便攜式移動(dòng)電視接收系統(tǒng)淺析（下）

二、手機(jī)電視的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)
　　是ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC活動(dòng)圖像編碼專家組(MPEG)的聯(lián)合視頻組(JVT)開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。在技術(shù)上，標(biāo)準(zhǔn)中有多個(gè)亮點(diǎn)，如：統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼；高精度、多模式的位移估計(jì)；基于4×4塊的整數(shù)變換；分層的編碼語(yǔ)法等。這些技術(shù)亮點(diǎn)使得它具備更好的壓縮性能，同時(shí)也增強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法，有利于對(duì)誤碼和丟包的處理；應(yīng)用范圍較寬，以滿足不同速率、不同解析度及不同傳輸(存儲(chǔ))場(chǎng)合的需求；這些使得算法具有很高的編碼效率， 它的壓縮率比MPEG-2高2～3倍，1Mb/s速率的圖像效果接近MPEG-2中DVD的圖像質(zhì)量，同樣，碼流結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性也很強(qiáng)，這增強(qiáng)了它的差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。是目前手機(jī)電視中最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。

　　1、的技術(shù)特點(diǎn)：

　　(1) 就改善圖像質(zhì)量有以下特點(diǎn)

　　運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中的塊大小可變，最小的亮度補(bǔ)償塊可以小到4×4。

　　采用了1/4采樣精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，大大減少了內(nèi)插處理的復(fù)雜度。

　　中運(yùn)動(dòng)矢量不再限制在已編碼參考圖像的內(nèi)部。

　　中使用了高級(jí)圖像選擇技術(shù)，可以用已編過(guò)碼且保留在緩沖區(qū)的圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　消除了參考圖像的順序必須依賴顯示圖像順序的這種相關(guān)性。

　　消除了參考圖像與圖像表示方式的限制，使B幀圖像在很多情況下也能作為參考幀預(yù)測(cè)圖像。

　　采用了加權(quán)預(yù)測(cè)，允許一定的加權(quán)補(bǔ)償預(yù)測(cè)和偏移，在淡入淡出中可大大的提高編碼效率。

　　改變了在以前的標(biāo)準(zhǔn)中，預(yù)測(cè)編碼圖像的“跳過(guò)”區(qū)不能有運(yùn)動(dòng)的限制。對(duì)“跳過(guò)”區(qū)的運(yùn)動(dòng)采用推測(cè)方法。對(duì)雙預(yù)測(cè)的B幀圖像，采用高級(jí)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，稱為“直接”運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)一步改善編碼效率。

　　采用幀內(nèi)編碼的直接空間預(yù)測(cè)，將編碼圖像邊沿進(jìn)行外推應(yīng)用到當(dāng)前幀內(nèi)編碼圖像的預(yù)測(cè)。

　　采用了循環(huán)去塊效應(yīng)濾波器，此消除基于塊的視頻編碼在圖像中存在塊效應(yīng)，改善視頻的主觀和客觀質(zhì)量。

　　(2) 就善預(yù)測(cè)方法來(lái)改善編碼效率有以下特點(diǎn)：

　　①以前的標(biāo)準(zhǔn)變換的塊都是8×8，主要使用4×4塊變換，使編碼器表示信號(hào)局部適應(yīng)性更好，更適合預(yù)測(cè)編碼，減少“鈴”效應(yīng)。另外圖像邊界需要小塊變換。
　　②通常使用小塊變換，但有些信號(hào)包含足夠的相關(guān)性，要求以大塊表示，這就是分級(jí)塊變換。有兩種方式實(shí)現(xiàn)。低頻色度信號(hào)可用8×8，；對(duì)幀內(nèi)編碼，可使用特別的編碼類型，低頻亮度信號(hào)可用16×16塊。
　?、鬯幸郧皹?biāo)準(zhǔn)使用的變換要求32位運(yùn)算，C只使用16位運(yùn)算的短字長(zhǎng)變換。
　?、芤郧皹?biāo)準(zhǔn)反變換和變換之間存在一定容限的誤差，每個(gè)解碼器輸出視頻信號(hào)都不相同，產(chǎn)生小的漂移，最終影響圖像的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了完全匹配。
　?、菔褂脙煞N熵編碼方法，CAVLC（上下文自適應(yīng)的可變長(zhǎng)編碼）和CABAC（上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼），兩種都是基于上下文的熵編碼技術(shù)。

　　(3)具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)功能和各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境操作靈活性，主要特性如下：

　?、俚膮?shù)集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了強(qiáng)大、有效的傳輸頭部信息具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，采用了很靈活、特殊的方式，分開(kāi)處理關(guān)鍵信息，可以在各種環(huán)境下可靠傳送。
　　②中的每一個(gè)語(yǔ)法結(jié)構(gòu)放置在稱為NAL網(wǎng)絡(luò)抽象層的單元中，改變了以前標(biāo)準(zhǔn)中都要采用強(qiáng)制性特定位流接口的情況，能適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸，有較好的網(wǎng)絡(luò)親和性。
　　③在可采用非常靈活的像條大小。
　?、芸梢詫D像劃分為像條組，每個(gè)像條可以獨(dú)立解碼。靈活宏塊排序（FMO）通過(guò)管理圖像區(qū)之間的關(guān)系，具有很強(qiáng)的抗數(shù)據(jù)丟失能力。
　　⑤支持任意的像條排序，每個(gè)像條幾乎可以獨(dú)立解碼，所以像條可以按任意順序發(fā)送和接收。在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，可以改善端到端的延時(shí)特性。
　?、逓樘岣呖箶?shù)據(jù)丟失的能力，允許編碼器發(fā)送圖像區(qū)的冗余表示，當(dāng)圖像區(qū)的主表示丟失時(shí)仍可以正確解碼。
　?、呖梢愿鶕?jù)每個(gè)像條語(yǔ)法元素的范疇，將像條語(yǔ)法劃分為3部分，分開(kāi)傳送。

　　下面就的幾個(gè)重要特性進(jìn)行詳細(xì)介紹：

　　1、幀內(nèi)預(yù)測(cè)
　　
　　對(duì)I幀的編碼是利用空間相關(guān)性而非時(shí)間相關(guān)性而實(shí)現(xiàn)的。以前的標(biāo)準(zhǔn)只利用了一個(gè)宏塊內(nèi)部的相關(guān)性，而忽視了宏塊之間的相關(guān)性，所以編碼后的數(shù)據(jù)量較大。為了進(jìn)一步利用空間相關(guān)性，引入了幀內(nèi)預(yù)測(cè)以提高壓縮效率。簡(jiǎn)單地說(shuō)，幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼就是用周圍鄰近的象素值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的象素值，然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼。這種預(yù)測(cè)是基于塊的，對(duì)于亮度分量，塊的大小可以在16×16和4×4之間選擇，16×16塊有4種預(yù)測(cè)模式16×16 、 16×8 、 8×16 和 8×8，4×4塊有9種。

　　預(yù)測(cè)模式；對(duì)于色度分量，預(yù)測(cè)是對(duì)整個(gè)8×8塊進(jìn)行的，有4種預(yù)測(cè)模式。除了DC預(yù)測(cè)外，其他每種預(yù)測(cè)模式對(duì)應(yīng)不同方向上的預(yù)測(cè)。

　　2、幀間預(yù)測(cè)
　
　　(1)預(yù)測(cè)時(shí)所用塊的大小可變
　　
　　假設(shè)基于塊的運(yùn)動(dòng)模型塊內(nèi)所有象素都做了相同的平移，在運(yùn)動(dòng)比較劇烈時(shí)或者在運(yùn)動(dòng)物體的邊緣處，這一假設(shè)會(huì)與實(shí)際出入較大，導(dǎo)致較大的預(yù)測(cè)誤差，這時(shí)減小塊的大小可以使假設(shè)在小的塊中依然成立。同時(shí)，小的塊所造成的塊效應(yīng)相對(duì)也小，從而提高預(yù)測(cè)的效果。

　　一共采用了7種方式對(duì)一個(gè)宏塊進(jìn)行分割，每種方式下塊的大小和形狀都不相同，這就使編碼器可以根據(jù)圖像的內(nèi)容選擇最好的預(yù)測(cè)模式以提高預(yù)測(cè)效果。與僅使用16×16塊進(jìn)行預(yù)測(cè)相比，使用不同大小和形狀的塊可以使碼率降低15％以上。

　　(2)更精細(xì)的預(yù)測(cè)精度

　　在中，亮度分量的運(yùn)動(dòng)矢量使用1/4象素精度。色度分量的運(yùn)動(dòng)矢量由亮度運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，由于色度分量的分辨率是亮度分量的一半(對(duì)4∶2∶0)，所以其運(yùn)動(dòng)矢量精度將為1/8。既一個(gè)單位的色度分量的運(yùn)動(dòng)矢量所代表的位移僅為色度分量取樣點(diǎn)間距離的1/8。如此精細(xì)的預(yù)測(cè)精度，比整數(shù)精度可使碼率降低20％以上。

　　(3)多參考幀
　
　　支持多參考幀預(yù)測(cè)，即可以有多于一個(gè)(最多5個(gè))在當(dāng)前幀之前的解碼幀作為參考幀，產(chǎn)生對(duì)當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)。這適用于視頻序列中含有周期性運(yùn)動(dòng)的情況。這種技術(shù)，可以改善運(yùn)動(dòng)估計(jì)的性能，提高解碼器的錯(cuò)誤恢復(fù)能力；但它也增加了緩存的容量，加大了編解碼器的復(fù)雜性。與只使用一個(gè)參考幀相比，使用5個(gè)參考幀可以使碼率降低5～10％。

　　(4)去塊效應(yīng)濾波器
　
　　它的作用是消除經(jīng)反量化和反變換后重建圖像中由于預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生的塊效應(yīng)，即消除塊邊緣處的象素值跳變，從而改善圖像的主觀質(zhì)量，并減小預(yù)測(cè)誤差。中的去塊效應(yīng)濾波器還可以根據(jù)圖像內(nèi)容做出判斷，只對(duì)由于塊效應(yīng)產(chǎn)生的象素值跳變進(jìn)行平滑，而對(duì)圖像中物體邊緣處的象素值不連續(xù)給予保留，以免造成邊緣模糊。與以往的去塊效應(yīng)濾波器同的是，經(jīng)過(guò)濾波后的圖像將根據(jù)需要放在緩存中用于幀間預(yù)測(cè)，而不是僅僅在輸出重建圖像時(shí)用來(lái)改善主觀質(zhì)量。對(duì)于幀內(nèi)預(yù)測(cè)，使用的是未經(jīng)過(guò)濾波的重建圖像。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/351744.htm
　　3、整數(shù)變換
　　
　　對(duì)幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)的殘差進(jìn)行DCT編碼。為了避免舍入誤差造成的編碼器和解碼器之間不匹配的問(wèn)題，對(duì)DCT的定義做了修改，使得變換僅用整數(shù)加減法和移位操作即可實(shí)現(xiàn)，這樣在不考慮量化影響的情況下，解碼端的輸出可以準(zhǔn)確地恢復(fù)編碼端的輸入。當(dāng)然，這樣做的代價(jià)是壓縮性能略微下降。此外，該變換是針對(duì)4×4塊進(jìn)行的，這也有助于減小塊效應(yīng)。
　　
　　為了進(jìn)一步利用圖像的空間相關(guān)性，在對(duì)色度分量的預(yù)測(cè)殘差和16×16幀內(nèi)預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行上述整數(shù)DCT之后，標(biāo)準(zhǔn)還將每個(gè)4×4變換系數(shù)塊中的DC系數(shù)組成2×2或4×4大小的塊，進(jìn)一步做哈達(dá)瑪(Hadamard)變換。

　　4、熵編碼
　　
　　對(duì)于Slice層以上的數(shù)據(jù)，采用Exp-Golomb碼，這是一種沒(méi)有自適應(yīng)能力的VLC。而對(duì)于Slice層(含)以下的數(shù)據(jù)，如果是殘差，有兩種熵編碼方式：基于上下文的自適應(yīng)變長(zhǎng)碼(CAVLC)和基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)；如果不是殘差，采用Exp-Golomb碼或CABAC編碼，視編碼器的設(shè)置而定。
　　
　　(1) CAVLC
　　
　　VLC的基本思想就是對(duì)出現(xiàn)頻率高的符號(hào)使用較短的碼字，而對(duì)出現(xiàn)頻率低的符號(hào)采用較長(zhǎng)的碼字。這樣可以使得平均碼長(zhǎng)最小。
　　
　　在CAVLC中，采用若干VLC碼表，不同的碼表對(duì)應(yīng)不同的概率模型。編碼器能夠根據(jù)上下文，如周圍塊的非零系數(shù)或系數(shù)的絕對(duì)值大小，在這些碼表中自動(dòng)地選擇，盡可能地與當(dāng)前數(shù)據(jù)的概率模型匹配，從而實(shí)現(xiàn)上下文自適應(yīng)的功能。
　　
　　(2)CABAC
　　
　　算術(shù)編碼是一種高效的熵編碼方案，其每個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的碼長(zhǎng)被認(rèn)為是分?jǐn)?shù)。由于對(duì)每一個(gè)符號(hào)的編碼都與以前編碼的結(jié)果有關(guān)，所以它考慮的是信源符號(hào)序列整體的概率特性，而不是單個(gè)符號(hào)的概率特性，從而能夠更大程度地逼近信源的極限熵，降低碼率。
　　
　　中的CABAC實(shí)現(xiàn)了繞開(kāi)算術(shù)編碼中無(wú)限精度小數(shù)的表示問(wèn)題和對(duì)信源符號(hào)概率進(jìn)行估計(jì)的問(wèn)題。在CABAC中，每編碼一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，編碼器就會(huì)自動(dòng)調(diào)整對(duì)信源概率模型(用一個(gè)“狀態(tài)”來(lái)表示)的估計(jì)，隨后的二進(jìn)制符號(hào)就在這個(gè)新的概率模型基礎(chǔ)上進(jìn)行編碼。這樣的編碼器不需要信源統(tǒng)計(jì)特性的先驗(yàn)知識(shí)，而是在編碼過(guò)程中自適應(yīng)地估計(jì)。這使得CABAC有更大的靈活性，可以獲得更好的編碼性能—碼率降低大約10%。

　　5、SP Slice
　　
　　SP Slice的主要目的是用于不同碼流的切換，也可用于碼流的隨機(jī)訪問(wèn)、快進(jìn)/快退和錯(cuò)誤恢復(fù)。這里指的不同碼流，是指在不同比特率限制下對(duì)同一信源進(jìn)行編碼所產(chǎn)生的碼流。設(shè)切換前傳輸碼流中最后一幀為Al，切換后的目標(biāo)碼流第一幀為B2(假設(shè)是P幀)，由于B2的參考幀不存在，直接切換顯然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失真，而且這種失真會(huì)向后傳遞。簡(jiǎn)單的解決方法就是傳輸幀內(nèi)編碼的B2，但是一般I幀的數(shù)據(jù)量很大，這種方法會(huì)造成傳輸碼率陡然增大。根據(jù)前面的假設(shè)，由于是對(duì)同一信源進(jìn)行編碼，盡管比特率不同，但切換前后的兩幀必然有相當(dāng)大的相關(guān)性，所以編碼器可以將Al作為B2的參考幀，對(duì)B2進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差就是SP Slice，然后通過(guò)傳遞SP Slice完成碼流的切換。與常規(guī)P幀不同的是，生成SP Slice所進(jìn)行的預(yù)測(cè)是在Al和B2的變換域中進(jìn)行的。SP Slice要求切換后B2的圖像和直接傳送目標(biāo)碼流時(shí)一樣。當(dāng)然，如果切換的目標(biāo)是毫不相關(guān)的另一碼流，SP Slice就不適用了。

　　6、靈活的宏塊排序
　　
　　靈活的宏塊排序(FMO)，是指將一幅圖像中的宏塊分成幾個(gè)組，分別獨(dú)立編碼，某一個(gè)組中的宏塊不一定是在常規(guī)掃描順序下前后連續(xù)，而可能是隨機(jī)地分散在圖像中各個(gè)不同的位置。這樣，在傳輸時(shí)，如果發(fā)生錯(cuò)誤，某個(gè)組中的某些宏塊不能正確解碼時(shí)，解碼器仍然可以根據(jù)圖像的空間相關(guān)性，依靠其周圍正確譯碼的象素，對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)。

　　這些特點(diǎn)使得它的應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)廣泛，包括可視電話(固定或移動(dòng))、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及因特網(wǎng)視頻傳輸、多媒體信息存儲(chǔ)等。

　　三、小結(jié)

　　最終，DVB-H標(biāo)準(zhǔn)主要解決了基于DVB數(shù)據(jù)廣播和地面電視標(biāo)準(zhǔn)融合后的兩個(gè)問(wèn)題：它采用的基于時(shí)分復(fù)用的策略，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省功耗和業(yè)務(wù)的無(wú)縫交互；使用MPE-FEC技術(shù)，可提供魯棒性更強(qiáng)的信號(hào)，使得在室內(nèi)低速率移動(dòng)和室外高速率移動(dòng)的手持終端（特別是手機(jī)）能進(jìn)行正常的業(yè)務(wù)訪問(wèn)。

　　以其高效的編碼性能可以適用于多種網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可滿足多種應(yīng)用的需求?？梢詰?yīng)用在基于電纜、衛(wèi)星、 調(diào)制解調(diào)器、 DST 等信道的多種領(lǐng)域；也可應(yīng)用于視頻數(shù)據(jù)在光學(xué)或磁性設(shè)備上的存儲(chǔ)和基于 ISDN 、以太網(wǎng)、 DSL 無(wú)線及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的公話服務(wù)、視頻流服務(wù)、彩信服務(wù)等方面。

　　未來(lái)的移動(dòng)視頻接收中解決了編碼問(wèn)題，DVB-H標(biāo)準(zhǔn)解決了視頻流在傳輸中存在的問(wèn)題，使得從收聽(tīng)廣播節(jié)目、觀看影像檔案到在手機(jī)上觀看電視直播，成為一個(gè)再自然不過(guò)的發(fā)展過(guò)程。這種體驗(yàn)對(duì)于消費(fèi)者所帶來(lái)的沖擊，絕對(duì)會(huì)令人難以想象。隨著電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)和有線電視網(wǎng)的三網(wǎng)融合趨勢(shì)，已經(jīng)注定這些各具優(yōu)勢(shì)的技術(shù)在交叉和互補(bǔ)的運(yùn)用過(guò)程中會(huì)誕生出多種多樣的新媒體，而手機(jī)將成為多種傳播媒體的載體，將成為一種新興媒體——多媒體的綜合服務(wù)終端。這必將給人們帶來(lái)更快、更多的信息獲取方式。