數(shù)字視頻技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及視頻壓縮方式

當(dāng)前，電視設(shè)備正逐步從模擬向數(shù)字過(guò)渡，SONY、松下、JVC等公司紛紛推出了最新的數(shù)字?jǐn)z、錄、編設(shè)備。在當(dāng)今電視技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字記錄和編輯已得到廣泛的運(yùn)用。

數(shù)字視頻的記錄格式有非壓縮和壓縮兩大類。非壓縮記錄格式的D1、D2、D3、D5等系列，它是以原有信號(hào)碼率直接記錄輸入信號(hào)，保持了信號(hào)的原有水平，為無(wú)損記錄。記錄方式又分?jǐn)?shù)字分量（D1、D5）和數(shù)字復(fù)合（D2、D3），它們代表了視頻設(shè)備最高標(biāo)準(zhǔn)，圖像質(zhì)量最高，信號(hào)損失最小，但同時(shí)由于圖像信號(hào)數(shù)據(jù)量很大，對(duì)機(jī)器硬件的要求極其苛刻，而價(jià)格非常昂貴，雖然產(chǎn)品已問(wèn)世數(shù)年，但僅有少數(shù)對(duì)畫質(zhì)要求極高的視頻制作公司使用。而壓縮格式是指采用數(shù)字壓縮技術(shù)的視頻，常見(jiàn)的有DV，MPEG-2，M-JPEG等，并制定各種數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，于是出現(xiàn)了相應(yīng)的數(shù)字Betacam(DVW)，DV，DVCPRO，DIGITAL-S，DVCAM，Betacam-SX等規(guī)格的數(shù)字錄像機(jī)，它們將圖像信號(hào)壓縮再記錄在磁帶上，其目的是在保證圖像質(zhì)量的前提下，減小圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量，減小設(shè)備體積，減少磁帶用量，以最小的信號(hào)損失達(dá)到盡可能好的效果，從而降低設(shè)備成本。

1、數(shù)字視頻技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

（1）CCIR601號(hào)建議

為了便于國(guó)際間的節(jié)目交換，消除數(shù)字設(shè)備之間的制式差別，使625行電視系統(tǒng)與525行電視系統(tǒng)之間能夠兼容，1982年2月國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR，現(xiàn)改為國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部，即ITU-R)第15次全會(huì)上通過(guò)了601號(hào)建議，確定以分量編碼為基礎(chǔ)：以亮度分量Y和兩個(gè)色差分量R-Y，B-Y為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼，作為電視演播室數(shù)字編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

（2）H.261標(biāo)準(zhǔn)

H.261簡(jiǎn)稱p×64。該標(biāo)準(zhǔn)是用于電視電話和電視會(huì)議，圖像編碼算法是實(shí)時(shí)處理，并且延遲時(shí)間最小，使圖像和語(yǔ)音密切配合，達(dá)到全彩色的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)視頻傳輸，并獲得高壓縮比。該標(biāo)準(zhǔn)于1990年由國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)完成通過(guò)。

（3）JPEG標(biāo)準(zhǔn)

靜像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)，即聯(lián)合圖像術(shù)專家組，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）、國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）3個(gè)國(guó)際組織合作，在1991年完成通過(guò)。JPEG既是ISO的標(biāo)準(zhǔn)，也是CCITT的推薦標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是壓縮靜止彩色圖片數(shù)據(jù)，多用于衛(wèi)星、新聞圖片的傳輸與存儲(chǔ)，以及圖形、圖像文獻(xiàn)資料處理等方面。

（4）MPEG標(biāo)準(zhǔn)

隨著數(shù)字音頻和數(shù)字視頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，ISO的活動(dòng)圖像專家組(MovingPictureExpertGroup)在1991年11月提出了ISOll172標(biāo)準(zhǔn)的建議草案，通稱MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于1992年11月通過(guò)。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)碼率在1.5Mbps左右的應(yīng)用環(huán)境，也就是為CD-ROM光盤的視頻存儲(chǔ)和放像所制定的。
MPEG-2是由MPEG開發(fā)的第2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，于1994年11月正式確定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2是“活動(dòng)圖像及有關(guān)聲音信息的通用編碼”(GenericCodingofMovingPicturesAssociatedAudioInformation)標(biāo)準(zhǔn)。作為一種公認(rèn)的壓縮方案，該標(biāo)準(zhǔn)具有開放性、技術(shù)成本低、互操作性和靈活性、比特率的可選擇擴(kuò)展性及眾多廠商的支持等優(yōu)勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)、通信、衛(wèi)星等領(lǐng)域被采用。

MPEG-4是1993年開始制定，1998年10月方才定案，直到2000年年初正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有許多引人注目的功能，包括以對(duì)象內(nèi)容為基礎(chǔ)的視頻對(duì)象存取、以場(chǎng)景內(nèi)容為基礎(chǔ)的可升級(jí)性、視頻存取、糾錯(cuò)能力等。MPEG-4視頻標(biāo)準(zhǔn)不僅可以提供一個(gè)更具壓縮效率的新型多媒體信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也具有良好的交互性、全方位存忍迥諶菝枋黿涌凇?其名稱由來(lái)是1+2+4=7（MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4）。它擴(kuò)展現(xiàn)有內(nèi)容識(shí)別專用解決方案的有限的能力，還包括更多的數(shù)據(jù)類型。MPEG-7是規(guī)定一個(gè)用于描述各種不同類型多媒體信息的描述符的標(biāo)準(zhǔn)集合。

2、數(shù)字視頻壓縮方式

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，目前在電視領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的3種壓縮方式是MPEG-2，M-JPEG和DV。它們均基于離散余弦變換（DCT），并對(duì)變換系數(shù)微量化處理后進(jìn)行游程編碼。

（1）JPEG簡(jiǎn)介JPEG用于連續(xù)變化的靜止圖像，包括灰度等級(jí)和顏色兩方面的連續(xù)變化。JPEG包含兩種基本壓縮方法：第一種是有損壓縮，它是以DCT(DiscreteCosineTransform)為基礎(chǔ)的壓縮方法；第二種為無(wú)損壓縮，也稱預(yù)測(cè)壓縮方法。最常使用的是前者,即DCT壓縮方法，也稱為基線順序編解碼(BaselineSequentialCodec)方法，這種方法先進(jìn)、有效、簡(jiǎn)單、易于交流，因此得到廣泛應(yīng)用。

（2）M-JPEG簡(jiǎn)介

M-JPEG是按活動(dòng)圖像的正常要求速度，每秒完成對(duì)25幀圖像的幀內(nèi)壓縮方式壓縮每一幀，每一幀都被當(dāng)作獨(dú)立的信號(hào)處理，其一系列的幀實(shí)際上就是一個(gè)JPEG的信號(hào)流。這種設(shè)計(jì)的好處是易于編輯，可隨機(jī)對(duì)任意幀進(jìn)行編輯，對(duì)于非線性編輯應(yīng)用是一個(gè)優(yōu)秀的選擇。M-JPEG的壓縮和解壓縮是對(duì)稱的，可由相同的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是需要過(guò)多的帶寬和存儲(chǔ)空間，這是因?yàn)樗粚?duì)著行壓縮，而只是幀內(nèi)壓縮，壓縮效率不夠高。

（3）DV簡(jiǎn)介

DV壓縮方式是為家用錄像機(jī)設(shè)計(jì)的一種可擴(kuò)展的格式，可適用于標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視和高清晰度電視。DV壓縮最早是由標(biāo)準(zhǔn)和高清晰度家用VCR制造商的一個(gè)聯(lián)盟研發(fā)的。DV使用13.5MHz采樣率,4∶1∶1編碼，并用8比特代碼來(lái)提高信噪比，其空間壓縮比為5∶1。DV通過(guò)對(duì)實(shí)質(zhì)上不活動(dòng)的視頻圖像的倡這種壓縮從標(biāo)準(zhǔn)的25Mb/s擴(kuò)展到DVCPRO50中的50Mb/s。Sony則提供基于DV壓縮的DVCAM系列VTR。用于廣播電視的DVCPR0攝像機(jī)主要有兩種機(jī)型：一種是DVCPR025，一種是DVCPR050。

（4）MPEG簡(jiǎn)介

MPEG標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字壓縮基本步驟是：先將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后按時(shí)序分組，每個(gè)圖像組（GOP）選定一個(gè)基準(zhǔn)圖像，利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)減少圖像間的時(shí)間冗余，最后將基準(zhǔn)圖像和運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差進(jìn)行離散余弦變換（DCT）、系數(shù)量化和熵編碼（VLC＆RLC）以消除空間冗余。MPEG專家組最初的任務(wù)有3個(gè)：實(shí)現(xiàn)1.5Mb/s，10Mb/s，40Mb/s的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，即MPEG-1，MPEG-2，MPEG-3，其中MPEG-3于1992年被撤消。

MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)用于運(yùn)動(dòng)圖像及其音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，著重于高壓縮率，具有低帶寬和低分解力，視頻速率大致為1.5Mb/s。其基本算法是對(duì)于壓縮水平方向（360個(gè)像素）和豎直方向（288個(gè)像素）的空間分辨率，對(duì)于每秒24~30幅畫面的運(yùn)動(dòng)圖像有比較好的效果。MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)還提供了一些錄像機(jī)的功能：正放、圖像凍結(jié)、快進(jìn)、快倒和慢放等，以及隨機(jī)存儲(chǔ)的功能。MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)還采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比：①對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行亞采樣，減少數(shù)據(jù)量；②采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)減少著行量化，舍去不重要的信息，將量化后DCT分量按照頻率重新排序;⑤將DCT分量進(jìn)行變字長(zhǎng)編碼；⑥對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊的直流分量(DC)進(jìn)行預(yù)測(cè)差分編碼。

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)與MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)相似，其比特率比后者高得多，因而要求較高的帶寬和分解力。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)可定義高達(dá)400Gb/s的比特率和16000×16000像素的圖像。其采用幀內(nèi)編碼與質(zhì)劍??GOP（圖像組）內(nèi)分為I幀（幀內(nèi)編碼幀）、P幀（向前預(yù)測(cè)編碼幀）、B幀（雙向預(yù)測(cè)幀），對(duì)它們采取不同的壓縮編碼方式。1996年1月，國(guó)際慕尼黑團(tuán)體會(huì)議上又確認(rèn)了具有高廣播級(jí)質(zhì)量和高編輯精度的MPEG-2MP@ML標(biāo)準(zhǔn)，它允許較短的GOP，使之適應(yīng)于節(jié)目制作的精確編輯。MPEG-2在處理圖像的“簡(jiǎn)單”與“復(fù)雜”區(qū)域能自動(dòng)變換壓縮率，它能在同一幀內(nèi)使用不同的壓縮比，因而更加有效。在壓縮成相同圖像質(zhì)量的條件下，MPEG-2圖像所占的空間只是M-JPEG圖像的10%～15%。在圖像采集、制作、傳輸、播出等各領(lǐng)域中，MPEG-2已逐漸被廣泛采用。

MPEG-4除完全支持MPEG-1/2已提供的全部視頻功能，包括在不同輸入格式、幀率、比特率下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)矩形區(qū)域圖像序列進(jìn)行有效編碼外，還增加了新的功能：為提高傳輸效率，MPEG-4采用“子圖形”預(yù)測(cè)和編碼技術(shù)，它把靜止的背景作為“子圖形”，首先發(fā)往收端，作為第一幀同時(shí)存儲(chǔ)于編碼器與解碼器內(nèi)，再利用攝像機(jī)的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，攝取背景前出現(xiàn)的視頻對(duì)象，再將其分開進(jìn)行編碼，形成視頻序列進(jìn)行傳送，進(jìn)而重建原來(lái)的圖像。這種技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)十分有利，同時(shí)還可以改善圖像質(zhì)量。MPEG-4是一種高效率的編碼標(biāo)準(zhǔn)，其最低碼率可達(dá)到5~64kbps。對(duì)于具體視頻而言，其交互性和可操作性，在多媒體應(yīng)用領(lǐng)域中又可以與各種編碼兼容。MPEG-7建立在MPEG-4的基礎(chǔ)上，用很少的特征對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行檢索。例如對(duì)圖形，只要畫出很少幾條線就可以找到包括該特征的相應(yīng)圖形、商標(biāo)等。

3、3種常用數(shù)字壓縮格式的比較

M-JPEG，DV和MPEG作為視頻工業(yè)中的3種主要的壓縮技術(shù)，它們都基于DCT，它們所記錄的圖像被轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一、量化和可變長(zhǎng)度編碼的頻域系數(shù)。廣播電視常用的數(shù)字視頻編碼技術(shù)，其中，DV和典型的M-JPEG是幀內(nèi)編碼，采用幀內(nèi)壓縮方式，沒(méi)有窒低。對(duì)于MPEG-2來(lái)說(shuō)，采用種〉Ｋ裕?MPEG-2用于編輯時(shí)，一般僅限于I幀編碼，能夠在不了解前一幀和后一幀的情況下，在邊緣進(jìn)行幀切換。此外，DV和MPEG-2壓縮使用運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的幀內(nèi)編碼，但是，DV只能進(jìn)行固定比特率（CBR）編碼，而MPEG-2和M-JPEG則可進(jìn)行CBR和可變比特率（VBR）編碼。

數(shù)字視頻壓縮技術(shù)使我們能夠以較小的成本獲得高質(zhì)量的視頻，為高質(zhì)量傳播視頻信號(hào)成為可能，并且隨著電視技術(shù)的不斷發(fā)展，這一技術(shù)還在不斷更新、提高。當(dāng)電視技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合時(shí)，數(shù)字視頻技術(shù)更加體現(xiàn)出它所具備的交流傳播的優(yōu)勢(shì)。