1、淺議電視信號的數(shù)字化與碼率壓縮當(dāng)今社會，技術(shù)的開展進(jìn)步與設(shè)備的更新?lián)Q代確實(shí)讓人感到“不是我不明白，這世界變化快隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息處理、通信以及激光等技術(shù)的迅猛開展，集圖文、聲音、圖像于一體的多媒體技術(shù)更是迅速浸透到計(jì)算機(jī)、通信、播送電視以及消費(fèi)娛樂業(yè)。從事播送電視事業(yè)的各單位，其設(shè)備從前期到后期，無不越來越多地的采用數(shù)字設(shè)備，可以這么說：電視系統(tǒng)的數(shù)字化是大勢所趨其原因在于，相對于模擬電視而言，數(shù)字電視具有如下優(yōu)點(diǎn)：信號經(jīng)過屢次轉(zhuǎn)接切換和遠(yuǎn)間隔 傳輸時(shí)，不會有干擾和失真的積累，抗干擾性能強(qiáng)，圖像質(zhì)量好；數(shù)字電視系統(tǒng)主要由數(shù)字集成電路組成，系統(tǒng)的性能和可靠性可望大幅度進(jìn)步；它可以實(shí)現(xiàn)模擬電

2、視不易高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的功能。譬如：時(shí)軸處理、制式轉(zhuǎn)換、特技等功能；它也易于實(shí)現(xiàn)電視信號的實(shí)時(shí)處理，以完成圖像質(zhì)量的改善、壓縮頻帶、二維濾波等功能；在傳輸中，它易于將圖像信號和伴音信號時(shí)分復(fù)用，充分利用數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性。電視設(shè)備數(shù)字化的一個(gè)宏大推動力得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，新型PU的運(yùn)算速度與功能正在迅速增長，使得普通微機(jī)已具有工作站的才能，專用圖像處理和聲音處理芯片使得本來復(fù)雜的圖像處理和聲音處理可以借助微機(jī)的視卡和聲卡輕易完成；加上碼率壓縮技術(shù)的進(jìn)步和完善，在多個(gè)較大的計(jì)算機(jī)硬盤上存放較長時(shí)間的具有播出質(zhì)量的圖像已不成問題，由此而產(chǎn)生的集編輯、切換、數(shù)字特技和動畫于一身的非線性編輯系統(tǒng)、視頻

3、工作站、桌上演播室系統(tǒng)已經(jīng)成為電視設(shè)備開展的另一個(gè)方向。電視系統(tǒng)數(shù)字化的另一個(gè)動力是來自觀眾的需要，人們已不再滿足于普通電視的畫面質(zhì)量程度，渴望看到更好更明晰的高明晰度電視，數(shù)字高明晰度電視便成為一種理所當(dāng)然的選擇。要實(shí)現(xiàn)電視系統(tǒng)的全面數(shù)字化，首先要理解：電視信號數(shù)字化的含義模擬電視系統(tǒng)，在電視信號的產(chǎn)生、處理、記錄、傳送和接收的過程中，使用的都是模擬信號，即在時(shí)間上和幅度上連續(xù)的信號；而數(shù)字信號，那么是在時(shí)間和幅度上都經(jīng)過離散化的信號；將模擬信號變換成數(shù)字信號稱為模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換，最根本的方法是所謂脈沖編碼調(diào)制P法，運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)電視信號的數(shù)字化需要三個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一

4、定時(shí)間的信號樣值序列來代替原來在時(shí)間上連續(xù)的信號，也就是在時(shí)間上將模擬信號離散，其理論根底是奈奎斯特抽樣定理。量化是用有限個(gè)幅度近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的幅度離散化。編碼那么是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號流。收端經(jīng)過譯碼和濾波將數(shù)字信號復(fù)原成為模擬信號，稱為數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換，鑒于這個(gè)過程是最根本的數(shù)字信號處理過程，一般人都比擬清楚，在此不再贅述。但是，我們需要理解一下：彩色電視信號的編碼標(biāo)準(zhǔn)IR601號建議大家經(jīng)常提到IR601號建議，這個(gè)文件是向著數(shù)字電視播送系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化邁出的第一步，在該建議中，規(guī)定了625和525行系統(tǒng)電視中心

5、演播室數(shù)字編碼的根本參數(shù)值。601號建議單獨(dú)規(guī)定了電視演播室的編碼標(biāo)準(zhǔn)，它對彩色電視信號的編碼方式，取樣頻率，取樣構(gòu)造都作了明確的規(guī)定。下面，對IR601號建議作幾點(diǎn)簡要說明：它規(guī)定彩色電視信號采用分量編碼；所謂分量編碼就是彩色全電視信號在轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式之前，先被別離成亮度信號和色差信號，然后對它們分別進(jìn)展編碼，分量信號Y，B-Y，R-Y，或R，G，B被分別編碼后，再合成數(shù)字信號。它規(guī)定了取樣頻率與取樣構(gòu)造,例如：在4:2:2等級的編碼中，規(guī)定亮度信號和色差信號的取樣頻率分別為13.5hz和6.75hz，取樣構(gòu)造為正交構(gòu)造,即按行、嘗幀重復(fù),每行中的R-Y和B-Y取樣與奇次1,3,5,Y的取樣

6、同位置，即取樣構(gòu)造是固定的，取樣點(diǎn)在電視屏幕上的相對位置不變。它規(guī)定了編碼方式，對亮度信號和兩個(gè)色差信號進(jìn)展線性P編碼，每個(gè)取樣點(diǎn)取8比特量化；同時(shí)，規(guī)定在數(shù)字編碼時(shí)，不使用A/D轉(zhuǎn)換的整個(gè)動態(tài)范圍，只給亮度信號分配220個(gè)量化級，黑電平對應(yīng)于量化級16，白電平對應(yīng)于量化級235；為每個(gè)色差信號分配224個(gè)量化級，色差信息的零電平對應(yīng)于量化級128。綜上所述，我們知道，分量信號的編碼數(shù)據(jù)流是很高的。以4:2:2編碼標(biāo)準(zhǔn)為例，其比特流為：13.5*8+6.75*8*2=216兆比特/秒。假設(shè)對復(fù)合信號直接編碼，其抽樣頻率取為13.3hz，那么P編碼的碼率為：13.3*8=106.4兆比特/秒。如

7、今盡管有了多種可以記錄與重放未經(jīng)壓縮的全數(shù)字電視信號的錄像機(jī)；使得演播室內(nèi)進(jìn)展高質(zhì)量的記錄與復(fù)原成為現(xiàn)實(shí)。但從上式中可以看出，即使以數(shù)字復(fù)合信號的帶寬而言在理想情況下，其帶寬為53.2hz，也比傳送一路模擬電視信號所要求的帶寬進(jìn)步了接近一個(gè)數(shù)量級，顯然用目前的電視頻道傳送他們是不可能的，更不用說用普通計(jì)算機(jī)硬盤去儲存這些信號大概只能存幾十秒鐘，因此，數(shù)字電視的中心問題是要成倍地降低數(shù)字信號碼元的傳送速率即壓縮碼率，消除電視信號中的多余信息冗余量和采用高效編碼方法；也就是本文所要重點(diǎn)討論的：碼率壓縮技術(shù)早在七十年代，科學(xué)家們就曾為衛(wèi)星遙感圖像的傳輸，存儲和處理絞盡腦汁，經(jīng)過一段時(shí)間的探究，人們發(fā)

8、現(xiàn)，電視信號存在著很大的冗余度，即電視圖像的像元之間存在著很大的相關(guān)性，除了空間軸上的冗余度之外即各像素之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，在時(shí)間軸上也有冗余度電視信號前一場信號與其后假設(shè)干場信號中大局部像素沒有發(fā)生變化，尤其是靜止畫面，或者是運(yùn)動不太劇烈的畫面。那么，根據(jù)像元之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，對數(shù)據(jù)進(jìn)展某種運(yùn)算變換，使變換后圖像比特?cái)?shù)少于原始圖像的比特?cái)?shù)，也就是將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)展壓縮的方法稱為碼率壓縮技術(shù)。常見有如下方法：降低抽樣頻率的壓縮碼率技術(shù)。降低抽樣頻率可以壓縮碼率這是非常自然的，但是，奈氏定理指出，當(dāng)抽樣頻率Fs2F時(shí)，頻譜發(fā)生重迭，那么采用低通濾波器無法無失真地恢復(fù)原信號；不過，電視圖像信號的能量主要

9、集中在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內(nèi)，中間存在很大的空隙，因此，假設(shè)把抽樣頻率Fs選為半行頻的奇數(shù)倍，就可使Fs2F時(shí)出現(xiàn)的頻譜混迭局部形成半行頻交織?？梢圆捎镁哂邢鄳?yīng)頻率特性的梳狀濾波器將其選出，以較小的失真恢復(fù)原始信號，稱之為亞奈奎斯特抽樣技術(shù)。差值脈沖編碼DP差值脈碼調(diào)制，可以消除電視信號的統(tǒng)計(jì)性冗余度，因此大大地壓縮了碼率。DP又稱為預(yù)測量化系統(tǒng)，它所傳輸?shù)牟皇切盘柋旧?，而是?shí)際信號與其預(yù)測量之間的差值預(yù)測誤差。預(yù)測值是借助已經(jīng)傳送的，與待傳抽樣相鄰的假設(shè)干抽樣值估計(jì)預(yù)測出來的。由于電視信號的強(qiáng)相關(guān)性，鄰近抽樣的取值一般很接近，因此預(yù)測能有較高的準(zhǔn)確性。從統(tǒng)計(jì)上講，需要傳輸?shù)?/p>

10、預(yù)測誤差主要集中在零附近的一個(gè)小范圍之內(nèi)，比信號本身小很多，只有在圖象輪廊和邊緣處才出現(xiàn)較大的預(yù)測誤差，但這只是少量的，且人眼很不易發(fā)覺這種誤差。因此，預(yù)測誤差量化所需要的量化級較少，從而碼率得到壓縮。線性變換編碼：線性變換編碼不直接對圖像數(shù)據(jù)編碼，而是首先將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)展某種線性變換，得到一組變換系數(shù)，然后對這些系數(shù)實(shí)現(xiàn)量化、編碼、傳輸。在接收端，對收到的變換系數(shù)進(jìn)展相應(yīng)的逆變換，再恢復(fù)成圖像信號。這樣做的理由是對變換系數(shù)進(jìn)展壓縮編碼，往往比直接對圖像數(shù)據(jù)本身進(jìn)展壓縮更容易獲得高的效率。以大家熟悉的付立葉變換為例，它是以通常在歐氏空間描寫的圖像信號變換到頻率空間頻域去描寫，付氏變換的物理意義是

11、頻譜展開，對一幅圖像進(jìn)展二維付立葉變換就是在縱和橫的兩個(gè)方向進(jìn)展二維頻譜展開，由于信號與其頻譜之間有一一對應(yīng)關(guān)系，因此，傳輸頻譜在接收端同樣可以恢復(fù)信號，而傳送頻譜往往比傳送信號本身簡單。由于電視信號的能量主要集中在低頻局部，能量密度隨頻率升高而迅速下降，加之考慮到人眼對圖像中的高頻細(xì)節(jié)不甚敏感的特點(diǎn)，因此，在頻率域編碼時(shí)，可以用較多的碼位對幅度大的低頻分量進(jìn)展量化，而用較少的碼對幅度小的高頻分量進(jìn)展量化，對于頻率特別高的分量甚至于可以舍棄不傳，從而就整體而言，碼率可以明顯下降。從理論上講，線性變換編碼，可以壓縮碼率的原因在于圖像信號存在很強(qiáng)的相關(guān)性，這種強(qiáng)相關(guān)性在頻率域的反映是功率大局部集中

12、在低頻段，從而有可能利用頻率域?yàn)V波的方式獲得大的壓縮比。線性變換除了付立葉變換外，還有沃爾什哈達(dá)瑪變換、斜變換、離散余弦變換DT、卡洛K-L變換等等，其中DT因其壓縮效果較好而受到廣泛應(yīng)用。據(jù)此，下面重點(diǎn)討論一下：關(guān)于離散余弦變換DT離散余弦變換DTDisretesineTransfr是數(shù)碼率壓縮需要常用的一個(gè)變換編碼方法。任何連續(xù)的實(shí)對稱函數(shù)的付立葉變換中只含余弦項(xiàng)，因此余弦變換與付立葉變換一樣有明確的物理意義。DT是先將整體圖像分成N*N像素塊，然后對N*N像素塊逐一進(jìn)展DT變換。由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，相應(yīng)于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗

13、的量化。因此，傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數(shù)碼率。到達(dá)接收端后通過反離散余弦變換回到樣值，雖然會有一定的失真，但人眼是可以承受的。二維正反離散余弦變換的算式：其中N是像塊的程度、垂直像素?cái)?shù)，一般取N=8。N大于8時(shí)效率增加不多而復(fù)雜性大為增加。8*8的二維數(shù)據(jù)塊經(jīng)DT后變成8*8個(gè)變換系數(shù)，這些系數(shù)都有明確的物理意義。譬如當(dāng)U=0，V=0時(shí)F(0，0)是原64個(gè)樣值的平均，相當(dāng)于直流分量，隨著U，V值增加，相應(yīng)系數(shù)分別代表逐步增加的程度空間頻率和垂直空間頻率分量的大校當(dāng)我們先只考慮程度方向上一行數(shù)據(jù)8個(gè)像素的情況時(shí)，如圖1所示：可見圖像信號被分解成為直流成分；以及從低頻到高

14、頻的各種余弦成分；而DT系數(shù)只是表示了該種成分所占原圖像信號的份額大??；顯然，恢復(fù)圖像信息可以表示為這樣一個(gè)矩陣形式：F(n)=(n)*E(n)式中E(n)是一個(gè)基底，(n)是DT系數(shù)，F(xiàn)(n)那么是圖像信號。假如再考慮垂直方向上的變化，那么，就需要一個(gè)二維的基底，即該基底不僅要反映程度方向頻率的變化；而且要反映垂直空間頻率的變化；對應(yīng)于8*8的像素塊；其空間基底如圖2所示：它是由64個(gè)像素值所組成的圖像，通常也稱之為根本圖像。把它們稱為根本圖像是因?yàn)樵陔x散余弦變換的反變換式中，任何像塊都可以表示成64個(gè)系數(shù)的不同大小的組合。既然根本圖像相當(dāng)于變換域中的單一的系數(shù)，那么任何像元也可以看成由64

15、個(gè)不同幅度的根本圖像的組合。這與任何信號可以分解成基波和不同幅度的諧波的組合具有一樣的物理意義。圖2給出了一個(gè)對8*8像塊進(jìn)展DT變換的詳細(xì)例子:在如圖3所示的實(shí)例中，可以看出：經(jīng)過一次DT變換計(jì)算后，64個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)，本身碼率并沒有壓縮；但是，經(jīng)DT變換后，比特?cái)?shù)卻增加了。原樣值是8比特，數(shù)據(jù)從0255；得到的F10即直流分量的最大值是原來256的64/8份，即02047，交流分量的范圍是-10241023；但經(jīng)過第2個(gè)步驟，即量化之后圖中:4，大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)?，一般說來，人眼對低頻分量比擬敏感，對高頻分量那么不太敏感；因此量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼

16、率。再通過“之字型Zig-Zag方式讀出數(shù)據(jù)，這樣讀出也可以減少碼率。因?yàn)榻?jīng)DT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此“之字型讀出實(shí)際上是按二維頻率的上下順序讀出系數(shù)的。這樣就便于采用游程長度編碼RunLengthEnding)，所謂游程長度編碼是指一個(gè)碼可以同時(shí)表示碼的值和前面有幾個(gè)零。這樣就發(fā)揮了“之字型讀出的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椤爸中妥x出，出現(xiàn)連零的時(shí)機(jī)比擬多，特別到最后，假如都是零，在讀到最后一個(gè)數(shù)后，只要給出“塊完畢EB碼，就可以完畢輸出，因此節(jié)省了很多碼率。關(guān)于JPEG與PEGJPEG是JINTPHTGRAPHIEXPERTSGRUP的縮寫，主要用于計(jì)算機(jī)靜止圖像的壓縮，在用

17、于活動圖像時(shí)，其算法僅限于幀內(nèi)，便于編輯。它主要使用了兩類算法：一類是DT，用來得到不同質(zhì)量的圖像；另一類算法是差值脈沖編碼的方法，作為一種無損或近似無損的壓縮方法。JPEG還定義了兩種工作形式。一種是順序方式sequential。順序方式中，第一段或第一行數(shù)據(jù)先編碼，然后第二行，直到圖像完畢。每一段數(shù)據(jù)都全部編碼，解碼時(shí)按編碼的順序進(jìn)展。另一種形式是逐步方式prgressive，整幅圖像先按低圖像質(zhì)量的程度編碼，然后對同一圖像再進(jìn)展編碼直到最正確質(zhì)量。每次編碼只傳送進(jìn)步質(zhì)量的信息直到最正確狀態(tài)。解碼器先解出傳送的根本的低質(zhì)量圖像。然后按一樣的順序逐步加上修正信息。JPEG定義了一個(gè)根本系統(tǒng)b

18、aselinesyste，使用約定格式的DT算法，用于所有使用DT壓縮算法的JPEG系統(tǒng)，該根本系統(tǒng)能按幾種方法進(jìn)展擴(kuò)展。擴(kuò)展系統(tǒng)可以使用逐步方式、高精度12比特/樣值以及其它編碼方法。另外一種無損壓縮方法使用差值脈沖編碼方法那么不建立在上述根本的DT系統(tǒng)中。使用哪一種壓縮方法依賴于要壓縮的圖像。對于在測試算法時(shí)所用的自然彩色圖像4:2:2IR601Y，U，V的圖像，每個(gè)像素16比特，得到可識別圖像的質(zhì)量只需要每像素0.15比特，可用的圖像需每像素0.25比特；每像素0.75比特時(shí)圖像質(zhì)量已相當(dāng)好，在每像素1.5比特左右與原圖像根本沒有什么差異。由于JPEG沒有利用時(shí)間方向上的冗余，因此JPEG在幀內(nèi)編碼方式上提供了多種多樣的方法和選擇。目前，大局部非線性編輯系統(tǒng)，都使用了JPEG方式，因?yàn)槠涫菐瑑?nèi)壓縮方式可以逐幀編輯。如今接觸過圖像技術(shù)的人恐怕很少有不知道PEG的，PEG是運(yùn)動圖像專家組的縮寫VINGPITURESEXPERTGRP成立于1988年以建立活動圖像及相應(yīng)音頻的編碼標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上PEG是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列，有PEG-1，PEG-2和PEG-4。PEG-1是低精度圖像形式，如352*288(PAL)25幀，適用于低比特率的應(yīng)用。假如是D-R那么輸出碼率為1.5bps左右時(shí)編碼效率較高。PEG-2的主級和主類提供720*576,25幀的IR601建議圖像質(zhì)量。在壓縮率為30:1