數(shù)字電視信源編解碼技術(shù)及應(yīng)用

  數(shù)字視頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、廣播電視等領(lǐng)域, 帶來了會(huì)議電視、可視電話及數(shù)字電視、媒體存儲(chǔ)等一系列應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn), 但當(dāng)模擬信號(hào)數(shù)字化后其頻帶大大加寬, 一路6MH z的普通電視信號(hào)數(shù)字化后, 其數(shù)碼率將高達(dá)167 Mbps, 對(duì)儲(chǔ)存器容量要求很大, 占有的帶寬將達(dá)80MH z左右, 這樣將使數(shù)字信號(hào)失去實(shí)用價(jià)值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難, 壓縮后信號(hào)所占用的頻帶大大低于原模擬信號(hào)的頻帶, 因此說數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使數(shù)字信號(hào)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)。下面就長(zhǎng)治微波站在數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)改造后, 探討EN2200- M型編碼器及數(shù)字電視信源編解碼技術(shù)和應(yīng)用。

　　1 數(shù)字電視的編碼概述

　　模擬信號(hào)通過取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的過程稱為A /D 變換, 所得到的信號(hào)也稱PCM 信號(hào), PCM 編碼既可以對(duì)彩色全電視信號(hào)直接進(jìn)行, 也可以對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行, 前者稱為全電視信號(hào)編碼, 后者稱為分量編碼, 這是最基本的編碼形式。數(shù)字壓縮編碼技術(shù)可分為無損壓縮和有損壓縮兩大類, 無損壓縮即壓縮后可恢復(fù)原來的信號(hào), 有損壓縮在解壓后無法恢復(fù)原樣, 有一定的失真, 但失真在某一限度以下時(shí)人是感覺不到的。目前采用的壓縮編碼方法有以下幾種: ( 1)統(tǒng)計(jì)編碼, 如霍夫曼編碼和游程編碼等; ( 2)預(yù)測(cè)編碼, 如差值編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)等; ( 3)變換編碼, 如DCT 變換、小波變換; ( 4)量化技術(shù), 如均勻量化、非均勻量化和自適應(yīng)量化技術(shù); ( 5)基于可視對(duì)象的編碼; ( 6)可分級(jí)編碼。前4種編碼技術(shù)主要用于MPEG - 2, DVB 數(shù)字電視系統(tǒng)規(guī)定采用MPEG - 2的壓縮編碼方法, 它是基于存儲(chǔ)器的以幀為單位的壓縮方法, 后兩種方法主要用于MPEG - 4, MPEG - 4 在數(shù)字電視系統(tǒng)中主要用于流媒體方式的數(shù)字電視。

　　2 數(shù)字電視編碼器的結(jié)構(gòu)

　　MPEG - 2 壓縮編碼器是將模擬電視視音頻信號(hào)進(jìn)行MPEG - 2壓縮編碼輸出實(shí)時(shí)TS流的前端設(shè)備,適用于數(shù)字電視的傳輸或前端信源編碼以及會(huì)議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用, 一臺(tái)高級(jí)的編碼器不僅具有DVB接口, 還應(yīng)當(dāng)設(shè)有電信接口, 以使該設(shè)備能方便地在HFC 網(wǎng)絡(luò)、微波MMDS 或8GHZ 系統(tǒng)、SDH 或PDH 等網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用, 如圖1所示。

圖1 編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。

　　3 MPEG- 2視頻編碼系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

　　MPEG - 2 圖像壓縮的原理是利用圖像中的兩種特性: 空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場(chǎng)景都是由若干像素點(diǎn)構(gòu)成的, 因此一個(gè)像素通常與它周圍的某些像素在亮度和色度上存在一定的關(guān)系, 這種關(guān)系叫作空間相關(guān)性; 一個(gè)節(jié)目中的一個(gè)情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成, 一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關(guān)系, 這種關(guān)系叫作時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息, 如果我們能將這些冗余信息去除, 只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸, 就可以大大節(jié)省傳輸頻帶,而接收機(jī)利用這些非相關(guān)信息, 按照一定的解碼算法,就可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像, 一個(gè)好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。

　　MPEG - 2 中的編碼圖像分為3 類, 分別稱為I幀、P幀和B幀。

　　I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式, 即只利用單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性, 而沒有利用時(shí)間相關(guān)性。I幀主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取以及節(jié)目的切換和插入, I幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低, I幀圖像周期性出現(xiàn)在圖像序列中, 出現(xiàn)頻率可由編碼器選擇。

　　P幀和B 幀圖像采用幀間編碼方式, 即同時(shí)利用空間和時(shí)間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分, 即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測(cè), 也可以是幀內(nèi)編碼。B 幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以大大提高壓縮倍數(shù)。值得注意的是, 由于B 幀圖像采用了未來幀作為參考, 因此MPEG- 2編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。

　　MPEG - 2的編碼碼流分為6個(gè)層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù), MPEG- 2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu), 它分為6層, 自上到下分別是: 圖像序列層、圖像組( GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG - 2標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用如下:  視音頻資料的保存;  非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網(wǎng)絡(luò);  微波、衛(wèi)星、光纜傳輸; 電視節(jié)目的播出。

　　4 數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù)

　　在全數(shù)字電視技術(shù)中, 有兩個(gè)很關(guān)鍵的編碼技術(shù)即信源編碼和信道編碼, 它們就是采用MPEG - 2 技術(shù), 信源編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的壓縮和保存問題, 信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的傳輸問題。圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量大, 如不進(jìn)行壓縮, 數(shù)字電視信號(hào)就無法實(shí)時(shí)傳送, 而壓縮的主要方式就是除去冗余信號(hào)。所謂冗余信號(hào)是指那些與信息無關(guān)的或?qū)D像質(zhì)量影響不大的多余部分, 這就是MPEG - 2 圖像壓縮的原理。

　　( 1) 空間冗余。一幅圖像由數(shù)十萬個(gè)像素組成,相鄰兩個(gè)甚至幾個(gè)像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性), 在傳送時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況, 稱之為空間冗余, 利用某種編碼方法(如正交變換編碼) , 去掉空間上的冗余信息, 減少傳輸和記錄碼率。

　　( 2) 時(shí)間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性, 對(duì)于25幀/ s的圖像來說, 通常情況下前一幀圖像和后一幀圖像的差別很小, 大部分畫面內(nèi)容相同, 這表明相鄰兩幅圖像的相關(guān)性非常大, 而圖像之間相隔較遠(yuǎn)時(shí), 其圖像的相關(guān)性才逐步減小, 而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時(shí)一般都是有規(guī)律的, 也就是說每一幅圖像的變化是可預(yù)測(cè)的。利用圖像的時(shí)間冗余特性,把圖像信號(hào)在時(shí)間上的冗余信息去掉, 也可以減小傳輸和記錄碼率。

　　( 3) 統(tǒng)計(jì)冗余。圖像和聲音信號(hào)數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 如在圖像預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)下, 當(dāng)前像素信號(hào)的預(yù)測(cè)值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測(cè)出來的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測(cè)誤差小的信號(hào)出現(xiàn)的概率大, 相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計(jì)編碼的方法, 對(duì)出現(xiàn)概率大的小誤差信號(hào)值用短碼, 而對(duì)出現(xiàn)概率小的大誤差信號(hào)值用長(zhǎng)碼, 這樣就去掉了信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。

　　( 4) 知覺冗余。人的視聽器官都具有某些不敏感性。知覺冗余是指處于人們視覺和聽覺分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號(hào), 對(duì)這些無關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理, 人們并不會(huì)明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低, 甚至毫無覺察。因此在編碼時(shí)可以分長(zhǎng)碼和短碼來對(duì)不同的內(nèi)容進(jìn)行編碼, 這叫作有所為和有所不為, 從而達(dá)到減小碼率的目的。

　　5 數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)

　　經(jīng)過信源編碼后的圖像信號(hào)送入多路復(fù)用器中與數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用, 然后送入信道編碼器。

　　模擬電視系統(tǒng)不存在復(fù)用器, 視音頻信號(hào)分別傳送, 但在數(shù)字電視中, 則是將視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來的數(shù)據(jù)比特流, 經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流,送給信道編碼及調(diào)制。接收端與此過程正好相反, 電視信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過打包后, 使其具備可擴(kuò)展性、分級(jí)性、交互性。

　　6 數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)

　　信源編碼是經(jīng)過壓縮消去數(shù)據(jù)冗余, 實(shí)現(xiàn)信源碼率與信道容量的匹配, 解決了傳輸?shù)目赡苄?。?strong>數(shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過糾錯(cuò)編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、均衡等技術(shù)提高信號(hào)的抗干擾能力, 保證傳輸信號(hào)的可靠性。信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元, 從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的。因此它與信源編碼是矛盾的一對(duì), 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮在有限的寬帶中盡量提高有效性和可靠性。