數(shù)字電視信源編解碼技術(shù)及應(yīng)用

　　MPEG - 2 中的編碼圖像分為3 類, 分別稱為I幀、P幀和B幀。

　　I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式, 即只利用單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性, 而沒(méi)有利用時(shí)間相關(guān)性。I幀主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取以及節(jié)目的切換和插入, I幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低, I幀圖像周期性出現(xiàn)在圖像序列中, 出現(xiàn)頻率可由編碼器選擇。

　　P幀和B 幀圖像采用幀間編碼方式, 即同時(shí)利用空間和時(shí)間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分, 即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測(cè), 也可以是幀內(nèi)編碼。B 幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè), 可以大大提高壓縮倍數(shù)。值得注意的是, 由于B 幀圖像采用了未來(lái)幀作為參考, 因此MPEG- 2編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。

　　MPEG - 2的編碼碼流分為6個(gè)層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù), MPEG- 2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu), 它分為6層, 自上到下分別是: 圖像序列層、圖像組( GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG - 2標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用如下: 視音頻資料的保存; 非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網(wǎng)絡(luò); 微波、衛(wèi)星、光纜傳輸; 電視節(jié)目的播出。

　　4 數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù)

　　在全數(shù)字電視技術(shù)中, 有兩個(gè)很關(guān)鍵的編碼技術(shù)即信源編碼和信道編碼, 它們就是采用MPEG - 2 技術(shù), 信源編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的壓縮和保存問(wèn)題, 信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的傳輸問(wèn)題。圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量大, 如不進(jìn)行壓縮, 數(shù)字電視信號(hào)就無(wú)法實(shí)時(shí)傳送, 而壓縮的主要方式就是除去冗余信號(hào)。所謂冗余信號(hào)是指那些與信息無(wú)關(guān)的或?qū)D像質(zhì)量影響不大的多余部分, 這就是MPEG - 2 圖像壓縮的原理。

　　( 1) 空間冗余。一幅圖像由數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素組成,相鄰兩個(gè)甚至幾個(gè)像素之間有很大的相似性(或稱相關(guān)性), 在傳送時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況, 稱之為空間冗余, 利用某種編碼方法(如正交變換編碼) , 去掉空間上的冗余信息, 減少傳輸和記錄碼率。

　　( 2) 時(shí)間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性, 對(duì)于25幀/ s的圖像來(lái)說(shuō), 通常情況下前一幀圖像和后一幀圖像的差別很小, 大部分畫面內(nèi)容相同, 這表明相鄰兩幅圖像的相關(guān)性非常大, 而圖像之間相隔較遠(yuǎn)時(shí), 其圖像的相關(guān)性才逐步減小, 而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時(shí)一般都是有規(guī)律的, 也就是說(shuō)每一幅圖像的變化是可預(yù)測(cè)的。利用圖像的時(shí)間冗余特性,把圖像信號(hào)在時(shí)間上的冗余信息去掉, 也可以減小傳輸和記錄碼率。

　　( 3) 統(tǒng)計(jì)冗余。圖像和聲音信號(hào)數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 如在圖像預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)下, 當(dāng)前像素信號(hào)的預(yù)測(cè)值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測(cè)出來(lái)的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測(cè)誤差小的信號(hào)出現(xiàn)的概率大, 相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計(jì)編碼的方法, 對(duì)出現(xiàn)概率大的小誤差信號(hào)值用短碼, 而對(duì)出現(xiàn)概率小的大誤差信號(hào)值用長(zhǎng)碼, 這樣就去掉了信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。

　　( 4) 知覺(jué)冗余。人的視聽(tīng)器官都具有某些不敏感性。知覺(jué)冗余是指處于人們視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號(hào), 對(duì)這些無(wú)關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理, 人們并不會(huì)明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低, 甚至毫無(wú)覺(jué)察。因此在編碼時(shí)可以分長(zhǎng)碼和短碼來(lái)對(duì)不同的內(nèi)容進(jìn)行編碼, 這叫作有所為和有所不為, 從而達(dá)到減小碼率的目的。

　　5 數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)

　　經(jīng)過(guò)信源編碼后的圖像信號(hào)送入多路復(fù)用器中與數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用, 然后送入信道編碼器。

　　模擬電視系統(tǒng)不存在復(fù)用器, 視音頻信號(hào)分別傳送, 但在數(shù)字電視中, 則是將視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來(lái)的數(shù)據(jù)比特流, 經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流,送給信道編碼及調(diào)制。接收端與此過(guò)程正好相反, 電視信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)打包后, 使其具備可擴(kuò)展性、分級(jí)性、交互性。

　　6 數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)

　　信源編碼是經(jīng)過(guò)壓縮消去數(shù)據(jù)冗余, 實(shí)現(xiàn)信源碼率與信道容量的匹配, 解決了傳輸?shù)目赡苄?。而?shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過(guò)糾錯(cuò)編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、均衡等技術(shù)提高信號(hào)的抗干擾能力, 保證傳輸信號(hào)的可靠性。信道編碼的過(guò)程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元, 從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的。因此它與信源編碼是矛盾的一對(duì), 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮在有限的寬帶中盡量提高有效性和可靠性。