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、計算機、廣播電視等領(lǐng)域, 帶來了會議電視、可視電話及數(shù)字電視、媒體存儲等一系列應(yīng)用。數(shù)字信號有很多優(yōu)點, 但當模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬, 一路6MH z的普通電視信號數(shù)字化后, 其數(shù)碼率將高達167 Mbps, 對儲存器容量要求很大, 占有的帶寬將達80MH z左右, 這樣將使數(shù)字信號失去實用價值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難, 壓縮后信號所占用的頻帶大大低于原模擬信號的頻帶, 因此說數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使數(shù)字信號走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)。下面就長治微波站在數(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

　　模擬信號通過取樣、量化后編碼為二進制數(shù)字信號的過程稱為A /D 變換, 所得到的信號也稱PCM 信號, PCM 編碼既可以對彩色全電視信號直接進行, 也可以對亮度信號和兩個色差信號分別進行, 前者稱為全電視信號編碼, 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, 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)計編碼, 如霍夫曼編碼和游程編碼等; ( 2)預(yù)測編碼, 如差值編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測和運動補償預(yù)測等; ( 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)基于可視對象的編碼; ( 6)可分級編碼。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進行MPEG - 2壓縮編碼輸出實時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議電視、遠程教育等各種應(yīng)用, 一臺高級的編碼器不僅具有DVB接口, 還應(yīng)當設(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)性和時間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個場景都是由若干像素點構(gòu)成的, 因此一個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; 一個節(jié)目中的一個情節(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)信息進行傳輸, 就可以大大節(jié)省傳輸頻帶,而接收機利用這些非相關(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, 而沒有利用時間相關(guān)性。I幀主要用于接收機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, 即同時利用空間和時間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時間預(yù)測, 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幀中的每一個宏塊可以是前向預(yù)測, 也可以是幀內(nèi)編碼。B 幀圖像采用雙向時間預(yù)測, 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標準的主要應(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)是解決圖像信號的傳輸問題。圖像信號的數(shù)據(jù)量大, 如不進行壓縮, 數(shù)字電視信號就無法實時傳送, 而壓縮的主要方式就是除去冗余信號。所謂冗余信號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)十萬個像素組成,相鄰兩個甚至幾個像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性), 在傳送時會出現(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) 時間冗余。電視圖像也有很強的時間相關(guān)性, 對于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時, 其圖像的相關(guān)性才逐步減小, 而且這種相關(guān)性很強的圖像變化時一般都是有規(guī)律的, 也就是說每一幅圖像的變化是可預(yù)測的。利用圖像的時間冗余特性,把圖像信號在時間上的冗余信息去掉, 也可以減小傳輸和記錄碼率。

　　( 3) 統(tǒng)計冗余。圖像和聲音信號數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律, 如在圖像預(yù)測編碼系統(tǒng)下, 當前像素信號的預(yù)測值是由前幾個相鄰像素值或該像素在前一段上的時間值預(yù)測出來的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性可知預(yù)測誤差小的信號出現(xiàn)的概率大, 相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計編碼的方法, 對出現(xiàn)概率大的小誤差信號值用短碼, 而對出現(xiàn)概率小的大誤差信號值用長碼, 這樣就去掉了信號在統(tǒng)計上的冗余信息。

　　( 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不到的視音頻信號, 對這些無關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理, 人們并不會明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低, 甚至毫無覺察。因此在編碼時可以分長碼和短碼來對不同的內(nèi)容進行編碼, 這叫作有所為和有所不為, 從而達到減小碼率的目的。

　　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送入多路復(fù)用器中與數(shù)字音頻信號進行多路復(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, 電視信號數(shù)據(jù)經(jīng)過打包后, 使其具備可擴展性、分級性、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, 實現(xiàn)信源碼率與信道容量的匹配, 解決了傳輸?shù)目赡苄浴６?strong>數(shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過糾錯編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、均衡等技術(shù)提高信號的抗干擾能力, 保證傳輸信號的可靠性。信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元, 從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的。因此它與信源編碼是矛盾的一對, 系統(tǒng)設(shè)計者必須考慮在有限的寬帶中盡量提高有效性和可靠性。