1、數(shù)字電視視頻壓縮技術(shù)原理摘要：視頻壓縮通過減少和去除冗余視頻數(shù)據(jù)的方式，達(dá)到有效發(fā)送和存儲數(shù)字視頻文件的目的。在壓縮過程中，需要應(yīng)用壓縮算法對源視頻進(jìn)行壓縮以創(chuàng)建壓縮文件，以便進(jìn)行傳輸和存儲。要想播放壓縮文件，則需要應(yīng)用相反的解壓縮算法對視頻進(jìn)行還原，還原后的視頻內(nèi)容與原始的源視頻內(nèi)容幾乎完全相同。壓縮、發(fā)送、解壓縮和顯示文件所需的時間稱為延時。在相同處理能力下，壓縮算法越高級，延時就越長。關(guān)鍵詞：視頻、壓縮、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)Principles of digital television video compression technologyInformation science and eng

2、ineering college Telecom 07-2 class Gan Linzhong School No. 3071818233Abstract：Video compression by reducing and removing redundant video data means to achieve an effective transmit and store digital video files purpose. In the compression process, the need to apply the compression algorithm to comp

3、ress the source video to create a compressed file for transmission and storage. To play compressed files, you need to apply the opposite solution to restore the video compression algorithm, the restored original source video content and video content are almost identical. Compression, transmission,

4、decompression and display the time required is called latency. Under the same processing power, the more advanced compression algorithm, the longer the delay.Keywords： video, compression, technology, standards    傳統(tǒng)的壓縮編碼是建立在香農(nóng)（Shannon）信息論基礎(chǔ)上的，它以經(jīng)典的集合論為基礎(chǔ)，用統(tǒng)計概率模型來描述信源，但它未考慮信息接受者的主觀特性及事件本身的具

5、體含義、重要程度和引起的后果。因此，壓縮編碼的發(fā)展歷程實際上是以香農(nóng)信息論為出發(fā)點(diǎn)，一個不斷完善的過程。 從不同角度考慮，數(shù)據(jù)壓縮編碼具有不同的分類方式。 按信源的統(tǒng)計特性可分為預(yù)測編碼、變換編碼、矢量量化編碼、子帶小波編碼、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方法等。 數(shù)眼的視覺特性可能基于方向濾波的圖像編碼、基于圖像輪廓紋理的編碼方法等。 按圖像傳遞的景物特性可分為分形編碼、基于內(nèi)容的編碼方法等。視頻壓縮技術(shù)是計算機(jī)處理視頻的前提。視頻信號數(shù)字化后數(shù)據(jù)帶寬很高，通常在20MB/秒以上，因此計算機(jī)很難對之進(jìn)行保存和處理。采用壓縮技術(shù)以后通常數(shù)據(jù)帶寬右以降到1-10MB/秒，這樣就可以將視頻信號保存在計算機(jī)中并作相應(yīng)

6、的處理。常用的算法是由ISO制訂的，即JPEG和MPEG算法。JPEG是靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，適用于連續(xù)色調(diào)彩色或灰度圖像，它包括兩部分：一是基于DPCM(空間線性預(yù)測)技術(shù)的無失真編碼，一是基于DCT(離散余弦變換)和哈夫曼編碼的有失真算法，前者壓縮比很小，主要應(yīng)用的是后一種算法。在非線性編輯中最常用的是MJPEG算法，即Motion JPEG。它是將視頻信號50幀/秒(PAL制式)變?yōu)?5幀/秒，然后按照25幀/秒的速度使用JPEG算法對每一幀壓縮。通常壓縮倍數(shù)在3.5-5倍時可以達(dá)到Betacam的圖像質(zhì)量。MPEG算法是適用于動態(tài)視頻的壓縮算法，它除了對單幅圖像進(jìn)行編碼外還利用圖像序列中的

7、相關(guān)原則，將冗余去掉，這樣可以大大提高視頻的壓縮比。前MPEG-I用于VCD節(jié)目中，MPEG-II用于VOD、DVD節(jié)目中。數(shù)據(jù)壓縮的理論基礎(chǔ)是信息論，從信息論的角度來看，壓縮就是去掉數(shù)據(jù)中的冗余，即保留不確定的信息，去掉確定的信息（可推知的），也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。數(shù)字圖像和視頻數(shù)據(jù)中存在著大量的數(shù)據(jù)冗余和主觀視覺冗余，因此，圖像和視頻數(shù)據(jù)壓縮不僅是必要的，而且也是可能的。 視頻數(shù)據(jù)壓縮方法根據(jù)不同的依據(jù)可產(chǎn)生不同的分類。最常見的是根據(jù)質(zhì)量有無損失可分為有失真壓縮編碼和無失真壓縮編碼。按照壓縮冗余信息的機(jī)理不同，目前的圖像壓縮編碼方法大致可以分為三類:一是，著

8、眼于圖像信源的統(tǒng)計特征的壓縮方式，主要采用統(tǒng)計編碼法、預(yù)測編碼法、變換編碼法、矢量量化編碼法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼法等；二是，著眼于人眼視覺特性的壓縮方式，主要采用基于方向濾波的圖像編碼法，基于圖像輪廓-紋理的編碼法；三是，著眼于圖像傳遞的景物（內(nèi)容）特征的壓縮方式，主要采用基于模型的（分形）編碼法。視頻編解碼器（編碼器/解碼器）是指兩個協(xié)同運(yùn)行的壓縮-解壓算法。使用不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻編解碼器通常彼此之間互不兼容；也就是說，使用一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮的視頻內(nèi)容無法使用另外一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解壓縮。例如，MPEG-4Part2解碼器就不能與H.264編碼器協(xié)同運(yùn)行。這是因為一種算法無法正確地對另外一個算法的輸出信號進(jìn)行

9、解碼，然而我們可以在同一軟件或硬件中使用多種不同的算法，以支持對多種格式的文件進(jìn)行壓縮。   由于不同的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)會使用不同的方法來減少數(shù)據(jù)量，因此壓縮結(jié)果在比特率、質(zhì)量和延時方面也各不相同。   此外，由于編碼器的設(shè)計者可能會選擇使用某個標(biāo)準(zhǔn)所定義的不同工具集，因此，即使是使用相同壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼器之間，其壓縮結(jié)果也可能會存在差異。不過，只要編碼器的輸出信號符合標(biāo)準(zhǔn)的格式以及解碼器的要求，就可以采用不同的實施方式。這是非常有利的，因為不同的實施方式可實現(xiàn)不同的目標(biāo)，滿足不同的預(yù)算要求。對用于管理光介質(zhì)存儲的非實時專業(yè)軟件編碼器來說，應(yīng)該能夠比用于視頻會

10、議的集成在手持設(shè)備中的實時硬件編碼器提供質(zhì)量更高的編碼視頻。因此，即使是某個指定的標(biāo)準(zhǔn)也無法保證提供指定的比特率或質(zhì)量。而且，如果不事先確定實施方式，一個標(biāo)準(zhǔn)就無法與其它標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正確的性能對比，甚至也無法與同一標(biāo)準(zhǔn)的其它實施方式進(jìn)行正確的性能對比。   與編碼器不同，解碼器必須實施某個標(biāo)準(zhǔn)的所有必需部分，才能對符合標(biāo)準(zhǔn)的比特流進(jìn)行解碼。這是因為標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了解壓縮算法應(yīng)如何對壓縮視頻的每個比特進(jìn)行還原。壓縮技術(shù)與電視有很大的關(guān)系，交織技術(shù)是最簡單的壓縮形式，它使帶寬以2:1的比例降低。人的視覺系統(tǒng)總要用一定時間才能識別圖像元素，如果在一定的刷新頻率下，每幀圖像的停留時間長

11、于人眼觀察所需要的時間，那么在下一幀圖像的顯示過程中，第一幅圖像仍然會殘留在人的視覺印象中。這種視覺殘留可以消除畫面的閃爍現(xiàn)象，將連續(xù)的畫面呈現(xiàn)在人們眼前。電影的幀速率為24 幀/秒，但在顯示每一幀畫面的中間有一次中斷，所以實際的刷新率是48 幀/秒。因此對電影而言畫面更新率是24 而刷新速率是48。電視則采用隔行掃描以獲得同樣的效果。電視沒有采用電影的24幀而是采用了25幀與30幀是為了和電網(wǎng)頻率同步降低對電源的要求。  用色差信號代替GBR信號是另一種壓縮形式，利用了人眼對色彩細(xì)節(jié)不敏感的特性。YUV（亦稱YCrCb）是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法（PAL）。

12、YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號的傳輸，使其向后兼容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需占用極少的帶寬（RGB要求三個獨(dú)立的視頻信號同時傳輸）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V”表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色?！傲炼取笔峭ㄟ^RGB輸入信號來創(chuàng)建的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起?！吧取眲t定義了顏色的兩個方面色調(diào)與飽和度，分別用Cr和CB來表示。其中，Cr反映了GB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而CB反映的是RGB輸入信號藍(lán)色部

13、分與RGB信號亮度值之同的差異。  PAL、NTSC、SECAM都是壓縮的形式，稱為復(fù)合視頻系統(tǒng)(CVBS?)，他們在保留了黑白電視的頻道結(jié)構(gòu)的同時增加了色彩信號。信號的細(xì)節(jié)取決于應(yīng)用的視頻標(biāo)準(zhǔn)或者“制式”-NTSC（美國全國電視標(biāo)準(zhǔn)委員會，National Television Standards Committee）、PAL（逐行倒相，Phase Alternate Line）以及SECAM（順序傳送與存儲彩色電視系統(tǒng)，法國采用的一種電視制式，SEquential Couleur Avec Memoire）。NTSC和PAL彩色視頻信號是這樣構(gòu)成的-首先有一個基本的黑白

14、視頻信號，然后在每個水平同步脈沖之后，加入一個顏色脈沖和一個亮度信號。因為彩色信號是由多種數(shù)據(jù)“疊加”起來的，故稱之為“復(fù)合視頻”。S-Video則是一種信號質(zhì)量更高的視頻接口，它取消了信號疊加的方法，可有效避免一些無謂的質(zhì)量損失。它的功能是將RGB三原色和亮度進(jìn)行分離處理。 一般說來，在幀內(nèi)以及幀與幀之間，眾多的視頻序列均包含很大的統(tǒng)計冗余度和主觀冗余度。視頻源碼的最終目標(biāo)是：通過挖掘統(tǒng)計冗余度和主觀冗余度，來降低存儲和傳送視頻信息所需的比特率；并采用嫡編碼技術(shù)，以便編制出“最小信息組”一個實用的編碼方案，是在編碼特性(具有足夠質(zhì)量的高壓縮)與實施復(fù)雜性之間的一種折衷。對于MPEG壓縮算法的

15、開發(fā)來講，涉及到這些標(biāo)準(zhǔn)的壽命周期應(yīng)考慮到現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路技術(shù)的能力，這一點(diǎn)是最重要的。根據(jù)應(yīng)用的要求，我們也許會想到視頻數(shù)據(jù)的“無損失”編碼和“有損失”編碼“無損失”編碼的目的在于：在保持原圖像質(zhì)量(即解碼后的圖像質(zhì)量等同于編碼前的圖像質(zhì)量)情況下，來減少需要存儲和傳送的圖像或視頻數(shù)據(jù)。與此相反，“有損失”編碼技術(shù)(該技術(shù)跟MPEGl和MPEG2視頻標(biāo)準(zhǔn)未來的應(yīng)用有關(guān)) 的目的是，去符合給定的存儲和傳送比特串。重要的一些應(yīng)用包括；利用限定的帶寬或很窄的帶寬，通過通信頻道采傳送視頻信息；有效地存儲視頻信息。在這些應(yīng)用中，高的視頻壓縮是以降低視頻質(zhì)量的辦法來實施的，即跟編碼以前的原始圖像相比

16、，解碼后的圖像“客觀”質(zhì)量有所降低(也就是取原始圖像和再現(xiàn)圖像之間的均方差，作為評定客觀圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn))頻道的目標(biāo)比特率越低；那么視頻所必須進(jìn)行的壓縮率就越大，通常可察覺的編碼人工產(chǎn)物也越多。有損失編碼技術(shù)的最終目的是：在指定的目標(biāo)比特串條件下，獲取最佳的圖像標(biāo)準(zhǔn)。這里應(yīng)服從“客觀”或“主觀”上的最佳標(biāo)準(zhǔn)。這里應(yīng)該指出，圖像的降級程度(指客觀降低以及可察覺到的人工產(chǎn)物的數(shù)量)取決于壓縮技術(shù)的復(fù)雜性對于結(jié)構(gòu)簡單的畫面和視頻活動少的圖像來講，就是采用簡單的壓縮技術(shù)，也許能獲得根本不帶可察覺人工產(chǎn)物的良好的再現(xiàn)圖像。目前監(jiān)控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264

17、/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。對于最終用戶來言他最為關(guān)心的主要有：清晰度、存儲量（帶寬）、穩(wěn)定性還有價格。采用不同的壓縮技術(shù)，將很大程度影響以上幾大要素。 MJPEGMJPEG（Motion JPEG）壓縮技術(shù)，主要是基于靜態(tài)視頻壓縮發(fā)展起來的技術(shù)，它的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對某一幀進(jìn)行壓縮。 MJPEG壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像，可以動態(tài)調(diào)整幀率、分辨率。但由于沒有考慮到幀間變化，造成大量冗余信息被重復(fù)存儲，因此單幀視頻的占用空間較大，目前流行的MJPEG技術(shù)最好的也只能做到3K字節(jié)/幀，通常要820K！ MPEG-1/2MPEG-1(19881992)

18、，可以提供最高達(dá)1.5Mbps的數(shù)字視頻，只支持逐行掃描。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)主要針對SIF標(biāo)準(zhǔn)分辨率(NTSC制為352X240；PAL制為352X288)的圖像進(jìn)行壓縮. 壓縮位率主要目標(biāo)為1.5Mb/s.較MJPEG技術(shù)，MPEG1在實時壓縮、每幀數(shù)據(jù)量、處理速度上有顯著的提高。但MPEG1也有較多不利地方：存儲容量還是過大、清晰度不夠高和網(wǎng)絡(luò)傳輸困難。 MPEG-2(19901994)，支持的帶寬范圍從2Mbps到超過20Mbps，MPEG-2后向兼容MPEG-1，但增加了對隔行掃描的支持，并有更大的伸縮性和靈活性；MPEG-2 在MPEG-1基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充和提升，和MPEG-1向下兼容

19、，主要針對存儲媒體、數(shù)字電視、高清晰等應(yīng)用領(lǐng)域，分辨率為：低(352x288)，中(720x480)，次高(1440x1080)，高(1920x1080)。MPEG-2視頻相對MPEG-1提升了分辨率，滿足了用戶高清晰的要求，但由于壓縮性能沒有多少提高，使得存儲容量還是太大，也不適和網(wǎng)絡(luò)傳輸。 MPEG-4MPEG-4(19941998)，支持逐行掃描和隔行掃描，是基于視頻對象的編碼標(biāo)準(zhǔn)，通過對象識別提供了空間的可伸縮性；MPEG-4視頻壓縮算法相對于MPEG-1/2在低比特率壓縮上有著顯著提高，在CIF（352*288）或者更高清晰度（768*576）情況下的視頻壓縮，無論從清晰度還是從存儲

20、量上都比MPEG1具有更大的優(yōu)勢，也更適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。另外MPEG-4可以方便地動態(tài)調(diào)整幀率、比特率，以降低存儲量。 MPEG-4由于系統(tǒng)設(shè)計過于復(fù)雜，使得MPEG-4難以完全實現(xiàn)并且兼容，很難在視頻會議、可視電話等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)，這一點(diǎn)有點(diǎn)偏離原來地初衷。另外對于中國企業(yè)來說還要面臨高昂的專利費(fèi)問題，目前規(guī)定： 每臺解碼設(shè)備需要交給MPEG-LA 0.25美元。 編碼/解碼設(shè)備還需要按時間交費(fèi)（4美分/天=1.2美元/月 =14.4美元/年）。 H.264/AVC視頻壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)主要有由ITU-T制定的H.261、H.262、H.263、H.264和由MPEG制定的MPEG-1、MPEG-2、MPE

21、G-4，其中H.262/MPEG-2和H.264/MPEG-4 AVC由ITU-T與MPEG聯(lián)合制定。 從簡單來說H.264就是一種視頻編碼技術(shù)，與微軟的WMV9都屬于同一種技術(shù)也就是壓縮動態(tài)圖像數(shù)據(jù)的“編解碼器”程序。 一般來說，如果動態(tài)圖像數(shù)據(jù)未經(jīng)壓縮就使用的話，數(shù)據(jù)量非常大，容易造成通信線路故障及數(shù)據(jù)存儲容量緊張。因此，在發(fā)送動態(tài)圖像時、或者把影像內(nèi)容保存在DVD上時、以及使用存儲介質(zhì)容量較小的數(shù)碼相機(jī)或相機(jī)手機(jī)拍攝映像時，就必須使用編解碼器。雖然編解碼器有許多種類，但DVD-Video與微波數(shù)字電視等使用的主要是MPEG2，數(shù)碼相機(jī)等攝像時主要使用MPEG4。 既然作為壓縮視頻編碼技術(shù)

22、，H.264最大的作用對視頻的壓縮了。我們熟悉的MPEG2也就是最常用的DVD視頻編碼技術(shù)已經(jīng)比較落后。 對于最希望看到的HDTV的節(jié)目如果播放時間在2小時左右的話，使用MPEG2最小只能壓縮至30GB，而使用H.264、WMV9這樣的高壓縮率編解碼器，在畫質(zhì)絲毫不降的前提下可壓縮到15GB以下。 上面的例子可以看出H.264的技術(shù)優(yōu)勢了，一般來說H.264的數(shù)據(jù)壓縮率在MPEG2的2倍以上、MPEG4的1.5倍以上。從理論上來說，在相同畫質(zhì)、相同容量的情況下，可比目前的DVD光盤多保存2倍以上時間的影像。有望作為電影與音樂會等映像內(nèi)容與便攜設(shè)備的編解碼器廣泛使用。預(yù)計支持該技術(shù)的產(chǎn)品與服務(wù)將于2004