数字电视信源编码的主要技术与标准
一.数字电视的信源编码
一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现等诸多环节。数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如图1所示：
电视信号在获取后经过的第一个处理环节就是信源编码。信源编码是通过压缩编码来去掉信号源中的冗余成分，以达到压缩码率和带宽，实现信号有效传输的目的。信道编码是通过按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错，以保证信号的可靠传输。信道编码后的基带信号经过调制，可送入各类通道中进行传输。目前数字电视可能的传输通道包括卫星，地面无线传输和有线传输等。
信源编码的目的是通过在编码过程中对原始信号冗余度的去除来压缩码率，因此压缩编码的技术与标准成为信源编码的核心。九十年代以来，各种压缩编码的国际标准相继推出，其中MPEG－2是专为数字电视《包括标准数字电视和数字高清晰度电视》制定的压缩编码标准。MPEG－2压缩编码输出的码流作为数字电视信源编码的标准输出码流已被广泛认可。目前数字电视系统中信源编码以外的其他部分，包括信道编码，调制器，解调器等，大都以MPEG－2码流作为与之适配的标准数字信号码流。
信源编码的第一步首先要对模拟电视信号进行取样和模数变换，相应的需要一个统一的标准。数字演播室标准ITU－R601正是为此制定的国际标准。
二.数字演播室标准ITU－R601
早在七十年代末，英国广播公司和索尼公司就分别展示了其各自开发的彩色数字录像机，成为最早的数字电视编录产品，由此促成了电视信号模数转换规范的产生。1980年，国际无线电咨询委员会CCIR提出了电视信号模数转换标准的建议，即称为数字演播室标准的CCIR601。后来CCIR成为国际电信联盟的无线电委员会，称为ITU－R，相应的CCIR－601也改称ITU－R601，成为模拟电视向数字电视转变过程中的第一个标准规范。
ITU－R601主要是一种取样标准。模拟电视信号据此取样后进行8比特量化和线性PCM编码，即可得到符合数字演播室标准的基带数字信号。但是，由此得到的数字电视信号具有非常高的码率和带宽，难以进入实用。虽然ITU－R601建议早在1980年已经制定，但直到九十年代一系列有效的图像数码压缩技术及相应的国际标准出现以后，数字电视才得到了迅速的发展。
图像数据的压缩主要基于对各种图像数据冗余度及视觉冗余度的压缩，包括如下一些方法：
1.统计冗余度的压缩：对于一串由许多数值构成的数据来说，如果其中某些值经常出现，而另外一些值很少出现，则这种由取值上的统计不均匀性就构成了统计冗余度，可以对之进行压缩。具体方法是对那些经常出现的值用短的码组来表示，对不经常出现的值用长的码组来表示，因而最终用于表示这一串数据的总的码位，相对于用定长码组来表示的码位而言得到了降低，这就是熵编码的思想。目前用于图像压缩的具体的熵编码方法主要是霍夫曼编码，即一个数值的编码长度与此数值出现的概率尽可能地成反比。霍夫曼编码虽然压缩比不高，约为1.6：1，但好处是无损压缩，目前在图像压缩编码中被广泛采用。
视频图像在每一点的取值上具有任意性。对于运动图像而言，每一点在一段时间内能取可能的任意值，在取值上具有统计均匀性，难以直接运用熵编码的方法，但可以通过适当的变换编码的方法，如DCT变换，使原图像变成由一串统计不均匀的数据来表示，从而利用霍夫曼编码来进行压缩。
2.空间冗余度的压缩：一幅视频图像相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，这就是空间冗余度。图像的空间相关性表示相邻象素点取值变化缓慢。从频域的观点看，意味着图像信号的能量主要集中在低频附近，高频信号的能量随频率的增加而迅速衰减。通过频域变换，可以将原图像信号用直流分量及少数低频交流分量的系数来表示，这就是变换编码中的正交余弦变换DCT的方法。DCT是JPEG和MPEG压缩编码的基础，可对图像的空间冗余度进行有效的压缩。
视频图像中经常出现一连串连续的象素点具有相同值的情况，典型的如彩条，彩场信号等。只传送起始象素点的值及随后取相同值的象素点的个数，也能有效地压缩码率，这就是行游程编码。目前在图像压缩编码中，行游程编码并不直接对图像数据进行编码，主要用于对量化后的DCT系数进行编码。
3.时间冗余度的压缩：时间冗余度表现在电视画面中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同，具有时间相关性。在知道了一个象素点的值后，利用此象素点的值及其与后一象素点的值的差值就可求出后一象素点的值。因此，不传送象素点本身的值而传送其与前一帧对应象素点的差值，也能有效地压缩码率，这就是差分编码DPCM。在实际的压缩编码中，DPCM主要用于各图像子块在DCT变换后的直流系数的传送。相对于交流系数而言，DCT直流系数的值很大，而相继各帧对应子块的DCT直流系数的值一般比较接近，在图像未发生跳变的情况下，其差值同直流系数本身的值相比是很小的。
由差分编码进一步发展起来的预测编码，是根据一定的规则先预测出下一个象素点或图像子块的值，然后将此预测值与实际值的差值传送给接收端。目前图像压缩中的预测编码主要用于帧间压缩编码，方法是先根据一个子块的运动矢量求出下一帧对应子块的预测值及其与实际值的差值，接收端根据运动矢量及差值恢复出原图像。由于运动矢量及差值的数据量低于原图像的数据量，因而也能达到图像数据压缩的目的。
4.视觉冗余度的压缩：视觉冗余度是相对于人眼的视觉特性而言的。人眼对于图像的视觉特性包括：对亮度信号比对色度信号敏感，对低频信号比对高频信号敏感，对静止图像比对运动图像敏感，以及对图像水平线条和垂直线条比对斜线敏感等。因此，包含在色度信号，图像高频信号和运动图像中的一些数据并不能对增加图像相对于人眼的清晰度作出贡献，而被认为是多余的，这就是视觉冗余度。
压缩视觉冗余度的核心思想是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图像数据。对视觉冗余度的压缩通常已反映在各种具体的压缩编码过程中。如对于DCT系数的直流与低频部分采取细量化，而对高频部分采取粗量化，使得DCT变换能借此压缩码率，并能有效地进行行游程编码。在帧间预测编码中，大码率压缩的预测帧及双向预测帧的采用，也是利用了人眼对运动图像细节不敏感的特性。
图像压缩编码的具体方法虽然还有多种，但大都是建立在上述基本思想之上的。DCT变换，行游程编码，DPCM，帧间预测编码及霍夫曼编码等编码方法，因技术上的成熟，已被有关国际组织定为压缩编码的主要方法。
三.图像压缩的主要技术与标准
目前有关图像压缩方面的主要标准包括CCITT的H.261,JPEG和MPEG。是分别针对电视电话图像，静止图像和活动图像的压缩编码标准。这几种压缩标准虽然各自针对性不同，但压缩编码方法大体相似。
1 H.261
图像压缩编码标准的提出最早源于通讯中对可视电话的研究。经过多年努力，至1980年，国际电报电话咨询委员会CCITT所属的视频编码专家组的H.261建议被通过，成为可视电话和电话会议的国际标准。H.261又称Px64，传输码率为Px64kbps，其中P＝1－30可变，根据图像传输清晰度的不同，码率变化范围在64kbps至1.92Mbps之间，编码方法包括DCT变换，可控步长线性量化，变长编码及预测编码等。其简化的编码原理框图如图2所示。
图中，DCT变换的输入输出选择开关由帧内/帧间模式选择电路控制。在帧内模式时，开关打到上面，输入信号经DCT变换，线性量化和变长编码后输出，图像只进行帧内压缩。在帧间模式时，开关打到下面，前一帧图像信号经过预测环中的运动补偿后产生一个后帧的预测信号。后帧的实际输入信号与其预测值相减后，在进行一个帧内压缩编码的过程后输出。
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