广播电视常用数字视频编码技术

曹晓东

　　当前，电视设备正逐步从模拟向数字过渡，SONY、松下、JVC等公司纷纷推出了最新的数字摄、录、编设备。在当今电视技术领域，数字记录和编辑已得到广泛的运用。

　　数字视频的记录格式有非压缩和压缩两大类。非压缩记录格式的D1、D2、D3、D5等系列，它是以原有信号码率直接记录输入信号，保持了信号的原有水平，为无损记录。记录方式又分数字分量（D1、D5）和数字复合（D2、D3），它们代表了视频设备最高标准，图像质量最高，信号损失最小，但同时由于图像信号数据量很大，对机器硬件的要求极其苛刻，而价格非常昂贵，虽然产品已问世数年，但仅有少数对画质要求极高的视频制作公司使用。而压缩格式是指采用数字压缩技术的视频，常见的有DV，MPEG-2，M-JPEG等，并制定各种数据压缩标准，于是出现了相应的数字Betacam(DVW)，DV，DVCPRO，DIGITAL-S，DVCAM，Betacam-SX等规格的数字录像机，它们将图像信号压缩再记录在磁带上，其目的是在保证图像质量的前提下，减小图像信号的数据量，减小设备体积，减少磁带用量，以最小的信号损失达到尽可能好的效果，从而降低设备成本。

1数字视频技术的国际标准

（1）CCIR 601号建议

　　为了便于国际间的节目交换，消除数字设备之间的制式差别，使625行电视系统与525行电视系统之间能够兼容，1982年2月国际无线电咨询委员会
(CCIR，现改为国际电联无线电通信部，即ITU-R)第15次全会上通过了601号建议，确定以分量编码为基础：以亮度分量Y和两个色差分量R-Y，B-Y为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准。

（2）H.261标准

　　H.261简称p×64。该标准是用于电视电话和电视会议，图像编码算法是实时处理，并且延迟时间最小，使图像和语音密切配合，达到全彩色的实时运动视频传输，并获得高压缩比。该标准于1990年由国际电报电话咨询委员会(CCITT)完成通过。

（3）JPEG标准

　　静像数据压缩标准JPEG(Joint Photographic Experts Group)，即联合图像术专家组，是国际标准组织（ISO）、国际电报电话咨询委员会（CCITT）和国际电工委员会（IEC）3个国际组织合作，在1991年完成通过。JPEG既是ISO的标准，也是CCITT的推荐标准，其目标是压缩静止彩色图片数据，多用于卫星、新闻图片的传输与存储，以及图形、图像文献资料处理等方面。

（4）MPEG标准

　　随着数字音频和数字视频技术的广泛应用，ISO的活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)在1991年11月提出了ISO ll172标准的建议草案，通称MPEG-1标准，该标准于1992年11月通过。MPEG-1标准适用于数码率在1.5 Mbps左右的应用环境，也就是为CD-ROM光盘的视频存储和放像所制定的。

　　MPEG-2是由MPEG开发的第2个标准，于1994年11月正式确定为国际标准。MPEG-2是“活动图像及有关声音信息的通用编码”(Generic Coding of Moving Pictures Associated Audio Information)标准。作为一种公认的压缩方案，该标准具有开放性、技术成本低、互操作性和灵活性、比特率的可选择扩展性及众多厂商的支持等优势，在网络、通信、卫星等领域被采用。

　　MPEG-4是1993年开始制定，1998年10月方才定案，直到2000年年初正式成为国际标准。该标准具有许多引人注目的功能，包括以对象内容为基础的视频对象存取、以场景内容为基础的可升级性、视频存取、纠错能力等。MPEG-4视频标准不仅可以提供一个更具压缩效率的新型多媒体信息传输标准，同时也具有良好的交互性、全方位存忍迥谌菝枋鼋涌凇?其名称由来是1+2+4=7（MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4）。它扩展现有内容识别专用解决方案的有限的能力，还包括更多的数据类型。MPEG-7是规定一个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合。

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(Discrete Cosine Transform)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(Baseline Sequential Codec)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13.5 MHz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25 Mb/s扩展到DVCPRO50中的50 Mb/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1.5 Mb/s，10 Mb/s，40 Mb/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1.5 Mb/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400 Gb/s的比特率和16 000×16 000像素的图像。其采用帧内编码与质剑