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广播电视常用的几种数字视频编码技术

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广播电视常用的几种数字视频编码技术 当前,电视设备正逐步从模拟向数字过渡,SONY、松下、JVC 等公司纷纷推出了最新的数 字摄、录、编设备。在当今电视技术领域,数字记录和编辑已得到广泛的运用。 数字视频的记录格式有非压缩和压缩两大类。非压缩记录格式

  广播电视常用的几种数字视频编码技术 当前,电视设备正逐步从模拟向数字过渡,SONY、松下、JVC 等公司纷纷推出了最新的数 字摄、录、编设备。在当今电视技术领域,数字记录和编辑已得到广泛的运用。 数字视频的记录格式有非压缩和压缩两大类。非压缩记录格式的 D1、D2、D3、D5 等系列, 它是以原有信号码率直接记录输入信号,保持了信号的原有水平,为无损记录。记录方式又 分数字分量(D1、D5)和数字复合(D2、D3) ,它们代表了视频设备最高标准,图像质量 最高,信号损失最小,但同时由于图像信号数据量很大,对机器硬件的要求极其苛刻,而价 格非常昂贵,虽然产品已问世数年,但仅有少数对画质要求极高的视频制作公司使用。而压 缩格式是指采用数字压缩技术的视频,常见的有 DV,MPEG-2, M-JPEG 等,并制定各种 数据压缩标准,于是出现了相应的数字 Betacam(DVW) , DV , DVCPRO , DIGITAL-S , DVCAM, Betacam-SX 等规格的数字录像机,它们将图像信号压缩再记录在磁带上,其目 的是在保证图像质量的前提下,减小图像信号的数据量,减小设备体积,减少磁带用量,以 最小的信号损失达到尽可能好的效果,从而降低设备成本。 1、数字视频技术的国际标准 (1)CCIR601 号建议 为了便于国际间的节目交换, 消除数字设备之间的制式差别, 使 625 行电视系统与 525 行电 视系统之间能够兼容,1982 年 2 月国际无线电咨询委员会(CCIR,现改为国际电联无线电通 信部,即 ITU-R)第 15 次全会上通过了 601 号建议,确定以分量编码为基础:以亮度分量 Y 和两个色差分量 R-Y,B-Y 为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。 (2)H.261 标准 H.261 简称 p×64。该标准是用于电视电话和电视会议,图像编码算法是实时处理,并且延 迟时间最小,使图像和语音密切配合,达到全彩色的实时运动视频传输,并获得高压缩比。 该标准于 1990 年由国际电报电话咨询委员会(CCITT)完成通过。 (3)JPEG 标准 静像数据压缩标准 JPEG(JointPhotographicExpertsGroup),即联合图像术专家组,是国际标 准组织(ISO) 、国际电报电话咨询委员会(CCITT)和国际电工委员会(IEC)3 个国际组 织合作,在 1991 年完成通过。JPEG 既是 ISO 的标准,也是 CCITT 的推荐标准,其目标是 压缩静止彩色图片数据,多用于卫星、新闻图片的传输与存储,以及图形、图像文献资料处 理等方面。 (4)MPEG 标准 随 着 数 字 音 频 和 数 字 视 频 技 术 的 广 泛 应 用 , ISO 的 活 动 图 像 专 家 组 (MovingPictureExpertGroup)在 1991 年 11 月提出了 ISOll172 标准的建议草案, 通称 MPEG-1 标准, 该标准于 1992 年 11 月通过。 MPEG-1 标准适用于数码率在 1.5Mbps 左右的应用环境, 也就是为 CD-ROM 光盘的视频存储和放像所制定的。 MPEG-2 是由 MPEG 开发的第 2 个标准,于 1994 年 11 月正式确定为国际标准。MPEG-2 是 “ 活 动 图 像 及 有 关 声 音 信 息 的 通 用 编 码 ” (GenericCodingofMovingPicturesAssociatedAudioInformation) 标准。作为一种公认的压缩方 案,该标准具有开放性、技术成本低、互操作性和灵活性、比特率的可选择扩展性及众多厂 商的支持等优势,在网络、通信、卫星等领域被采用。 MPEG-4 是 1993 年开始制定, 1998 年 10 月方才定案, 直到 2000 年年初正式成为国际标准。 该标准具有许多引人注目的功能, 包括以对象内容为基础的视频对象存取、 以场景内容为基 础的可升级性、视频存取、纠错能力等。MPEG-4 视频标准不仅可以提供一个更具压缩效率 的新型多媒体信息传输标准,同时也具有良好的交互性、全方位存忍迥谌菝枋鼋涌凇?其名 称由来是 1+2+4=7(MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4) 。它扩展现有内容识别专用解决方案的 有限的能力,还包括更多的数据类型。MPEG-7 是规定一个用于描述各种不同类型多媒体信 息的描述符的标准集合。 2、数字视频压缩方式 基于上述标准,目前在电视领域广泛应用的 3 种压缩方式是 MPEG-2,M-JPEG 和 DV。它 们均基于离散余弦变换(DCT) ,并对变换系数微量化处理后进行游程编码。 (1)JPEG 简介 JPEG 用于连续变化的静止图像,包括灰度等级和颜色两方面的连续变化。 JPEG 包含两种基本压缩方法:第一种是有损压缩,它是以 DCT(DiscreteCosineTransform) 为基础的压缩方法;第二种为无损压缩,也称预测压缩方法。最常使用的是前者,即 DCT 压 缩方法, 也称为基线顺序编解码(BaselineSequentialCodec)方法, 这种方法先进、 有效、 简单、 易于交流,因此得到广泛应用。 (2)M-JPEG 简介 M-JPEG 是按活动图像的正常要求速度,每秒完成对 25 帧图像的帧内压缩方式压缩每一帧, 每一帧都被当作独立的信号处理,其一系列的帧实际上就是一个 JPEG 的信号流。这种设计 的好处是易于编辑,可随机对任意帧进行编辑,对于非线性编辑应用是一个优秀的选择。 M-JPEG 的压缩和解压缩是对称的,可由相同的硬件与软件实现。其缺点是需要过多的带宽 和存储空间,这是因为它不对著行压缩,而只是帧内压缩,压缩效率不够高。 (3)DV 简介 DV 压缩方式是为家用录像机设计的一种可扩展的格式,可适用于标准清晰度电视和高清晰 度电视。DV 压缩最早是由标准和高清晰度家用 VCR 制造商的一个联盟研发的。DV 使用 13.5MHz 采样率,4∶1∶1 编码,并用 8 比特代码来提高信噪比,其空间压缩比为 5∶1。DV 通过对实质上不活动的视频图像的倡这种压缩从标准的 25Mb/s 扩展到 DVCPRO50 中的 50Mb/s。Sony 则提供基于 DV 压缩的 DVCAM 系列 VTR。用于广播电视的 DVCPR0 摄像 机主要有两种机型:一种是 DVCPR025,一种是 DVCPR050。 (4)MPEG 简介 MPEG 标准的数字压缩基本步骤是: 先将模拟视频转换为数字视频后按时序分组, 每个图像 组(GOP)选定一个基准图像,利用运动估计减少图像间的时间冗余,最后将基准图像和运 动估计误差进行离散余弦变换(DCT) 、系数量化和熵编码(VLC&RLC)以消除空间冗余。 MPEG 专家组最初的任务有 3 个:实现 1.5Mb/s,10Mb/s,40Mb/s 的压缩编码标准,即 MPEG-1,MPEG-2,MPEG-3,其中 MPEG-3 于 1992 年被撤消。 MPEG-l 标准用于运动图像及其音频编码标准,着重于高压缩率,具有低带宽和低分解力, 视频速率大致为 1.5Mb/s。其基本算法是对于压缩水平方向(360 个像素)和竖直方向(288 个像素)的空间分辨率,对于每秒 24~30 幅画面的运动图像有比较好的效果。MPEG-l 标准 还提供了一些录像机的功能:正放、图像冻结、快进、快倒和慢放等, 以及随机存储的功能。 MPEG-l 标准还采用了一系列技术以获得高压缩比: ①对色差信号进行亚采样, 减少数据量; ②采用运动补偿技术减少著行量化,舍去不重要的信息,将量化后 DCT 分量按照频率重新 排序;⑤将 DCT 分量进行变字长编码;⑥对每个数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码。 MPEG-2 标准与 MPEG-1 标准相似, 其比特率比后者高得多, 因而要求较高的带宽和分解力。 MPEG-2 标准可定义高达 400Gb/s 的比特率和 16000×16000 像素的图像。其采用帧内编码 与质剑 OP(图像组)内分为 I 帧(帧内编码帧) 、P 帧(向前预测编码帧) 、B 帧(双 向预测帧) ,对它们采取不同的压缩编码方式。1996 年 1 月,国际慕尼黑团体会议上又确认 了具有高广播级质量和高编辑精度的 MPEG-2MP@ML 标准,它允许较短的 GOP,使之适 应于节目制作的精确编辑。MPEG-2 在处理图像的“简单”与“复杂”区域能自动变换压缩 率,它能在同一帧内使用不同的压缩比,因而更加有效。在压缩成相同图像质量的条件下, MPEG-2 图像所占的空间只是 M-JPEG 图像的 10%~15%。在图像采集、制作、传输、播出 等各领域中, MPEG-2 已逐渐被广泛采用。 MPEG-4 除完全支持 MPEG-1/2 已提供的全部视频功能,包括在不同输入格式、帧率、比特 率下对标准矩形区域图像序列进行有效编码外,还增加了新的功能:为提高传输效率, MPEG-4 采用“子图形”预测和编码技术,它把静止的背景作为“子图形” ,首先发往收端, 作为第一帧同时存储于编码器与解码器内,再利用摄像机的移动、旋转和缩放,摄取背景前 出现的视频对象,再将其分开进行编码,形成视频序列进行传送,进而重建原来的图像。这 种技术对实现多媒体数据库十分有利,同时还可以改善图像质量。MPEG-4 是一种高效率的 编码标准,其最低码率可达到 5~64kbps。对于具体视频而言,其交互性和可操作性,在多 媒体应用领域中又可以与各种编码兼容。 MPEG-7 建立在 MPEG-4 的基础上, 用很少的特征 对信息内容进行检索。 例如对图形, 只要画出很少几条线就可以找到包括该特征的相应图形、 商标等。 3、3 种常用数字压缩格式的比较 M-JPEG,DV 和 MPEG 作为视频工业中的 3 种主要的压缩技术,它们都基于 DCT,它们所 记录的图像被转化成统一、量化和可变长度编码的频域系数。其中,DV 和典型的 M-JPEG 是帧内编码,采用帧内压缩方式,没有窒低。对于 MPEG-2 来说,采用种〉谋嗉 琈 PEG-2 用于编辑时,一般仅限于 I 帧编码,能够在不了解前一帧和后一帧的情况下,在 边缘进行帧切换。此外,DV 和 MPEG-2 压缩使用运动自适应处理来实现有效的帧内编码, 但是, DV 只能进行固定比特率(CBR)编码,而 MPEG-2 和 M-JPEG 则可进行 CBR 和可 变比特率(VBR)编码。 数字视频压缩技术使我们能够以较小的成本获得高质量的视频, 为高质量传播视频信号成为 可能,并且随着电视技术的不断发展,这一技术还在不断更新、提高。当电视技术和互联网 络技术结合时,数字视频技术更加体现出它所具备的交流传播的优势。

  
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