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数字电视编码技术的发展简介
作者:刘中枢
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随着广播电视技术的发展和广播电视设备的更新,电视领域发生了一系列巨大的变化,会议电视、VCD、DVD、数字电视以及高清晰度电视(HDTV)等新技术和新系统正迅速走进我们的生活。与传统的模拟电视相比,这些新系统的突出特点是采用了全数字的图像/声音处理技术。针对不同的应用领域,一系列相应的数字视频音频编码标准也迅速地被制定并不断得到完善,其中包括: 应用于会议电视及可视电话的H.261,用于静止图像压缩的JPEG,用于VCD的MPEG-1、用于广播电视、DVD以及HDTV的MPEG-2、用于网络电视的MPEG-4等。与此同时,数字演播室标准及数字电视的质量评价标准也制定出来。

数字电视

数字电视可从节目内容、技术角度和用户角度来解释。从用户收视角度解释,用户采用IRD或数字电视接收机(DVB接口)收看的节目,方为真正意义上的数字电视节目;按节目内容来源划分,数字电视节目可以是电视节目,也可以是电影;从技术角度解释,数字电视节目可以是以数字方式拍摄、制作、存储、播出和传输的电影和电视,也可以是以前库存的资料片经数字化处理所制成的电影和电视。

数字电视传输方式

数字电视节目可以在不同的传播介质中,采用不同的技术传输到用户接收端。数字电视的传输手段主要有卫星、地面发射、HFC网络、SDH等,其中SDH主要用于数字电视节目的长距离传输。

由于我国的数字电视标准是在移植欧洲数字视频广播标准(DVB,由ISO/ICE 13818描述)的基础上制定的,目前,正在推广使用的有DVB-C,DVB-T,DVB-S三种。DVB-S(QPSK调制)为数字电视卫星广播采用;DVB-T(OFDM调制)为地面无线发射的数字电视广播采用;DVB-C(QAM调制)为地面HFC网络数字电视广播采用。我国已完成了广播电视卫星传输的数字化改造,已经形成了以DVB-S技术构架的数字电视卫星广播网,DVB-T的实验播出正在准备之中,而作为数字电视广播在国内的主要覆盖手段的DVB-C,已在开始在HFC网络中大力推广。

数字电视编码技术

目前MPEG已颁布了四个活动图像及声音编码的正式国际标准,分别称为MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4和MPEG-7。

1.MPEG-1编码

MPEG-1标准是:在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编码,编码码率最高为1.5Mb/s,标准的正式规范在ISO/IEC11172中。MPEG-1所支持的输入图像格式是SIF格式。SIF有525/625两种格式:352×240×30和352×288×25。MPEG-1是一个开放的,统一的标准,在商业上获得了巨大的成功。尽管其图像质量仅相当于VHS视频的质量,还不能满足广播级的要求,但已广泛应用于VCD等家庭视像产品中。

2.MPEG-2编码

MPEG-2标准是:针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,编码码率3Mb/s~100Mb/s,标准的正式规范在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级,MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送,被认定为SDTV和HDTV的编码标准。MPEG-2还专门规定了多路节目的复分接方式。此外,MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。

MPEG-2视频编码标准是一个分等级的系列,按编码图像的分辨率分成四个“级(Levels)”;按所使用的编码工具的集合分成五个“类(Profiles)”。“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集:对某一输入格式的图像,采用特定集合的压缩编码工具,产生规定速率范围内的编码流。

我们知道,当前模拟电视存在着PAL,NTSC和SECAM三大制式并存的问题,因此,数字电视的输入格式标准试图将这三种制式统一起来,形成一种统一的数字演播室标准,这个标准就是CCIR601,现称ITU-RRec.BT601标准。MPEG-2中的四个输入图像格式“级”都是基于这个标准的。低级(Low Level)的输入格式的像素是ITU-RRec.BT601格式的1/4,即352×240×30(代表图像帧频为每秒30帧,每帧图像的有效扫描行数为240行,每行的有效像素为352个),或352×288×25。低级之上的主级(Main Level)的输入图像格式完全符合ITU-RRec.BT601格式,即720×480×30或720×576×25。主级之上为HDTV范围,基本上为ITU-RRec.BT601格式的4倍,其中1440高级(High-1440Level)的图像宽高比为4∶3,格式为1440×1080×30,高级(High Level)的图像宽高比为16∶9,格式为1920×1080×30。
在MPEG-2的五个“类”中,较高的“类”意味着采用较多的编码工具集,对编码图像进行更精细的处理,在相同比特率下将得到较好的图像质量,当然实现的代价也较大。较高类编码除使用较低类的编码工具外,还使用了一些较低类没有使用的附加工具。因此,较高类的解码器除能解码用本类方法编码的图像外,也能解码用较低类方法编码的图像,即MPEG-2的“类”之间具有后向兼容性。简单类(Simple Profile)使用最少的编码工具。主类(Main Profile)除使用所有简单类的编码工具外,还加入了一种双向预测的方法。信噪比可分级类(SNR Scalable Profile)和空间可分级类(Spatially Scalable Profile)提供了一种多级广播的方式,将图像的编码信息分为基本信息层和一个或多个次要信息层。基本信息层包含对图像解码至关重要的信息,解码器根据基本信息即可进行解码,但图像的质量较差。次要信息层中包含图像的细节。广播时对基本信息层加以较强的保护,使其具有较强的抗干扰能力。这样,在距离较近,接收条件较好的情况下,可以同时收到基本信息和次要信息,恢复出高质量的图像;而在距离较远,接收条件较差的条件下,仍能收到基本信息,恢复出图像,不至造成解码中断。高级类(High Profile)实际上应用于比特率更高,要求更高的图像质量时,此外,前四个类在处理Y,U,V时是逐行顺序处理色差信号的,高级类中还提供同时处理色差信号的可能性。

目前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级,而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。

3.MPEG-4编码

MPEG-4标准是:视频编码经历了H.261、MPEG-1到MPEG-2的变迁。对广播来说已经是相当完备的系统标准,但对于通信和计算机应用仍是不足。于是MPEG-4的系统层在原有ES流复用层(FlexMux)的基础上扩展了传送复用层(TransMux),几乎包括了所有多媒体、存贮媒体和通信的接口,如(RTP)UDP IP,PES MPEG-2 TS,AAL ATM,H223 PSTN,DABMux等等。使得MPEG-4的系统应用极其广泛。在信源方面,不是简单地对连续的图像和声音进行压缩,而是对图像和声音进行详细的分解和描述,将计算机中“对象”(Objects)的概念引入MPEG-4,对音视频对象和背景及文字分别进行压缩,甚至采用参数控制综合合成的办法还原图像和声音,使效率大大提高。如播音员脸部动画的综合,文字到声音的语音合成等,使解码处理可扩展到对象的缩放,具有a通道的对象透明度调整等复杂场景。也即除自然图像外,增加了人工合成,创造和处理的痕迹。MPEG-4的类和级也有很大的变化,对视像内容来说,分为自然视频内容,自然和合成混合图像内容两部分。自然视频内容的类又分为五类:简单视像类,用于移动通信;简单可分级视像类,用于有质量分级的互联网的软件解码;核心视像类,对简单视像类补充任意形状和随时间缩放的对象的编码,用于互联网多媒体应用;主视像类,对核心视像类补充隔行、半透明和子图画对象编码,用于交互多媒体质量的广播和DVD的应用;N-比特视像类,对核心视像类对象的样本量化深度进行调节,可有4到12比特量化的核心视像类,用于监视等应用。对于合成的自然图像混合视像内容又有四类:简单面部动画视像类、可分级纹理视像类、基本动画2D纹理视像类和混合视像类。图形类共有两类:2D图形类和完全的图形类。场景描述类共有五类:简单场景类、2D场景类、虚拟现实模块语言(VRML)场景类、音频场景类和完全场景类。音频的类型有:话音类、低码率合成音频类、可分级音频类和主音频类。级是对比特率、取样率、图像分辨率及复杂性进行分级。不可能有没有级的类,但有的类只有一级。 MPEG-4目前有了版本1、版本2,将包括以对象为基础的空间可分级性。MPEG-4版本2应用的例子是HomeNet Processing Laboratory 和逐行扫描清晰度电视编码器,使用MPEG-4空间可分级对1080行 60帧逐行扫描高清晰度电视进行编码,MPEG-4空间可分级的性能通常优于MPEG-2/4单层编码,而且所需的帧存也要少12.5%,而且1080P很容易下变换到1080I和720P,该实验将高质量1080P/60的传输码率降至18Mb/s。

4.MPEG-7编码

MPEG-7标准是:MPEG-7不是一个信源编码标准,而是有关内容和对象的描述标准,以便对内容进行更好的管理和再利用,这就要求对内容做出准确的描述,这就是元数据(Meta Data)。所谓元数据就是描述数据特性的数据,因为在传输系统和处理系统看来,无论是视频、音频和数据都是数据,必须加以描述。如SMPTE/EBU比特流节目素材交换协调标准是用来描述音视频素材的,用于节目交换的内容描述标准。MPEG-4中用于对象内容识别的描述(OCI:Object Content Identifiers),用于音视频数据库用来描述各素材的数据等应用。MPEG-7用来描述内容的标准,可分为正式元素和非正式元素两部分。其正式的基本元素有:描述子(Descriptors)、描述方案(Description Schemes)、描述定义语言(Description)和编码的描述(Coded Description)。非正式的基本元素有:描述子值(Descriptor Value)、特性(Features)、描述(Description)和编码的描述(Coded Description)。目前的应用主要有节目制作管理和节目资源的管理,数据库中相关素材直到相关音视频对象的检索,业务端到终端交互业务,版权识别,自生成数据库等方面。元数据的制作和应用将推进节目制作工具的建设。 离内容稍微远一点是应用编程接口(API:Application Programming Interface)。API是应用程序是设备底层之间的接口,如一个机顶盒有CPU、输入输出器件、存储器、图形引擎、MPEG解码等。这些底层的器件要通过传送协议、虚拟机、浏览器等应用软件进行控制,而应用软件则实现人机对话。机顶盒功能的实现及其应用范围都直接与API有关,因此各国和各标准组织都非常重视。这方面最早的努力是MHEG(多媒体与超媒体信息编码专家组),它是一种解释语言,提供能用于机顶盒的对象的类,使其可以显示经常使用的形状和文字,提供交互或定时,或由一个场景连接到另一场景,或有一个场景的某一部分来启动某个应用等。

了解和掌握数字电视的编码技术,是每一个电视工作人员必须熟悉的知识,特别是工程技术人员更应该掌握电视技术的发展,用于更新观念、熟悉设备、指导日常工作。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/19/2005)
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