理，并且延遲時(shí)間最小，使圖像和語(yǔ)音密切配合，達到全彩色的實(shí)時(shí)運動(dòng)視頻傳輸，并獲得高壓縮比。該標準于1990年由國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )(CCITT)完成通過(guò)。

（3）JPEG標準

靜像數據壓縮標準JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)，即聯(lián)合圖像術(shù)專(zhuān)家組，是國際標準組織（ISO）、國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )（CCITT）和國際電工委員會(huì )（IEC）3個(gè)國際組織合作，在1991年完成通過(guò)。JPEG既是ISO的標準，也是CCITT的推薦標準，其目標是壓縮靜止彩色圖片數據，多用于衛星、新聞圖片的傳輸與存儲，以及圖形、圖像文獻資料處理等方面。

（4）MPEG標準

隨著(zhù)數字音頻和數字視頻技術(shù)的廣泛應用，ISO的活動(dòng)圖像專(zhuān)家組(MovingPictureExpertGroup)在1991年11月提出了ISOll172標準的建議草案，通稱(chēng)MPEG-1標準，該標準于1992年11月通過(guò)。MPEG-1標準適用于數碼率在1.5Mbps左右的應用環(huán)境，也就是為CD-ROM光盤(pán)的視頻存儲和放像所制定的。
MPEG-2是由MPEG開(kāi)發(fā)的第2個(gè)標準，于1994年11月正式確定為國際標準。MPEG-2是“活動(dòng)圖像及有關(guān)聲音信息的通用編碼”(GenericCodingofMovingPicturesAssociatedAudioInformation)標準。作為一種公認的壓縮方案，該標準具有開(kāi)放性、技術(shù)成本低、互操作性和靈活性、比特率的可選擇擴展性及眾多廠(chǎng)商的支持等優(yōu)勢，在網(wǎng)絡(luò )、通信、衛星等領(lǐng)域被采用。

MPEG-4是1993年開(kāi)始制定，1998年10月方才定案，直到2000年年初正式成為國際標準。該標準具有許多引人注目的功能，包括以對象內容為基礎的視頻對象存取、以場(chǎng)景內容為基礎的可升級性、視頻存取、糾錯能力等。MPEG-4視頻標準不僅可以提供一個(gè)更具壓縮效率的新型多媒體信息傳輸標準，同時(shí)也具有良好的交互性、全方位存忍迥諶菝枋黿涌凇?其名稱(chēng)由來(lái)是1+2+4=7（MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4）。它擴展現有內容識別專(zhuān)用解決方案的有限的能力，還包括更多的數據類(lèi)型。MPEG-7是規定一個(gè)用于描述各種不同類(lèi)型多媒體信息的描述符的標準集合。

2、數字視頻壓縮方式

基于上述標準，目前在電視領(lǐng)域廣泛應用的3種壓縮方式是MPEG-2，M-JPEG和DV。它們均基于離散余弦變換（DCT），并對變換系數微量化處理后進(jìn)行游程編碼。

（1）JPEG簡(jiǎn)介JPEG用于連續變化的靜止圖像，包括灰度等級和顏色兩方面的連續變化。JPEG包含兩種基本壓縮方法：第一種是有損壓縮，它是以DCT(DiscreteCosineTransform)為基礎的壓縮方法；第二種為無(wú)損壓縮，也稱(chēng)預測壓縮方法。最常使用的是前者,即DCT壓縮方法，也稱(chēng)為基線(xiàn)順序編解碼(BaselineSequentialCodec)方法，這種方法先進(jìn)、有效、簡(jiǎn)單、易于交流，因此得到廣泛應用。

（2）M-JPEG簡(jiǎn)介

M-JPEG是按活動(dòng)圖像的正常要求速度，每秒完成對25幀圖像的幀內壓縮方式壓縮每一幀，每一幀都被當作獨立的信號處理，其一系列的幀實(shí)際上就是一個(gè)JPEG的信號流。這種設計的好處是易于編輯，可隨機對任意幀進(jìn)行編輯，對于非線(xiàn)性編輯應用是一個(gè)優(yōu)秀的選擇。M-JPEG的壓縮和解壓縮是對稱(chēng)的，可由相同的硬件與軟件實(shí)現。其缺點(diǎn)是需要過(guò)多的帶寬和存儲空間，這是因為它不對著(zhù)行壓縮，而只是幀內壓縮，壓縮效率不夠高。

（3）DV簡(jiǎn)介

DV壓縮方式是為家用錄像機設計的一種可擴展的格式，可適用于標準清晰度電視和高清晰度電視。DV壓縮最早是由標準和高清晰度家用VCR制造商的一個(gè)聯(lián)盟研發(fā)的。DV使用13.5MHz采樣率,4∶1∶1編碼，并用8比特代碼來(lái)提高信噪比，其空間壓縮比為5∶1。DV通過(guò)對實(shí)質(zhì)上不活動(dòng)的視頻圖像的倡這種壓縮從標準的25Mb/s擴展到DVCPRO50中的50Mb/s。Sony則提供基于DV壓縮的DVCAM系列VTR。用于廣播電視的DVCPR0攝像機主要有兩種機型：一種是DVCPR025，一種是DVCPR050。

（4）MPEG簡(jiǎn)介

MPEG標準的數字壓縮基本步驟是：先將模擬視頻轉換為數字視頻后按時(shí)序分組，每個(gè)圖像組（GOP）選定一個(gè)基準圖像，利用運動(dòng)估計減少圖像間的時(shí)間冗余，最后將基準圖像和運動(dòng)估計誤差進(jìn)行離散余弦變換（DCT）、系數量化和熵編碼（VLC＆RLC）以消除空間冗余。MPEG專(zhuān)家組最初的任務(wù)有3個(gè)：實(shí)現1.5Mb/s，10Mb/s，40Mb/s的壓縮編碼標準，即MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3，其中MPEG-3于1992年被撤消。

MPEG-l標準用于運動(dòng)圖像及其音頻編碼標準，著(zhù)重于高壓縮率，具有低帶寬和低分解力，視頻速率大致為1.5Mb/s。其基本算法是對于壓縮水平方向（360個(gè)像素）和豎直方向（288個(gè)像素）的空間分辨率，對于每秒24~30幅畫(huà)面的運動(dòng)圖像有比較好的效果。MPEG-l標準還提供了一些錄像機的功能：正放、圖像凍結、快進(jìn)、快倒和慢放等，以及隨機存儲的功能。MPEG-l標準還采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比：①對色差信號進(jìn)行亞采樣，減少數據量；②采用運動(dòng)補償技術(shù)減少著(zhù)行量化，舍去不重要的信息，將量化后DCT分量按照頻率重新排序;⑤將DCT分量進(jìn)行變字長(cháng)編碼；⑥對每個(gè)數據塊的直流分量(DC)進(jìn)行預測差分編碼。

MPEG-2標準與MPEG-1標準相似，其比特率比后者高得多，因而要求較高的帶寬和分解力。MPEG-2標準可定義高達400Gb/s的比特率和16000×16000像素的圖像。其采用幀內編碼與質(zhì)劍??GOP（圖像組）內分為I幀（幀內編碼幀）、P幀（向前預測編碼幀）、B幀（雙向預測幀），對它們采取不同的壓縮編碼方式。1996年1月，國際慕尼黑團體會(huì )議上又確認了具有高廣播級質(zhì)量和高編輯精度的MPEG-2MP@ML標準，它允許較短的GOP，使之適應于節目制作的精確編輯。MPEG-2在處理圖像的“簡(jiǎn)單”與“復雜”區域能自動(dòng)變換壓縮率，它能在同一幀內使用不同的壓縮比，因而更加有效。在壓縮成相同圖像質(zhì)量的條件下，MPEG-2圖像所占的空間只是M-JPEG圖像的10%～15%。在圖像采集、制作、傳輸、播出等各領(lǐng)域中，MPEG-2已逐漸被廣泛采用。

MPEG-4除完全支持MPEG-1/2已提供的全部視頻功能，包括在不同輸入格式、幀率、比特率下對標準矩形區域圖像序列進(jìn)行有效編碼外，還增加了新的功能：為提高傳輸效率，MPEG-4采用“子圖形”預測和編碼技術(shù)，它把靜止的背景作為“子圖形”，首先發(fā)往收端，作為第一幀同時(shí)存儲于編碼器與解碼器內，再利用攝像機的移動(dòng)、旋轉和縮放，攝取背景前出現的視頻對象，再將其分開(kāi)進(jìn)行編碼，形成視頻序列進(jìn)行傳送，進(jìn)而重建原來(lái)的圖像。這種技術(shù)對實(shí)現多媒體數據庫十分有利，同時(shí)還可以改善圖像質(zhì)量。MPEG-4是一種高效率的編碼標準，其最低碼率可達到5~64kbps。對于具體視頻而言，其交互性和可操作性，在多媒體應用領(lǐng)域中又可以與各種編碼兼容。MPEG-7建立在MPEG-4的基礎上，用很少的特征對信息內容進(jìn)行檢索。例如對圖形，只要畫(huà)出很少幾條線(xiàn)就可以找到包括該特征的相應圖形、商標等。

3、3種常用數字壓縮格式的比較

M-JPEG，DV和MPEG作為視頻工業(yè)中的3種主要的壓縮技術(shù)，它們都基于DCT，它們所記錄的圖像被轉化成統一、量化和可變長(cháng)度編碼的頻域系數。廣播電視常用的數字視頻編碼技術(shù)，其中，DV和典型的M-JPEG是幀內編碼，采用幀內壓縮方式，沒(méi)有窒低。對于MPEG-2來(lái)說(shuō)，采用種〉Ｋ裕?MPEG-2用于編輯時(shí)，一般僅限于I幀編碼，能夠在不了解前一幀和后一幀的情況下，在邊緣進(jìn)行幀切換。此外，DV和MPEG-2壓縮使用運動(dòng)自適應處理來(lái)實(shí)現有效的幀內編碼，但是，DV只能進(jìn)行固定比特率（CBR）編碼，而MPEG-2和M-JPEG則可進(jìn)行CBR和可變比特率（VBR）編碼。

數字視頻壓縮技術(shù)使我們能夠以較小的成本獲得高質(zhì)量的視頻，為高質(zhì)量傳播視頻信號成為可能，并且隨著(zhù)電視技術(shù)的不斷發(fā)展，這一技術(shù)還在不斷更新、提高。當電視技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)結合時(shí)，數字視頻技術(shù)更加體現出它所具備的交流傳播的優(yōu)勢。