数字电视视频压缩技术原理,数字电视技术原理与应用

('数字电视视频压缩技术原理摘要：视频压缩通过减少和去除冗余视频数据的方式，达到有效发送和存储数字视频文件的目的。在压缩过程中，需要应用压缩算法对源视频进行压缩以创建压缩文件，以便进行传输和存储。要想播放压缩文件，则需要应用相反的解压缩算法对视频进行还原，还原后的视频内容与原始的源视频内容几乎完全相同。压缩、发送、解压缩和显示文件所需的时间称为延时。在相同处理能力下，压缩算法越高级，延时就越长。传统的压缩编码是建立在香农（Shannon）信息论基础上的，它以经典的集合论为基础，用统计概率模型来描述信源，但它未考虑信息接受者的主观特性及事件本身的具体含义、重要程度和引起的后果。因此，压缩编码的发展历程实际上是以香农信息论为出发点，一个不断完善的过程。从不同角度考虑，数据压缩编码具有不同的分类方式。按信源的统计特性可分为预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带－小波编码、神经网络编码方法等。数眼的视觉特性可能基于方向滤波的图像编码、基于图像轮廓－纹理的编码方法等。按图像传递的景物特性可分为分形编码、基于内容的编码方法等。视频压缩技术是计算机处理视频的前提。视频信号数字化后数据带宽很高，通常在20MB/秒以上，因此计算机很难对之进行保存和处理。采用压缩技术以后通常数据带宽右以降到1-10MB/秒，这样就可以将视频信号保存在计算机中并作相应的处理。常用的算法是由ISO制订的，即JPEG和MPEG算法。JPEG是静态图像压缩标准，适用于连续色调彩色或灰度图像，它包括两部分：一是基于DPCM(空间线性预测)技术的无失真编码，一是基于DCT(离散余弦变换)和哈夫曼编码的有失真算法，前者压缩比很小，主要应用的是后一种算法。在非线性编辑中最常用的是MJPEG算法，即MotionJPEG。它是将视频信号50帧/秒(PAL制式)变为25帧/秒，然后按照25帧/秒的速度使用JPEG算法对每一帧压缩。通常压缩倍数在3.5-5倍时可以达到Betacam的图像质量。MPEG算法是适用于动态视频的压缩算法，它除了对单幅图像进行编码外还利用图像序列中的相关原则，将冗余去掉，这样可以大大提高视频的压缩比。前MPEG-I用于VCD节目中，MPEG-II用于VOD、DVD节目中。数据压缩的理论基础是信息论，从信息论的角度来看，压缩就是去掉数据中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知的），也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。数字图像和视频数据中存在着大量的数据冗余和主观视觉冗余，因此，图像和视频数据压缩不仅是必要的，而且也是可能的。视频数据压缩方法根据不同的依据可产生不同的分类。最常见的是根据质量有无损失可分为有失真压缩编码和无失真压缩编码。按照压缩冗余信息的机理不同，目前的图像压缩编码方法大致可以分为三类:一是，着眼于图像信源的统计特征的压缩方式，主要采用统计编码法、预测编码法、变换编码法、矢量量化编码法、神经网络编码法等；二是，着眼于人眼视觉特性的压缩方式，主要采用基于方向滤波的图像编码法，基于图像轮廓-纹理的编码法；三是，着眼于图像传递的景物（内容）特征的压缩方式，主要采用基于模型的（分形）编码法。视频编解码器（编码器/解码器）是指两个协同运行的压缩-解压算法。使用不同标准的视频编解码器通常彼此之间互不兼容；也就是说，使用一种标准进行压缩的视频内容无法使用另外一种标准进行解压缩。例如，MPEG-4Part2解码器就不能与H.264编码器协同运行。这是因为一种算法无法正确地对另外一个算法的输出信号进行解码，然而我们可以在同一软件或硬件中使用多种不同的算法，以支持对多种格式的文件进行压缩。由于不同的视频压缩标准会使用不同的方法来减少数据量，因此压缩结果在比特率、质量和延时方面也各不相同。此外，由于编码器的设计者可能会选择使用某个标准所定义的不同工具集，因此，即使是使用相同压缩标准的编码器之间，其压缩结果也可能会存在差异。不过，只要编码器的输出信号符合标准的格式以及解码器的要求，就可以采用不同的实施方式。这是非常有利的，因为不同的实施方式可实现不同的目标，满足不同的预算要求。对用于管理光介质存储的非实时专业软件编码器来说，应该能够比用于视频会议的集成在手持设备中的实时硬件编码器提供质量更高的编码视频。因此，即使是某个指定的标准也无法保证提供指定的比特率或质量。而且，如果不事先确定实施方式，一个标准就无法与其它标准进行正确的性能对比，甚至也无法与同一标准的其它实施方式进行正确的性能对比。与编码器不同，解码器必须实施某个标准的所有必需部分，才能对符合标准的比特流进行解码。这是因为标准中明确规定了解压缩算法应如何对压缩视频的每个比特进行还原。压缩技术与电视有很大的关系，交织技术是最简单的压缩形式，它使带宽以2:1的比例降低。人的视觉系统总要用一定时间才能识别图像元素，如果在一定的刷新频率下，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需要的时间，那么在下一帧图像的显示过程中，第一幅图像仍然会残留在人的视觉印象中。这种视觉残留可以消除画面的闪烁现象，将连续的画面呈现在人们眼前。电影的帧速率为24帧/秒，但在显示每一帧画面的中间有一次中断，所以实际的刷新率是48帧/秒。因此对电影而言画面更新率是24而刷新速率是48。电视则采用隔行扫描以获得同样的效果。电视没有采用电影的24帧而是采用了25帧与30帧是为了和电网频率同步降低对电源的要求。用色差信号代替GBR信号是另一种压缩形式，利用了人眼对色彩细节不敏感的特性。YUV（亦称YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（PAL）。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的带宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是通过RGB输入信号来创建的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面—色调与饱和度，分别用Cr和CB来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。PAL、NTSC、SECAM都是压缩的形式，称为复合视频系统(CVBS?)，他们在保留了黑白电视的频道结构的同时增加了色彩信号。信号的细节取决于应用的视频标准或者“制式”--NTSC（美国全国电视标准委员会，NationalTelevisionStandardsCommittee）、PAL（逐行倒相，PhaseAlternateLine）以及SECAM（顺序传送与存储彩色电视系统，法国采用的一种电视制式，SEquentialCouleurAvecMemoire）。NTSC和PAL彩色视频信号是这样构成的--首先有一个基本的黑白视频信号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一个颜色脉冲和一个亮度信号。因为彩色信号是由多种数据“叠加”起来的，故称之为“复合视频”。S-Video则是一种信号质量更高的视频接口，它取消了信号叠加的方法，可有效避免一些无谓的质量损失。它的功能是将RGB三原色和亮度进行分离处理。一般说来，在帧内以及帧与帧之间，众多的视频序列均包含很大的统计冗余度和主观冗余度。视频源码的最终目标是：通过挖掘统计冗余度和主观冗余度，来降低存储和传送视频信息所需的比特率；并采用嫡编码技术，以便编制出“最小信息组”一个实用的编码方案，是在编码特性(具有足够质量的高压缩)与实施复杂性之间的一种折衷。对于MPEG压缩算法的开发来讲，涉及到这些标准的寿命周期应考虑到现代超大规模集成电路技术的能力，这一点是最重要的。根据应用的要求，我们也许会想到视频数据的“无损失”编码和“有损失”编码“无损失”编码的目的在于：在保持原图像质量(即解码后的图像质量等同于编码前的图像质量)情况下，来减少需要存储和传送的图像或视频数据。与此相反，“有损失”编码技术(该技术跟MPEG—l和MPEG2视频标准未来的应用有关)的目的是，去符合给定的存储和传送比特串。重要的一些应用包括；利用限定的带宽或很窄的带宽，通过通信频道采传送视频信息；有效地存储视频信息。在这些应用中，高的视频压缩是以降低视频质量的办法来实施的，即跟编码以前的原始图像相比，解码后的图像“客观”质量有所降低(也就是取原始图像和再现图像之间的均方差，作为评定客观图像质量的标准)频道的目标比特率越低；那么视频所必须进行的压缩率就越大，通常可察觉的编码人工产物也越多。有损失编码技术的最终目的是：在指定的目标比特串条件下，获取最佳的图像标准。这里应服从“客观”或“主观”上的最佳标准。这里应该指出，图像的降级程度(指客观降低以及可察觉到的人工产物的数量)取决于压缩技术的复杂性——对于结构简单的画面和视频活动少的图像来讲，就是采用简单的压缩技术，也许能获得根本不带可察觉人工产物的良好的再现图像。目前监控中主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术。对于最终用户来言他最为关心的主要有：清晰度、存储量（带宽）、稳定性还有价格。采用不同的压缩技术，将很大程度影响以上几大要素。MJPEGMJPEG（MotionJPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。MJPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大，目前流行的MJPEG技术最好的也只能做到3K字节/帧，通常要8~20K！MPEG-1/2MPEG-1(1988～1992)，可以提供最高达1.5Mbps的数字视频，只支持逐行扫描。MPEG-1标准主要针对SIF标准分辨率(NTSC制为352X240；PAL制为352X288)的图像进行压缩.压缩位率主要目标为1.5Mb/s.较MJPEG技术，MPEG1在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。但MPEG1也有较多不利地方：存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。MPEG-2(1990～1994)，支持的带宽范围从2Mbps到超过20Mbps，MPEG-2后向兼容MPEG-1，但增加了对隔行扫描的支持，并有更大的伸缩性和灵活性；MPEG-2在MPEG-1基础上进行了扩充和提升，和MPEG-1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域，分辨率为：低(352x288)，中(720x480)，次高(1440x1080)，高(1920x1080)。MPEG-2视频相对MPEG-1提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得存储容量还是太大，也不适和网络传输。MPEG-4MPEG-4(1994～1998)，支持逐行扫描和隔行扫描，是基于视频对象的编码标准，通过对象识别提供了空间的可伸缩性；MPEG-4视频压缩算法相对于MPEG-1/2在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352288）或者更高清晰度（768576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG-4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。MPEG-4由于系统设计过于复杂，使得MPEG-4难以完全实现并且兼容，很难在视频会议、可视电话等领域实现，这一点有点偏离原来地初衷。另外对于中国企业来说还要面临高昂的专利费问题，目前规定：－每台解码设备需要交给MPEG-LA0.25美元。－编码/解码设备还需要按时间交费（4美分/天=1.2美元/月=14.4美元/年）。H.264/AVC视频压缩国际标准主要有由ITU-T制定的H.261、H.262、H.263、H.264和由MPEG制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，其中H.262/MPEG-2和H.264/MPEG-4AVC由ITU-T与MPEG联合制定。从简单来说H.264就是一种视频编码技术，与微软的WMV9都属于同一种技术也就是压缩动态图像数据的“编解码器”程序。一般来说，如果动态图像数据未经压缩就使用的话，数据量非常大，容易造成通信线路故障及数据存储容量紧张。因此，在发送动态图像时、或者把影像内容保存在DVD上时、以及使用存储介质容量较小的数码相机或相机手机拍摄映像时，就必须使用编解码器。虽然编解码器有许多种类，但DVD-Video与微波数字电视等使用的主要是MPEG2，数码相机等摄像时主要使用MPEG4。既然作为压缩视频编码技术，H.264最大的作用对视频的压缩了。我们熟悉的MPEG2也就是最常用的DVD视频编码技术已经比较落后。对于最希望看到的HDTV的节目如果播放时间在2小时左右的话，使用MPEG2最小只能压缩至30GB，而使用H.264、WMV9这样的高压缩率编解码器，在画质丝毫不降的前提下可压缩到15GB以下。上面的例子可以看出H.264的技术优势了，一般来说H.264的数据压缩率在MPEG2的2倍以上、MPEG4的1.5倍以上。从理论上来说，在相同画质、相同容量的情况下，可比目前的DVD光盘多保存2倍以上时间的影像。有望作为电影与音乐会等映像内容与便携设备的编解码器广泛使用。预计支持该技术的产品与服务将于2004年内问世。大家是否都能记得当年的视频解压卡，也就是我们说的DVD/VCD解压缩卡，这个东西的原理很简单，就是板卡上安装了DSP芯片，而这个芯片唯一的功能就是用来针对特殊格式的编码进行解压缩，当后来显卡的性能逐渐增强可以满足视频播放需要的时候，视频解压缩卡也就消失的不见了。而ATI的做法就是最新的R520VPU内就包含了H.264解码技术，这种特殊的算法直接交给显卡VPU来运算，而不是完全交给CPU处理，这样就可以解放出CPU进行更多其他复杂的运算。H.264集中了以往标准的优点，在许多领域都得到突破性进展，使得它获得比以往标准好得多整体性能：－和H.263+和MPEG-4SP相比最多可节省50％的码率，使存储容量大大降低；－H.264在不同分辨率、不同码率下都能提供较高的视频质量；－采用“网络友善”的结构和语法，使其更有利于网络传输。H.264采用简洁设计,使它比MPEG4更容易推广，更容易在视频会议、视频电话中实现，更容易实现互连互通，可以简便地和G.729等低比特率语音压缩组成一个完整的系统。MPEGLA吸收MPEG-4的高昂专利费而使它难以推广的教训，MPEGLA制定了以下低廉的H.264收费标准：H.264广播时基本不收费；产品中嵌入H.264编/解码器时，年产量10万台以下不收取费，超过10万台每台收取0.2美元，超过500万台每台收取0.1美元。低廉的专利费使得中国H.264监控产品更容易走向世界。参考文献1.卢官明，宗昉．数字电视原理[M]．北京：机械工业出版社，2008．2.姜秀华，柴剑平，等．现代电视原理[M]．北京：高等教育出版社，2008.3.刘毓敏，等．数字视音频技术应用[M]．北京：机械出版社，2003.4.http://blog.sina.com.cn/s/blog_515e74f5010092cj.html5.http://wenwen.soso.com/z/q241650532.htm6.http://blog.tianya.cn/blogger/post_show.asp?BlogID=482158&PostID=68979077.http://zhidao.baidu.com/question/24529198.html',)