數字電視信源編碼的主要技術(shù)與標準
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圖中變長(cháng)編碼器產(chǎn)生的控制信號送量化器以控制其量化步長(cháng)。當變長(cháng)編碼器的輸入中連續出現許多大數值的數據，導致集中出現長(cháng)的碼組，使緩存器接近溢出時(shí)，控制信號使量化器的量化步長(cháng)加大，以降低大數值數據的出現；反之，也可控制量化器以減小其量化步長(cháng)。在預測環(huán)路中由于存在用于恢復前幀信號的反量化器，量化步長(cháng)控制信號也要送到預測環(huán)中的反量化器中。
H.261所針對的可視電話(huà)信號最初考慮是在一般電話(huà)網(wǎng)中傳輸的，帶寬和碼率是其考慮的核心問(wèn)題。其每幀取樣點(diǎn)數比ITU－R601所規定的低許多，且采取抽幀傳輸的方法，無(wú)法滿(mǎn)足數字電視壓縮編碼的要求，但H.261是此前壓縮編碼數十年研究的結果，成為以后JPEG和MPEG編碼方法的重要基礎。
2 JPEG
1986年，國際標準化組織ISO和國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )CCITT共同成立了聯(lián)合圖像專(zhuān)家組《Joint Photographic Experts Group》，對靜止圖像壓縮編碼的標準進(jìn)行了研究，JPEG小組于1988年提出建議書(shū)，1992年成為靜止圖像壓縮編碼的國際標準。JPEG是一個(gè)達到數字演播室標準的圖像壓縮編碼標準，其亮度信號與色度信號均按照ITU－R601的規定取樣后劃分為8x8子塊進(jìn)行編碼處理。
JPEG是一種不含幀間壓縮的幀內壓縮編碼方法，其主要編碼過(guò)程與H.261的幀內編碼過(guò)程大致相同。輸入信號經(jīng)DCT變換后，按固定的亮度與色度量化矩陣進(jìn)行非線(xiàn)性量化。對量化后的DCT直流系數進(jìn)行差分編碼，交流系數進(jìn)行行游程編碼，再按霍夫曼碼表進(jìn)行變長(cháng)編碼后，送緩存器輸出。
JPEG不含幀間壓縮，壓縮比較幀內/幀間壓縮低。但因為不含幀間壓縮，使得各幀在壓縮編碼后是各自獨立的，這一點(diǎn)對于編輯來(lái)說(shuō)是有利的，可以做到精確到逐幀的編輯。所以對于活動(dòng)畫(huà)面只進(jìn)行幀內壓縮的Motion-JPEG，目前仍然在一些數字電視編錄設備，如非線(xiàn)性編輯系統中得到應用。
3 MPEG
1988年，國際標準化組織ISO和國際電工委員會(huì )IEC共同組建了運動(dòng)圖像專(zhuān)家組《Moving Picture Experts Group》，對運動(dòng)圖像的壓縮編碼標準進(jìn)行了研究。1992年和1994年分別通過(guò)了MPEG－1和MPEG－2壓縮編碼標準。
MPEG－1主要是針對運動(dòng)圖像和聲音在數字存儲時(shí)的壓縮編碼，典型應用如VCD等家用數字音像產(chǎn)品，其編碼最高碼率為1.5Mbps。MPEG－2則針對數字電視的視音頻壓縮編碼，對數字電視各種等級的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細的規定，其編碼碼率可從3Mbps到100Mbps。
MPEG的基本編碼過(guò)程與H.261相似，即通過(guò)DCT進(jìn)行幀間壓縮。除了在編碼語(yǔ)法上加進(jìn)了一些特別規定外，與H.261的一個(gè)重要不同是MPEG在預測編碼中加進(jìn)了一個(gè)雙向預測幀B幀，如圖3所示。
圖中，I幀只進(jìn)行幀內壓縮，是作為預測基準的獨立幀，具有較小的壓縮比。由I幀前向預測產(chǎn)生的P幀具有中等壓縮比，并與I幀一起成為B幀的預測基準。由此產(chǎn)生的B幀則具有最高的壓縮比。I幀出現的頻率及I，B，P幀之間如何組合，MPEG未作具體規定，可由編碼器自行選擇。如索尼的數字Betacom錄像機，為便于精確地編輯，在壓縮編碼過(guò)程中抽掉了B幀，只有I幀與P幀的組合。
在上述各種圖像壓縮編碼標準中，MPEG－2是專(zhuān)門(mén)針對數字電視的。MPEG－2的壓縮編碼及其標準碼流的形成構成了數字電視信源編碼的核心。
四.MPEG－2標準碼流的形成
符合MPEG－2格式的碼流成為數字電視信源編碼的標準輸出碼流。數字電視信道編碼，DVB及MPEG－2解碼器等均認同和適應此標準。為了形成統一標準的MPEG－2輸出碼流，MPEG－2對其壓縮編碼的適用范圍和編碼語(yǔ)法，對碼流的打包與復用等作了詳細具體的規定。
1.MPEG－2的類(lèi)和級
在對數字電視信號進(jìn)行壓縮編碼時(shí)，MPEG－2可采用多種編碼工具并實(shí)現不同層次的清晰度，分別稱(chēng)為MPEG－2的類(lèi)《Profile》和級《Level》，具體分為五類(lèi)四級。
圖像清晰度由LOW到HIGH逐級提高，使用的編碼工具從SIMPLE到HIGH依次遞增。20個(gè)可能的組合中有11個(gè)已獲通過(guò)，稱(chēng)為MPEG－2 適用點(diǎn)，其中主類(lèi)主級MP@ML適用于標準數字電視，主類(lèi)高級MP@HL則用于高清晰度電視。
2.MPEG－2的層
MPEG－2根據圖像塊和圖像幀的不同組合劃分為六層。MPEG－2的層直接決定了編碼碼流的形成和結構。MPEG－2的層從下至上依次為：
象塊層:由8x8個(gè)象素點(diǎn)構成的DCT變換基本單元；
宏塊層:在4：2：2取樣中，一個(gè)宏塊由4個(gè)亮度象塊，2個(gè)Cr象塊和2個(gè)Cb 象塊構成。另外還有4：2：0取樣和4：4：4取樣的兩種宏塊；
像條層:一連串宏塊可構成一個(gè)像條；
圖像層:一系列像條可以構成一幅圖像，圖像分為I，B，P三類(lèi)；
圖像組層:由相互間相關(guān)的一組I，B，P幀組成，I幀為第一幀；
視頻序列層:一系列圖像組構成了一個(gè)視頻序列；
從象塊開(kāi)始從下至上依次編碼，并在除象塊和宏塊外的每一層的開(kāi)始處加上起始碼和頭標志，就形成了MPEG－2基本碼流（Elementary Stream〕。
3.MPEG－2基本碼流的打包與復用
分別從MPEG－2編碼器中輸出的視頻，音頻和數據基本碼流無(wú)法直接送信道傳輸，需要經(jīng)過(guò)打包和復用，形成適合傳輸的單一的MPEG－2傳輸碼流。
視頻，音頻及數據基本碼流ES先被打成一系列不等長(cháng)的PES小包，稱(chēng)為打包的基本碼流。每個(gè)PES小包帶有一個(gè)包頭，內含小包的種類(lèi)，長(cháng)度及其他相關(guān)信息。視頻，音頻及數據的PES小包，按照共同的時(shí)間基準，經(jīng)節目復用后形成單一的節目碼流。多路節目碼流經(jīng)傳輸復用后形成由定長(cháng)傳輸小包組成的單一的傳輸碼流，成為MPEG－2信源編碼的最終輸出信號
在數字化電視信號的信源編碼中，根據對圖像清晰度的不同要求及其他方面的考慮，可分別采用JPEG、MPEG-1和MPEG-2作為編碼方法。其中，MPEG-2由于專(zhuān)門(mén)針對數字電視的信源編碼制定了一系列的語(yǔ)法和規范并被廣泛認可，已成為數字電視廣播信源編碼的核心技術(shù)與標準。
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