數字電視信源編碼的主要技術(shù)與標準
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一.數字電視的信源編碼
一個(gè)完整的數字電視系統包括數字電視信號的產(chǎn)生、處理、傳輸、接收和重現等諸多環(huán)節。數字電視信號在進(jìn)入傳輸通道前的處理過(guò)程一般如圖1所示：
電視信號在獲取后經(jīng)過(guò)的第一個(gè)處理環(huán)節就是信源編碼。信源編碼是通過(guò)壓縮編碼來(lái)去掉信號源中的冗余成分，以達到壓縮碼率和帶寬，實(shí)現信號有效傳輸的目的。信道編碼是通過(guò)按一定規則重新排列信號碼元或加入輔助碼的辦法來(lái)防止碼元在傳輸過(guò)程中出錯，并進(jìn)行檢錯和糾錯，以保證信號的可靠傳輸。信道編碼后的基帶信號經(jīng)過(guò)調制，可送入各類(lèi)通道中進(jìn)行傳輸。目前數字電視可能的傳輸通道包括衛星，地面無(wú)線(xiàn)傳輸和有線(xiàn)傳輸等。
信源編碼的目的是通過(guò)在編碼過(guò)程中對原始信號冗余度的去除來(lái)壓縮碼率，因此壓縮編碼的技術(shù)與標準成為信源編碼的核心。九十年代以來(lái)，各種壓縮編碼的國際標準相繼推出，其中MPEG－2是專(zhuān)為數字電視《包括標準數字電視和數字高清晰度電視》制定的壓縮編碼標準。MPEG－2壓縮編碼輸出的碼流作為數字電視信源編碼的標準輸出碼流已被廣泛認可。目前數字電視系統中信源編碼以外的其他部分，包括信道編碼，調制器，解調器等，大都以MPEG－2碼流作為與之適配的標準數字信號碼流。
信源編碼的第一步首先要對模擬電視信號進(jìn)行取樣和模數變換，相應的需要一個(gè)統一的標準。數字演播室標準ITU－R601正是為此制定的國際標準。
二.數字演播室標準ITU－R601
早在七十年代末，英國廣播公司和索尼公司就分別展示了其各自開(kāi)發(fā)的彩色數字錄像機，成為最早的數字電視編錄產(chǎn)品，由此促成了電視信號模數轉換規范的產(chǎn)生。1980年，國際無(wú)線(xiàn)電咨詢(xún)委員會(huì )CCIR提出了電視信號模數轉換標準的建議，即稱(chēng)為數字演播室標準的CCIR601。后來(lái)CCIR成為國際電信聯(lián)盟的無(wú)線(xiàn)電委員會(huì )，稱(chēng)為ITU－R，相應的CCIR－601也改稱(chēng)ITU－R601，成為模擬電視向數字電視轉變過(guò)程中的第一個(gè)標準規范。
ITU－R601主要是一種取樣標準。模擬電視信號據此取樣后進(jìn)行8比特量化和線(xiàn)性PCM編碼，即可得到符合數字演播室標準的基帶數字信號。但是，由此得到的數字電視信號具有非常高的碼率和帶寬，難以進(jìn)入實(shí)用。雖然ITU－R601建議早在1980年已經(jīng)制定，但直到九十年代一系列有效的圖像數碼壓縮技術(shù)及相應的國際標準出現以后，數字電視才得到了迅速的發(fā)展。
圖像數據的壓縮主要基于對各種圖像數據冗余度及視覺(jué)冗余度的壓縮，包括如下一些方法：
1.統計冗余度的壓縮：對于一串由許多數值構成的數據來(lái)說(shuō)，如果其中某些值經(jīng)常出現，而另外一些值很少出現，則這種由取值上的統計不均勻性就構成了統計冗余度，可以對之進(jìn)行壓縮。具體方法是對那些經(jīng)常出現的值用短的碼組來(lái)表示，對不經(jīng)常出現的值用長(cháng)的碼組來(lái)表示，因而最終用于表示這一串數據的總的碼位，相對于用定長(cháng)碼組來(lái)表示的碼位而言得到了降低，這就是熵編碼的思想。目前用于圖像壓縮的具體的熵編碼方法主要是霍夫曼編碼，即一個(gè)數值的編碼長(cháng)度與此數值出現的概率盡可能地成反比?；舴蚵幋a雖然壓縮比不高，約為1.6：1，但好處是無(wú)損壓縮，目前在圖像壓縮編碼中被廣泛采用。
視頻圖像在每一點(diǎn)的取值上具有任意性。對于運動(dòng)圖像而言，每一點(diǎn)在一段時(shí)間內能取可能的任意值，在取值上具有統計均勻性，難以直接運用熵編碼的方法，但可以通過(guò)適當的變換編碼的方法，如DCT變換，使原圖像變成由一串統計不均勻的數據來(lái)表示，從而利用霍夫曼編碼來(lái)進(jìn)行壓縮。
2.空間冗余度的壓縮：一幅視頻圖像相鄰各點(diǎn)的取值往往相近或相同，具有空間相關(guān)性，這就是空間冗余度。圖像的空間相關(guān)性表示相鄰象素點(diǎn)取值變化緩慢。從頻域的觀(guān)點(diǎn)看，意味著(zhù)圖像信號的能量主要集中在低頻附近，高頻信號的能量隨頻率的增加而迅速衰減。通過(guò)頻域變換，可以將原圖像信號用直流分量及少數低頻交流分量的系數來(lái)表示，這就是變換編碼中的正交余弦變換DCT的方法。DCT是JPEG和MPEG壓縮編碼的基礎，可對圖像的空間冗余度進(jìn)行有效的壓縮。
視頻圖像中經(jīng)常出現一連串連續的象素點(diǎn)具有相同值的情況，典型的如彩條，彩場(chǎng)信號等。只傳送起始象素點(diǎn)的值及隨后取相同值的象素點(diǎn)的個(gè)數，也能有效地壓縮碼率，這就是行游程編碼。目前在圖像壓縮編碼中，行游程編碼并不直接對圖像數據進(jìn)行編碼，主要用于對量化后的DCT系數進(jìn)行編碼。
3.時(shí)間冗余度的壓縮：時(shí)間冗余度表現在電視畫(huà)面中相繼各幀對應象素點(diǎn)的值往往相近或相同，具有時(shí)間相關(guān)性。在知道了一個(gè)象素點(diǎn)的值后，利用此象素點(diǎn)的值及其與后一象素點(diǎn)的值的差值就可求出后一象素點(diǎn)的值。因此，不傳送象素點(diǎn)本身的值而傳送其與前一幀對應象素點(diǎn)的差值，也能有效地壓縮碼率，這就是差分編碼DPCM。在實(shí)際的壓縮編碼中，DPCM主要用于各圖像子塊在DCT變換后的直流系數的傳送。相對于交流系數而言，DCT直流系數的值很大，而相繼各幀對應子塊的DCT直流系數的值一般比較接近，在圖像未發(fā)生跳變的情況下，其差值同直流系數本身的值相比是很小的。
由差分編碼進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的預測編碼，是根據一定的規則先預測出下一個(gè)象素點(diǎn)或圖像子塊的值，然后將此預測值與實(shí)際值的差值傳送給接收端。目前圖像壓縮中的預測編碼主要用于幀間壓縮編碼，方法是先根據一個(gè)子塊的運動(dòng)矢量求出下一幀對應子塊的預測值及其與實(shí)際值的差值，接收端根據運動(dòng)矢量及差值恢復出原圖像。由于運動(dòng)矢量及差值的數據量低于原圖像的數據量，因而也能達到圖像數據壓縮的目的。
4.視覺(jué)冗余度的壓縮：視覺(jué)冗余度是相對于人眼的視覺(jué)特性而言的。人眼對于圖像的視覺(jué)特性包括：對亮度信號比對色度信號敏感，對低頻信號比對高頻信號敏感，對靜止圖像比對運動(dòng)圖像敏感，以及對圖像水平線(xiàn)條和垂直線(xiàn)條比對斜線(xiàn)敏感等。因此，包含在色度信號，圖像高頻信號和運動(dòng)圖像中的一些數據并不能對增加圖像相對于人眼的清晰度作出貢獻，而被認為是多余的，這就是視覺(jué)冗余度。
壓縮視覺(jué)冗余度的核心思想是去掉那些相對人眼而言是看不到的或可有可無(wú)的圖像數據。對視覺(jué)冗余度的壓縮通常已反映在各種具體的壓縮編碼過(guò)程中。如對于DCT系數的直流與低頻部分采取細量化，而對高頻部分采取粗量化，使得DCT變換能借此壓縮碼率，并能有效地進(jìn)行行游程編碼。在幀間預測編碼中，大碼率壓縮的預測幀及雙向預測幀的采用，也是利用了人眼對運動(dòng)圖像細節不敏感的特性。
圖像壓縮編碼的具體方法雖然還有多種，但大都是建立在上述基本思想之上的。DCT變換，行游程編碼，DPCM，幀間預測編碼及霍夫曼編碼等編碼方法，因技術(shù)上的成熟，已被有關(guān)國際組織定為壓縮編碼的主要方法。
三.圖像壓縮的主要技術(shù)與標準
目前有關(guān)圖像壓縮方面的主要標準包括CCITT的H.261,JPEG和MPEG。是分別針對電視電話(huà)圖像，靜止圖像和活動(dòng)圖像的壓縮編碼標準。這幾種壓縮標準雖然各自針對性不同，但壓縮編碼方法大體相似。
1 H.261
圖像壓縮編碼標準的提出最早源于通訊中對可視電話(huà)的研究。經(jīng)過(guò)多年努力，至1980年，國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )CCITT所屬的視頻編碼專(zhuān)家組的H.261建議被通過(guò)，成為可視電話(huà)和電話(huà)會(huì )議的國際標準。H.261又稱(chēng)Px64，傳輸碼率為Px64kbps，其中P＝1－30可變，根據圖像傳輸清晰度的不同，碼率變化范圍在64kbps至1.92Mbps之間，編碼方法包括DCT變換，可控步長(cháng)線(xiàn)性量化，變長(cháng)編碼及預測編碼等。其簡(jiǎn)化的編碼原理框圖如圖2所示。
圖中，DCT變換的輸入輸出選擇開(kāi)關(guān)由幀內/幀間模式選擇電路控制。在幀內模式時(shí)，開(kāi)關(guān)打到上面，輸入信號經(jīng)DCT變換，線(xiàn)性量化和變長(cháng)編碼后輸出，圖像只進(jìn)行幀內壓縮。在幀間模式時(shí)，開(kāi)關(guān)打到下面，前一幀圖像信號經(jīng)過(guò)預測環(huán)中的運動(dòng)補償后產(chǎn)生一個(gè)后幀的預測信號。后幀的實(shí)際輸入信號與其預測值相減后，在進(jìn)行一個(gè)幀內壓縮編碼的過(guò)程后輸出。
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