数字电视信源编码的主要技术与标准

三.图像压缩的主要技术与标准

　　目前有关图像压缩方面的主要标准包括CCITT的H.261,JPEG和MPEG。是分别针对电视电话图像，静止图像和活动图像的压缩编码标准。这几种压缩标准虽然各自针对性不同，但压缩编码方法大体相似。

　　1 H.261

　　图像压缩编码标准的提出最早源于通讯中对可视电话的研究。经过多年努力，至1980年，国际电报电话咨询委员会CCITT所属的视频编码专家组的H.261建议被通过，成为可视电话和电话会议的国际标准。H.261又称Px64，传输码率为Px64kbps，其中P＝1－30可变，根据图像传输清晰度的不同，码率变化范围在64kbps至1.92Mbps之间，编码方法包括DCT变换，可控步长线性量化，变长编码及预测编码等。其简化的编码原理框图如图2所示。



　　图中，DCT变换的输入输出选择开关由帧内/帧间模式选择电路控制。在帧内模式时，开关打到上面，输入信号经DCT变换，线性量化和变长编码后输出，图像只进行帧内压缩。在帧间模式时，开关打到下面，前一帧图像信号经过预测环中的运动补偿后产生一个后帧的预测信号。后帧的实际输入信号与其预测值相减后，在进行一个帧内压缩编码的过程后输出。

　　图中变长编码器产生的控制信号送量化器以控制其量化步长。当变长编码器的输入中连续出现许多大数值的数据，导致集中出现长的码组，使缓存器接近溢出时，控制信号使量化器的量化步长加大，以降低大数值数据的出现；反之，也可控制量化器以减小其量化步长。在预测环路中由于存在用于恢复前帧信号的反量化器，量化步长控制信号也要送到预测环中的反量化器中。

　　H.261所针对的可视电话信号最初考虑是在一般电话网中传输的，带宽和码率是其考虑的核心问题。其每帧取样点数比ITU－R601所规定的低许多，且采取抽帧传输的方法，无法满足数字电视压缩编码的要求，但H.261是此前压缩编码数十年研究的结果，成为以后JPEG和MPEG编码方法的重要基础。

　　2 JPEG

　　1986年，国际标准化组织ISO和国际电报电话咨询委员会CCITT共同成立了联合图像专家组《Joint Photographic Experts Group》，对静止图像压缩编码的标准进行了研究，JPEG小组于1988年提出建议书，1992年成为静止图像压缩编码的国际标准。JPEG是一个达到数字演播室标准的图像压缩编码标准，其亮度信号与色度信号均按照ITU－R601的规定取样后划分为8x8子块进行编码处理。

　　JPEG是一种不含帧间压缩的帧内压缩编码方法，其主要编码过程与H.261的帧内编码过程大致相同。输入信号经DCT变换后，按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量化。对量化后的DCT直流系数进行差分编码，交流系数进行行游程编码，再按霍夫曼码表进行变长编码后，送缓存器输出。

　　JPEG不含帧间压缩，压缩比较帧内/帧间压缩低。但因为不含帧间压缩，使得各帧在压缩编码后是各自独立的，这一点对于编辑来说是有利的，可以做到精确到逐帧的编辑。所以对于活动画面只进行帧内压缩的Motion-JPEG，目前仍然在一些数字电视编录设备，如非线性编辑系统中得到应用。

　　3 MPEG

　　1988年，国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC共同组建了运动图像专家组《Moving Picture Experts Group》，对运动图像的压缩编码标准进行了研究。1992年和1994年分别通过了MPEG－1和MPEG－2压缩编码标准。

　　MPEG－1主要是针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，典型应用如VCD等家用数字音像产品，其编码最高码率为1.5Mbps。MPEG－2则针对数字电视的视音频压缩编码，对数字电视各种等级的压缩编码方案及图像编码中划分的层次作了详细的规定，其编码码率可从3Mbps到100Mbps。

　　MPEG的基本编码过程与H.261相似，即通过DCT进行帧间压缩。除了在编码语法上加进了一些特别规定外，与H.261的一个重要不同是MPEG在预测编码中加进了一个双向预测帧B帧，如图3所示。



　　图中，I帧只进行帧内压缩，是作为预测基准的独立帧，具有较小的压缩比。由I帧前向预测产生的P帧具有中等压缩比，并与I帧一起成为B帧的预测基准。由此产生的B帧则具有最高的压缩比。I帧出现的频率及I，B，P帧之间如何组合，MPEG未作具体规定，可由编码器自行选择。如索尼的数字Betacom录像机，为便于精确地编辑，在压缩编码过程中抽掉了B帧，只有I帧与P帧的组合。

　　在上述各种图像压缩编码标准中，MPEG－2是专门针对数字电视的。MPEG－2的压缩编码及其标准码流的形成构成了数字电视信源编码的核心。

　　四.MPEG－2标准码流的形成

　　符合MPEG－2格式的码流成为数字电视信源编码的标准输出码流。数字电视信道编码，DVB及MPEG－2解码器等均认同和适应此标准。为了形成统一标准的MPEG－2输出码流，MPEG－2对其压缩编码的适用范围和编码语法，对码流的打包与复用等作了详细具体的规定。