淺議電視信號(hào)的數(shù)字化與碼率壓縮

電視系統(tǒng)的數(shù)字化是大勢(shì)所趨

　　其原因在于，相對(duì)于模擬電視而言，數(shù)字電視具有如下優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)接切換和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，不會(huì)有干擾和失真的積累，抗干擾性能強(qiáng)，圖像質(zhì)量好；數(shù)字電視系統(tǒng)主要由數(shù)字集成電路組成，系統(tǒng)的性能和可靠性可望大幅度提高；它可以實(shí)現(xiàn)模擬電視不易高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的功能。譬如：時(shí)軸處理、制式轉(zhuǎn)換、特技等功能；它也易于實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，以完成圖像質(zhì)量的改善、壓縮頻帶、二維濾波等功能；在傳輸中，它易于將圖像信號(hào)和伴音信號(hào)時(shí)分復(fù)用，充分利用數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性。

　　電視設(shè)備數(shù)字化的一個(gè)巨大推動(dòng)力得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型CPU的運(yùn)算速度與功能正在迅速增長(zhǎng)，使得普通微機(jī)已具有工作站的能力，專用圖像處理和聲音處理芯片使得原本復(fù)雜的圖像處理和聲音處理可以借助微機(jī)的視卡和聲卡輕易完成；加上碼率壓縮技術(shù)的進(jìn)步和完善，在多個(gè)較大的計(jì)算機(jī)硬盤上存放較長(zhǎng)時(shí)間的具有播出質(zhì)量的圖像已不成問(wèn)題，由此而產(chǎn)生的集編輯、切換、數(shù)字特技和動(dòng)畫于一身的非線性編輯系統(tǒng)、視頻工作站、桌上演播室系統(tǒng)已經(jīng)成為電視設(shè)備發(fā)展的另一個(gè)方向。

　　電視系統(tǒng)數(shù)字化的另一個(gè)動(dòng)力是來(lái)自觀眾的需要，人們已不再滿足于普通電視的畫面質(zhì)量水平，渴望看到更好更清晰的高清晰度電視，數(shù)字高清晰度電視便成為一種理所當(dāng)然的選擇。

　　要實(shí)現(xiàn)電視系統(tǒng)的全面數(shù)字化，首先要了解：

電視信號(hào)數(shù)字化的含義

　　模擬電視系統(tǒng)，在電視信號(hào)的產(chǎn)生、處理、記錄、傳送和接收的過(guò)程中，使用的都是模擬信號(hào)，即在時(shí)間上和幅度上連續(xù)的信號(hào)；而數(shù)字信號(hào)，則是在時(shí)間和幅度上都經(jīng)過(guò)離散化的信號(hào)；將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，最基本的方法是所謂脈沖編碼調(diào)制（PCM）法，運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散，其理論基礎(chǔ)是奈奎斯特抽樣定理。量化是用有限個(gè)幅度近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的幅度離散化。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。收端經(jīng)過(guò)譯碼和濾波將數(shù)字信號(hào)還原成為模擬信號(hào)，稱為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，鑒于這個(gè)過(guò)程是最基本的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，一般人都比較清楚，在此不再贅述。但是，我們需要了解一下：

彩色電視信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)－－CCIR601號(hào)建議

　　大家經(jīng)常提到CCIR601號(hào)建議，這個(gè)文件是向著數(shù)字電視廣播系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化邁出的第一步，在該建議中，規(guī)定了625和525行系統(tǒng)電視中心演播室數(shù)字編碼的基本參數(shù)值。

　　601號(hào)建議單獨(dú)規(guī)定了電視演播室的編碼標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)彩色電視信號(hào)的編碼方式，取樣頻率，取樣結(jié)構(gòu)都作了明確的規(guī)定。

　　下面，對(duì)CCIR601號(hào)建議作幾點(diǎn)簡(jiǎn)要說(shuō)明：

　　⒈它規(guī)定彩色電視信號(hào)采用分量編碼；所謂分量編碼就是彩色全電視信號(hào)在轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式之前，先被分離成亮度信號(hào)和色差信號(hào)，然后對(duì)它們分別進(jìn)行編碼，分量信號(hào)（Y，B-Y，R-Y，或R，G，B）被分別編碼后，再合成數(shù)字信號(hào)。

　　⒉它規(guī)定了取樣頻率與取樣結(jié)構(gòu),例如：在4:2:2等級(jí)的編碼中，規(guī)定亮度信號(hào)和色差信號(hào)的取樣頻率分別為13.5Mhz和6.75Mhz，取樣結(jié)構(gòu)為正交結(jié)構(gòu),即按行、場(chǎng)、幀重復(fù),每行中的R-Y和B-Y取樣與奇次（1,3,5,……）Y的取樣同位置，即取樣結(jié)構(gòu)是固定的，取樣點(diǎn)在電視屏幕上的相對(duì)位置不變。

　　⒊它規(guī)定了編碼方式，對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行線性PCM編碼，每個(gè)取樣點(diǎn)取8比特量化；同時(shí)，規(guī)定在數(shù)字編碼時(shí)，不使用A/D轉(zhuǎn)換的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，只給亮度信號(hào)分配220個(gè)量化級(jí)，黑電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)16，白電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)235；為每個(gè)色差信號(hào)分配224個(gè)量化級(jí)，色差信息的零電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)128。

　　綜上所述，我們知道，分量信號(hào)的編碼數(shù)據(jù)流是很高的。以4:2:2編碼標(biāo)準(zhǔn)為例，其比特流為：13.5*8+6.75*8*2=216兆比特/秒。若對(duì)復(fù)合信號(hào)直接編碼，其抽樣頻率取為13.3Mhz，則PCM編碼的碼率為：13.3*8=106.4兆比特/秒。

　　現(xiàn)在盡管有了多種能夠記錄與重放未經(jīng)壓縮的全數(shù)字電視信號(hào)的錄像機(jī)；使得演播室內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量的記錄與還原成為現(xiàn)實(shí)。但從上式中可以看出，即使以數(shù)字復(fù)合信號(hào)的帶寬而言（在理想情況下，其帶寬為53.2Mhz），也比傳送一路模擬電視信號(hào)所要求的帶寬提高了接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯然用目前的電視頻道傳送他們是不可能的，更不用說(shuō)用普通計(jì)算機(jī)硬盤去儲(chǔ)存這些信號(hào)（大概只能存幾十秒鐘），因此，數(shù)字電視的中心問(wèn)題是要成倍地降低數(shù)字信號(hào)碼元的傳送速率（即壓縮碼率），消除電視信號(hào)中的多余信息（冗余量）和采用高效編碼方法；也就是本文所要重點(diǎn)討論的：

碼率壓縮技術(shù)

　　早在七十年代，科學(xué)家們就曾為衛(wèi)星遙感圖像的傳輸，存儲(chǔ)和處理絞盡腦汁，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的探索，人們發(fā)現(xiàn)，電視信號(hào)存在著很大的冗余度，即電視圖像的像元之間存在著很大的相關(guān)性，除了空間軸上的冗余度之外（即各像素之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性），在時(shí)間軸上也有冗余度（電視信號(hào)前一場(chǎng)信號(hào)與其后若干場(chǎng)信號(hào)中大部分像素沒(méi)有發(fā)生變化，尤其是靜止畫面，或者是運(yùn)動(dòng)不太激烈的畫面）。

　　那么，根據(jù)像元之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種運(yùn)算變換，使變換后圖像比特?cái)?shù)少于原始圖像的比特?cái)?shù)，也就是將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮的方法稱為碼率壓縮技術(shù)。

常見(jiàn)有如下方法：

　　⒈降低抽樣頻率的壓縮碼率技術(shù)。

　　降低抽樣頻率能夠壓縮碼率這是十分自然的，但是，奈氏定理指出，當(dāng)抽樣頻率Fs<2Fm時(shí)，頻譜發(fā)生重迭，則采用低通濾波器無(wú)法無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)；不過(guò)，電視圖像信號(hào)的能量主要集中在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內(nèi)，中間存在很大的空隙，因此，若把抽樣頻率Fs選為半行頻的奇數(shù)倍，就可使Fs<2Fm時(shí)出現(xiàn)的頻譜混迭部分形成半行頻交錯(cuò)。可以采用具有相應(yīng)頻率特性的梳狀濾波器將其選出，以較小的失真恢復(fù)原始信號(hào)，稱之為亞奈奎斯特抽樣技術(shù)。

　　⒉差值脈沖編碼（DPCM）

　　差值脈碼調(diào)制，可以消除電視信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性冗余度，因此大大地壓縮了碼率。DPCM又稱為預(yù)測(cè)量化系統(tǒng)，它所傳輸?shù)牟皇切盘?hào)本身，而是實(shí)際信號(hào)與其預(yù)測(cè)量之間的差值（預(yù)測(cè)誤差）。預(yù)測(cè)值是借助已經(jīng)傳送的，與待傳抽樣相鄰的若干抽樣值估計(jì)（預(yù)測(cè)）出來(lái)的。由于電視信號(hào)的強(qiáng)相關(guān)性，鄰近抽樣的取值一般很接近，因此預(yù)測(cè)能有較高的準(zhǔn)確性。從統(tǒng)計(jì)上講，需要傳輸?shù)念A(yù)測(cè)誤差主要集中在零附近的一個(gè)小范圍之內(nèi)，比信號(hào)本身小很多，只有在圖象輪廊和邊緣處才出現(xiàn)較大的預(yù)測(cè)誤差，但這只是少量的，且人眼很不易察覺(jué)這種誤差。因此，預(yù)測(cè)誤差量化所需要的量化級(jí)較少，從而碼率得到壓縮。

　　⒊線性變換編碼：

　　線性變換編碼不直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)編碼，而是首先將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行某種線性變換，得到一組變換系數(shù)，然后對(duì)這些系數(shù)實(shí)現(xiàn)量化、編碼、傳輸。在接收端，對(duì)收到的變換系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的逆變換，再恢復(fù)成圖像信號(hào)。這樣做的理由是對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行壓縮編碼，往往比直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)本身進(jìn)行壓縮更容易獲得高的效率。以大家熟悉的付立葉變換為例，它是以通常在歐氏空間描寫的圖像信號(hào)變換到頻率空間（頻域）去描寫，付氏變換的物理意義是頻譜展開(kāi)，對(duì)一幅圖像進(jìn)行二維付立葉變換就是在縱和橫的兩個(gè)方向進(jìn)行二維頻譜展開(kāi)，由于信號(hào)與其頻譜之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，傳輸頻譜在接收端同樣可以恢復(fù)信號(hào)，而傳送頻譜往往比傳送信號(hào)本身簡(jiǎn)單。由于電視信號(hào)的能量主要集中在低頻部分，能量密度隨頻率升高而迅速下降，加之考慮到人眼對(duì)圖像中的高頻細(xì)節(jié)不甚敏感的特點(diǎn)，因此，在頻率域編碼時(shí)，可以用較多的碼位對(duì)幅度大的低頻分量進(jìn)行量化，而用較少的碼對(duì)幅度小的高頻分量進(jìn)行量化，對(duì)于頻率特別高的分量甚至于可以舍棄不傳，從而就整體而言，碼率可以明顯下降。

　　從理論上講，線性變換編碼，可以壓縮碼率的原因在于圖像信號(hào)存在很強(qiáng)的相關(guān)性，這種強(qiáng)相關(guān)性在頻率域的反映是功率大部分集中在低頻段，從而有可能利用頻率域?yàn)V波的方式獲得大的壓縮比。

　　線性變換除了付立葉變換外，還有沃爾什哈達(dá)瑪變換、斜變換、離散余弦變換（DCT）、卡洛（K-L）變換等等，其中DCT因其壓縮效果較好而受到廣泛應(yīng)用。據(jù)此，下面重點(diǎn)討論一下：

關(guān)于離散余弦變換（DCT）

　　離散余弦變換DCT（DiscreteCosineTransform）是數(shù)碼率壓縮需要常用的一個(gè)變換編碼方法。任何連續(xù)的實(shí)對(duì)稱函數(shù)的付立葉變換中只含余弦項(xiàng)，因此余弦變換與付立葉變換一樣有明確的物理意義。DCT是先將整體圖像分成N*N像素塊，然后對(duì)N*N像素塊逐一進(jìn)行DCT變換。由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，相應(yīng)于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對(duì)高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數(shù)碼率。到達(dá)接收端后通過(guò)反離散余弦變換回到樣值，雖然會(huì)有一定的失真，但人眼是可以接受的。