數字電視信源編碼的主要技術與標準
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一.數字電視的信源編碼
一個完整的數字電視系統包括數字電視信號的產生、處理、傳輸、接收和重現等諸多環(huán)節(jié)。數字電視信號在進入傳輸通道前的處理過程一般如圖1所示：
電視信號在獲取后經過的第一個處理環(huán)節(jié)就是信源編碼。信源編碼是通過壓縮編碼來去掉信號源中的冗余成分，以達到壓縮碼率和帶寬，實現信號有效傳輸的目的。信道編碼是通過按一定規(guī)則重新排列信號碼元或加入輔助碼的辦法來防止碼元在傳輸過程中出錯，并進行檢錯和糾錯，以保證信號的可靠傳輸。信道編碼后的基帶信號經過調制，可送入各類通道中進行傳輸。目前數字電視可能的傳輸通道包括衛(wèi)星，地面無線傳輸和有線傳輸等。
信源編碼的目的是通過在編碼過程中對原始信號冗余度的去除來壓縮碼率，因此壓縮編碼的技術與標準成為信源編碼的核心。九十年代以來，各種壓縮編碼的國際標準相繼推出，其中MPEG－2是專為數字電視《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行取樣和模數變換，相應的需要一個統一的標準。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發(fā)的彩色數字錄像機，成為最早的數字電視編錄產品，由此促成了電視信號模數轉換規(guī)范的產生。1980年，國際無線電咨詢委員會CCIR提出了電視信號模數轉換標準的建議，即稱為數字演播室標準的CCIR601。后來CCIR成為國際電信聯盟的無線電委員會，稱為ITU－R，相應的CCIR－601也改稱ITU－R601，成為模擬電視向數字電視轉變過程中的第一個標準規(guī)范。
ITU－R601主要是一種取樣標準。模擬電視信號據此取樣后進行8比特量化和線性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，難以進入實用。雖然ITU－R601建議早在1980年已經制定，但直到九十年代一系列有效的圖像數碼壓縮技術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說，如果其中某些值經常出現，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，可以對之進行壓縮。具體方法是對那些經常出現的值用短的碼組來表示，對不經常出現的值用長的碼組來表示，因而最終用于表示這一串數據的總的碼位，相對于用定長碼組來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，即一個數值的編碼長度與此數值出現的概率盡可能地成反比。霍夫曼編碼雖然壓縮比不高，約為1.6：1，但好處是無損壓縮，目前在圖像壓縮編碼中被廣泛采用。
視頻圖像在每一點的取值上具有任意性。對于運動圖像而言，每一點在一段時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表示，從而利用霍夫曼編碼來進行壓縮。
2.空間冗余度的壓縮：一幅視頻圖像相鄰各點的取值往往相近或相同，具有空間相關性，這就是空間冗余度。圖像的空間相關性表示相鄰象素點取值變化緩慢。從頻域的觀點看，意味著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行有效的壓縮。
視頻圖像中經常出現一連串連續(xù)的象素點具有相同值的情況，典型的如彩條，彩場信號等。只傳送起始象素點的值及隨后取相同值的象素點的個數，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行編碼，主要用于對量化后的DCT系數進行編碼。
3.時間冗余度的壓縮：時間冗余度表現在電視畫面中相繼各幀對應象素點的值往往相近或相同，具有時間相關性。在知道了一個象素點的值后，利用此象素點的值及其與后一象素點的值的差值就可求出后一象素點的值。因此，不傳送象素點本身的值而傳送其與前一幀對應象素點的差值，也能有效地壓縮碼率，這就是差分編碼DPCM。在實際的壓縮編碼中，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。
由差分編碼進一步發(fā)展起來的預測編碼，是根據一定的規(guī)則先預測出下一個象素點或圖像子塊的值，然后將此預測值與實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，方法是先根據一個子塊的運動矢量求出下一幀對應子塊的預測值及其與實際值的差值，接收端根據運動矢量及差值恢復出原圖像。由于運動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.視覺冗余度的壓縮：視覺冗余度是相對于人眼的視覺特性而言的。人眼對于圖像的視覺特性包括：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圖像敏感，以及對圖像水平線條和垂直線條比對斜線敏感等。因此，包含在色度信號，圖像高頻信號和運動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，這就是視覺冗余度。
壓縮視覺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的圖像數據。對視覺冗余度的壓縮通常已反映在各種具體的壓縮編碼過程中。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圖像細節(jié)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，因技術上的成熟，已被有關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與標準
目前有關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圖像，靜止圖像和活動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的研究。經過多年努力，至1980年，國際電報電話咨詢委員會CCITT所屬的視頻編碼專家組的H.261建議被通過，成為可視電話和電話會議的國際標準。H.261又稱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，可控步長線性量化，變長編碼及預測編碼等。其簡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關由幀內/幀間模式選擇電路控制。在幀內模式時，開關打到上面，輸入信號經DCT變換，線性量化和變長編碼后輸出，圖像只進行幀內壓縮。在幀間模式時，開關打到下面，前一幀圖像信號經過預測環(huán)中的運動補償后產生一個后幀的預測信號。后幀的實際輸入信號與其預測值相減后，在進行一個幀內壓縮編碼的過程后輸出。
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