数字电视信源编解码技术及应用

  数字视频技术广泛应用于通信、计算机、广播电视等领域, 带来了会议电视、可视电话及数字电视、媒体存储等一系列应用。数字信号有很多优点, 但当模拟信号数字化后其频带大大加宽, 一路6MH z的普通电视信号数字化后, 其数码率将高达167 Mbps, 对储存器容量要求很大, 占有的带宽将达80MH z左右, 这样将使数字信号失去实用价值。数字压缩技术很好地解决了上述困难, 压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带, 因此说数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术。下面就长治微波站在数字微波传输系统改造后, 探讨EN2200- M型编码器及数字电视信源编解码技术和应用。

　　1 数字电视的编码概述

　　模拟信号通过取样、量化后编码为二进制数字信号的过程称为A /D 变换, 所得到的信号也称PCM 信号, PCM 编码既可以对彩色全电视信号直接进行, 也可以对亮度信号和两个色差信号分别进行, 前者称为全电视信号编码, 后者称为分量编码, 这是最基本的编码形式。数字压缩编码技术可分为无损压缩和有损压缩两大类, 无损压缩即压缩后可恢复原来的信号, 有损压缩在解压后无法恢复原样, 有一定的失真, 但失真在某一限度以下时人是感觉不到的。目前采用的压缩编码方法有以下几种: ( 1)统计编码, 如霍夫曼编码和游程编码等; ( 2)预测编码, 如差值编码、帧内预测、帧间预测和运动补偿预测等; ( 3)变换编码, 如DCT 变换、小波变换; ( 4)量化技术, 如均匀量化、非均匀量化和自适应量化技术; ( 5)基于可视对象的编码; ( 6)可分级编码。前4种编码技术主要用于MPEG - 2, DVB 数字电视系统规定采用MPEG - 2的压缩编码方法, 它是基于存储器的以帧为单位的压缩方法, 后两种方法主要用于MPEG - 4, MPEG - 4 在数字电视系统中主要用于流媒体方式的数字电视。

　　2 数字电视编码器的结构

　　MPEG - 2 压缩编码器是将模拟电视视音频信号进行MPEG - 2压缩编码输出实时TS流的前端设备,适用于数字电视的传输或前端信源编码以及会议电视、远程教育等各种应用, 一台高级的编码器不仅具有DVB接口, 还应当设有电信接口, 以使该设备能方便地在HFC 网络、微波MMDS 或8GHZ 系统、SDH 或PDH 等网络中应用, 如图1所示。

图1 编码器的结构框图。

　　3 MPEG- 2视频编码系统及关键技术

　　MPEG - 2 图像压缩的原理是利用图像中的两种特性: 空间相关性和时间相关性。一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的, 因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系, 这种关系叫作空间相关性; 一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成, 一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系, 这种关系叫作时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息, 如果我们能将这些冗余信息去除, 只保留少量非相关信息进行传输, 就可以大大节省传输频带,而接收机利用这些非相关信息, 按照一定的解码算法,就可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像, 一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。

　　MPEG - 2 中的编码图像分为3 类, 分别称为I帧、P帧和B帧。

　　I帧图像采用帧内编码方式, 即只利用单帧图像内的空间相关性, 而没有利用时间相关性。I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取以及节目的切换和插入, I帧图像的压缩倍数相对较低, I帧图像周期性出现在图像序列中, 出现频率可由编码器选择。

　　P帧和B 帧图像采用帧间编码方式, 即同时利用空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测, 可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分, 即P帧中的每一个宏块可以是前向预测, 也可以是帧内编码。B 帧图像采用双向时间预测, 可以大大提高压缩倍数。值得注意的是, 由于B 帧图像采用了未来帧作为参考, 因此MPEG- 2编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。

　　MPEG - 2的编码码流分为6个层次。为更好地表示编码数据, MPEG- 2用句法规定了一个层次性结构, 它分为6层, 自上到下分别是: 图像序列层、图像组( GOP)、图像、宏块条、宏块、块。MPEG - 2标准的主要应用如下:  视音频资料的保存;  非线性编辑系统及非线性编辑网络;  微波、卫星、光缆传输; 电视节目的播出。

　　4 数字电视的信源编解码技术

　　在全数字电视技术中, 有两个很关键的编码技术即信源编码和信道编码, 它们就是采用MPEG - 2 技术, 信源编码的主要任务是解决图像信号的压缩和保存问题, 信道编码的主要任务是解决图像信号的传输问题。图像信号的数据量大, 如不进行压缩, 数字电视信号就无法实时传送, 而压缩的主要方式就是除去冗余信号。所谓冗余信号是指那些与信息无关的或对图像质量影响不大的多余部分, 这就是MPEG - 2 图像压缩的原理。

　　( 1) 空间冗余。一幅图像由数十万个像素组成,相邻两个甚至几个像素之间有很大的相似性(或称相关性), 在传送时会出现连续传送许多相同数据的情况, 称之为空间冗余, 利用某种编码方法(如正交变换编码) , 去掉空间上的冗余信息, 减少传输和记录码率。

　　( 2) 时间冗余。电视图像也有很强的时间相关性, 对于25帧/ s的图像来说, 通常情况下前一帧图像和后一帧图像的差别很小, 大部分画面内容相同, 这表明相邻两幅图像的相关性非常大, 而图像之间相隔较远时, 其图像的相关性才逐步减小, 而且这种相关性很强的图像变化时一般都是有规律的, 也就是说每一幅图像的变化是可预测的。利用图像的时间冗余特性,把图像信号在时间上的冗余信息去掉, 也可以减小传输和记录码率。

　　( 3) 统计冗余。图像和声音信号数字化后遵循一定的统计规律, 如在图像预测编码系统下, 当前像素信号的预测值是由前几个相邻像素值或该像素在前一段上的时间值预测出来的。根据图像的空间相关性和时间相关性可知预测误差小的信号出现的概率大, 相反则出现概率小。采用统计编码的方法, 对出现概率大的小误差信号值用短码, 而对出现概率小的大误差信号值用长码, 这样就去掉了信号在统计上的冗余信息。

　　( 4) 知觉冗余。人的视听器官都具有某些不敏感性。知觉冗余是指处于人们视觉和听觉分辨力不敏感或达不到的视音频信号, 对这些无关紧要的信息给与较大的失真处理, 人们并不会明显地感到图像和声音质量的降低, 甚至毫无觉察。因此在编码时可以分长码和短码来对不同的内容进行编码, 这叫作有所为和有所不为, 从而达到减小码率的目的。

　　5 数字电视的复用系统

　　经过信源编码后的图像信号送入多路复用器中与数字音频信号进行多路复用, 然后送入信道编码器。

　　模拟电视系统不存在复用器, 视音频信号分别传送, 但在数字电视中, 则是将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流, 经处理复合成单路串行的比特流,送给信道编码及调制。接收端与此过程正好相反, 电视信号数据经过打包后, 使其具备可扩展性、分级性、交互性。

　　6 数字电视的信道编解码及调制解调

　　信源编码是经过压缩消去数据冗余, 实现信源码率与信道容量的匹配, 解决了传输的可能性。而数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网络编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力, 保证传输信号的可靠性。信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元, 从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。因此它与信源编码是矛盾的一对, 系统设计者必须考虑在有限的宽带中尽量提高有效性和可靠性。