數(shù)字電視信源編碼的主要技術(shù)與標準
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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所針對的可視電話信號最初考慮是在一般電話網(wǎng)中傳輸?shù)模瑤捄痛a率是其考慮的核心問題。其每幀取樣點數(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，國際標準化組織ISO和國際電報電話咨詢委員會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準進行了研究，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準。JPEG是一個達到數(shù)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(guī)定取樣后劃分為8x8子塊進行編碼處理。
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行非線性量化。對量化后的DCT直流系數(shù)進行差分編碼，交流系數(shù)進行行游程編碼，再按霍夫曼碼表進行變長編碼后，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)中得到應用。
3 MPEG
1988年，國際標準化組織ISO和國際電工委員會IEC共同組建了運動圖像專家組《Moving Picture Experts Group》，對運動圖像的壓縮編碼標準進行了研究。1992年和1994年分別通過了MPEG－1和MPEG－2壓縮編碼標準。
MPEG－1主要是針對運動圖像和聲音在數(shù)字存儲時的壓縮編碼，典型應用如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進行幀間壓縮。除了在編碼語法上加進了一些特別規(guī)定外，與H.261的一個重要不同是MPEG在預測編碼中加進了一個雙向預測幀B幀，如圖3所示。
圖中，I幀只進行幀內(nèi)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(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，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準中，MPEG－2是專門針對數(shù)字電視的。MPEG－2的壓縮編碼及其標準碼流的形成構(gòu)成了數(shù)字電視信源編碼的核心。
四.MPEG－2標準碼流的形成
符合MPEG－2格式的碼流成為數(shù)字電視信源編碼的標準輸出碼流。數(shù)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(tǒng)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法，對碼流的打包與復用等作了詳細具體的規(guī)定。
1.MPEG－2的類和級
在對數(shù)字電視信號進行壓縮編碼時，MPEG－2可采用多種編碼工具并實現(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，其中主類主級MP@ML適用于標準數(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(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，經(jīng)節(jié)目復用后形成單一的節(jié)目碼流。多路節(jié)目碼流經(jīng)傳輸復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)范并被廣泛認可，已成為數(shù)字電視廣播信源編碼的核心技術(shù)與標準。
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