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广播电视常用的几种数字视频编码技术(2)

2009-05-22   《中国有线电视》 / 曹晓东 点击: 标签:数字视频 广播电视 编码技术
  

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?贕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?K?裕琈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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