視頻壓縮技術(shù)解析

3. 均勻量化和非均勻量化
在輸入信號的動態(tài)范圍內(nèi)， 量化間隔幅度都相等的量化稱為均勻量化或線性量化。 對于量化間距固定的均勻量化， 信噪比隨輸入信號幅度的增加而增加， 在強信號時固然可把噪波淹沒掉， 在弱信號時， 噪波的干擾就十分顯著。
為改善弱信號時的信噪比， 量化間距應(yīng)隨輸入信號幅度而變化， 大信號時進行粗量化， 小信號時進行細量化， 也就是采用非均勻量化(或稱非線性量化)。

非均勻量化有兩種方法， 一是把非線性處理放在編碼器前和解碼器后的模擬部分， 編、 解碼仍采用均勻量化， 在均勻量化編碼器之前， 對輸入信號進行壓縮， 這樣等效于對大信號進行粗量化， 小信號進行細量化； 在均勻量化解碼器之后， 再進行擴張， 以恢復(fù)原信號。 另一種方法是直接采用非均勻量化器， 輸入信號大時進行粗量化(量化間距大) ， 輸入信號小時細量化(量化間距小)。 也有采用若干個量化間距不等的均勻量化器， 當輸入信號超過某一電平時進入粗間距均勻量化器， 低于某一電平時進入細間距量化器， 稱為準瞬時壓擴方式。

通常用Q表示量化， 用Q-1表示反量化。 量化過程相當于由輸入值找到它所在的區(qū)間號， 反量化過程相當于由量化區(qū)間號得到對應(yīng)的量化電平值。 量化區(qū)間總數(shù)遠遠少于輸入值的總數(shù)， 所以量化能實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。 很明顯， 反量化后并不能保證得到原來的值， 因此量化過程是一個不可逆過程， 用量化的方法來進行壓縮編碼是一種非信息保持型編碼。 通常這兩個過程均可用查表方法實現(xiàn)， 量化過程在編碼端完成， 而反量化過程則在解碼端完成。

對量化區(qū)間標號(量化值)的編碼一般采用等長編碼方法。 當量化分層總數(shù)為K時， 經(jīng)過量化壓縮后的二進制數(shù)碼率為lbK比特／量值。 在一些要求較高的場合， 可采用可變字長編碼如哈夫曼編碼或算術(shù)編碼來進一步提高編碼效率。
6.1.3 ITU-R BT.601分量數(shù)字系統(tǒng)
數(shù)字視頻信號是將模擬視頻信號經(jīng)過取樣、 量化和編碼后形成的。 模擬電視有PAL、 NTSC等制式， 必然會形成不同制式的數(shù)字視頻信號， 不便于國際數(shù)字視頻信號的互通。 1982年10月, 國際無線電咨詢委員會(CCIR， Consultative Committee for International Radio)通過了第一個關(guān)于演播室彩色電視信號數(shù)字編碼的建議， 1993年變更為ITU-R(國際電聯(lián)無線電通信部分， International Telecommunications Union-Radio communications Sector)BT.601分量數(shù)字系統(tǒng)建議。

BT.601建議采用了對亮度信號和兩個色差信號分別編碼的分量編碼方式， 對不同制式的信號采用相同的取樣頻率13.5 MHz， 與任何制式的彩色副載波頻率無關(guān)， 對亮度信號Y的取樣頻率為13.5 MHz。 由于色度信號的帶寬遠比亮度信號的帶寬窄， 對色度信號U和V的取樣頻率為6.75 MHz。 每個數(shù)字有效行分別有720個亮度取樣點和360×2個色差信號取樣點。 對每個分量的取樣點都是均勻量化， 對每個取樣進行8比特精度的PCM編碼。
這幾個參數(shù)對525行、 60場／秒和625行50場／秒的制式都是相同的。 有效取樣點是指只有行、 場掃描正程的樣點有效， 逆程的樣點不在PCM編碼的范圍內(nèi)。 因為在數(shù)字化的視頻信號中， 不再需要行、 場同步信號和消隱信號， 只要有行、 場(幀)的起始位置即可。 例如， 對于PAL制， 傳輸所有的樣點數(shù)據(jù)， 大約需要200 Mb／s的傳輸速率， 傳輸有效樣點只需要160 Mb／s左右的速率。
色度信號的取樣率是亮度信號取樣率的一半， 常稱作4∶2∶2格式， 可以理解為每一行里的Y、 U、 V的樣點數(shù)之比為4∶2∶2。
6.1.4 熵編碼
熵編碼(Entropy Coding)是一類無損編碼， 因編碼后的平均碼長接近信源的熵而得名。 熵編碼多用可變字長編碼(VLC， Variable Length Coding)實現(xiàn)。 其基本原理是對信源中出現(xiàn)概率大的符號賦以短碼， 對出現(xiàn)概率小的符號賦以長碼， 從而在統(tǒng)計上獲得較短的平均碼長。 所編的碼應(yīng)是即時可譯碼， 某一個碼不會是另一個碼的前綴， 各個碼之間無需附加信息便可自然分開。

1. 霍夫曼(Huffman)編碼
霍夫曼（Huffman）編碼是一種可變長編碼, 編碼方法如圖6-2所示。
(1) 將輸入信號符號以出現(xiàn)概率由大至小為序排成一列。
(2) 將兩處最小概率的符號相加合成為一個新概率， 再按出現(xiàn)概率的大小排序。
(3) 重復(fù)步驟(2)， 直至最終只剩兩個概率。
(4) 編碼從最后一步出發(fā)逐步向前進行， 概率大的符號賦予“0”碼， 另一個概率賦予“1”碼， 直至到達最初的概率排列為止。

圖 6-2 霍夫曼(Huffman)編碼