數(shù)字電視信源編碼的主要技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)
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圖中變長編碼器產(chǎn)生的控制信號送量化器以控制其量化步長。當(dāng)變長編碼器的輸入中連續(xù)出現(xiàn)許多大數(shù)值的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致集中出現(xiàn)長的碼組，使緩存器接近溢出時，控制信號使量化器的量化步長加大，以降低大數(shù)值數(shù)據(jù)的出現(xiàn)；反之，也可控制量化器以減小其量化步長。在預(yù)測環(huán)路中由于存在用于恢復(fù)前幀信號的反量化器，量化步長控制信號也要送到預(yù)測環(huán)中的反量化器中。
H.261所針對的可視電話信號最初考慮是在一般電話網(wǎng)中傳輸?shù)?，帶寬和碼率是其考慮的核心問題。其每幀取樣點(diǎn)數(shù)比ITU－R601所規(guī)定的低許多，且采取抽幀傳輸?shù)姆椒ǎ瑹o法滿足數(shù)字電視壓縮編碼的要求，但H.261是此前壓縮編碼數(shù)十年研究的結(jié)果，成為以后JPEG和MPEG編碼方法的重要基礎(chǔ)。
2 JPEG
1986年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國際電報(bào)電話咨詢委員會CCITT共同成立了聯(lián)合圖像專家組《Joint Photographic Experts Group》，對靜止圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，JPEG小組于1988年提出建議書，1992年成為靜止圖像壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)。JPEG是一個達(dá)到數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，其亮度信號與色度信號均按照ITU－R601的規(guī)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(nèi)壓縮編碼方法，其主要編碼過程與H.261的幀內(nèi)編碼過程大致相同。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)行非線性量化。對量化后的DCT直流系數(shù)進(jìn)行差分編碼，交流系數(shù)進(jìn)行行游程編碼，再按霍夫曼碼表進(jìn)行變長編碼后，送緩存器輸出。
JPEG不含幀間壓縮，壓縮比較幀內(nèi)/幀間壓縮低。但因?yàn)椴缓瑤g壓縮，使得各幀在壓縮編碼后是各自獨(dú)立的，這一點(diǎn)對于編輯來說是有利的，可以做到精確到逐幀的編輯。所以對于活動畫面只進(jìn)行幀內(nèi)壓縮的Motion-JPEG，目前仍然在一些數(shù)字電視編錄設(shè)備，如非線性編輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
3 MPEG
1988年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國際電工委員會IEC共同組建了運(yùn)動圖像專家組《Moving Picture Experts Group》，對運(yùn)動圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。1992年和1994年分別通過了MPEG－1和MPEG－2壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。
MPEG－1主要是針對運(yùn)動圖像和聲音在數(shù)字存儲時的壓縮編碼，典型應(yīng)用如VCD等家用數(shù)字音像產(chǎn)品，其編碼最高碼率為1.5Mbps。MPEG－2則針對數(shù)字電視的視音頻壓縮編碼，對數(shù)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(xì)的規(guī)定，其編碼碼率可從3Mbps到100Mbps。
MPEG的基本編碼過程與H.261相似，即通過DCT進(jìn)行幀間壓縮。除了在編碼語法上加進(jìn)了一些特別規(guī)定外，與H.261的一個重要不同是MPEG在預(yù)測編碼中加進(jìn)了一個雙向預(yù)測幀B幀，如圖3所示。
圖中，I幀只進(jìn)行幀內(nèi)壓縮，是作為預(yù)測基準(zhǔn)的獨(dú)立幀，具有較小的壓縮比。由I幀前向預(yù)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(yù)測基準(zhǔn)。由此產(chǎn)生的B幀則具有最高的壓縮比。I幀出現(xiàn)的頻率及I，B，P幀之間如何組合，MPEG未作具體規(guī)定，可由編碼器自行選擇。如索尼的數(shù)字Betacom錄像機(jī)，為便于精確地編輯，在壓縮編碼過程中抽掉了B幀，只有I幀與P幀的組合。
在上述各種圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)中，MPEG－2是專門針對數(shù)字電視的。MPEG－2的壓縮編碼及其標(biāo)準(zhǔn)碼流的形成構(gòu)成了數(shù)字電視信源編碼的核心。
四.MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)碼流的形成
符合MPEG－2格式的碼流成為數(shù)字電視信源編碼的標(biāo)準(zhǔn)輸出碼流。數(shù)字電視信道編碼，DVB及MPEG－2解碼器等均認(rèn)同和適應(yīng)此標(biāo)準(zhǔn)。為了形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的MPEG－2輸出碼流，MPEG－2對其壓縮編碼的適用范圍和編碼語法，對碼流的打包與復(fù)用等作了詳細(xì)具體的規(guī)定。
1.MPEG－2的類和級
在對數(shù)字電視信號進(jìn)行壓縮編碼時，MPEG－2可采用多種編碼工具并實(shí)現(xiàn)不同層次的清晰度，分別稱為MPEG－2的類《Profile》和級《Level》，具體分為五類四級。
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個可能的組合中有11個已獲通過，稱為MPEG－2 適用點(diǎn)，其中主類主級MP@ML適用于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視，主類高級MP@HL則用于高清晰度電視。
2.MPEG－2的層
MPEG－2根據(jù)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(jié)構(gòu)。MPEG－2的層從下至上依次為：
象塊層:由8x8個象素點(diǎn)構(gòu)成的DCT變換基本單元；
宏塊層:在4：2：2取樣中，一個宏塊由4個亮度象塊，2個Cr象塊和2個Cb 象塊構(gòu)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(gòu)成一個像條；
圖像層:一系列像條可以構(gòu)成一幅圖像，圖像分為I，B，P三類；
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(gòu)成了一個視頻序列；
從象塊開始從下至上依次編碼，并在除象塊和宏塊外的每一層的開始處加上起始碼和頭標(biāo)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(fù)用
分別從MPEG－2編碼器中輸出的視頻，音頻和數(shù)據(jù)基本碼流無法直接送信道傳輸，需要經(jīng)過打包和復(fù)用，形成適合傳輸?shù)膯我坏腗PEG－2傳輸碼流。
視頻，音頻及數(shù)據(jù)基本碼流ES先被打成一系列不等長的PES小包，稱為打包的基本碼流。每個PES小包帶有一個包頭，內(nèi)含小包的種類，長度及其他相關(guān)信息。視頻，音頻及數(shù)據(jù)的PES小包，按照共同的時間基準(zhǔn)，經(jīng)節(jié)目復(fù)用后形成單一的節(jié)目碼流。多路節(jié)目碼流經(jīng)傳輸復(fù)用后形成由定長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(shù)字化電視信號的信源編碼中，根據(jù)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由于專門針對數(shù)字電視的信源編碼制定了一系列的語法和規(guī)范并被廣泛認(rèn)可，已成為數(shù)字電視廣播信源編碼的核心技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。
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