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第51章 数字电视传播(3)

(3)等离子(PDP)显示器

等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置。在显示屏两层玻璃中间排列有上千个密封的小低压气体室(一般是氙气和氖气的混合物),电流激发气体,使其发出肉眼看不见的紫外光,这种紫外光碰击后层玻璃上的红、绿、蓝三色荧光粉,形成显示屏上看到的可见光。

随着数字技术的日益成熟,更多、更完善的高新技术成果应用于显示技术,LCOS(反射式液晶投影)显示器、DLP(数字光处理)显示器、OELD(有机电致发光)显示器、LED(发光二极管)显示器等显示技术逐渐形成了自己的市场定位及应用领域。高清晰度、大屏幕、平板化、节能环保必将成为21世纪的主流显示技术。

二、模拟视频的数字化

模拟视频的数字化包括不少技术问题,如电视信号具有不同的制式而且采用YUV信号,而计算机工作在RGB空间;电视机是隔行扫描,计算机显示器大多是逐行扫描;电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因此,模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。

1.数字视频的采样格式

模拟视频数字化一般采用YUV分量信号数字化方式,用三个模/数转换器对三个分量分别进行数字化(采样、量化、编码)。

根据电视信号的特征,亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此数字化时可对信号色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。用Y∶U∶V来表示YUV三分量的采样比例,则数字视频的采样格式分别有4∶1∶1、4∶2∶2和4∶4∶4三种。

4∶1∶1:在每4个连续的采样点上,取4个亮度Y的样本值,而色差U、V分别取其第一点的样本值,共6个样本。这种方式的采样比例与全电视信号中的亮度、色度带宽比例相同,数据量较小。

4∶2∶2:在每4个连续的采样点上,取4个亮度Y的样本值,而色差U、V分别取其第一点和第三点的样本值,共8个样本。这种方式能给信号的转换留有一定余量,效果更好一些。

4∶4∶4:对每个采样点,亮度Y、色差U、V各取一个样本。显然这种方式对原本就具有较高质量的信号源,可以保证其色彩质量,但信息量大。

电视图像既是空间的函数,也是时间的函数,而且又多是隔行扫描方式,所以其采样比静态图像复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点,要把隔行样本组合成逐行样本,然后进行样本点的量化编码,并进行YUV到RGB色彩空间的转换等工作,最后才能得到数字视频数据。

2.模拟视频数字化标准

为了在PAL、NTSC和SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数,国际无线电咨询委员会(CCIR)制定了广播级质量的数字电视编码标准,称为CCIR601(后改为ITU-RBT)标准。在该标准中,对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定,主要有:

(1)采样频率为亮度信号13.5MHz,色差信号6.75MHz。(2)采样后采用线性量化,每个样点的量化比特数用于演播室为10bit,用于传输为8bit。

(3)分辨率与帧率

电视制式、分辨率、帧率

NTS、640×480、30

PAL、SECAM、720×576、25

模拟视频信号数字化后,数据量相当大。以PAL制为例,每一帧按720?576进行采样,4∶2∶2的采样格式、8bit的量化,则每秒钟的数据量约为21MB(亮度信号码流率:720×576×25帧/s×8bit=82.944Mbit/s,色度信号码流率:2×1/2×720×576×25帧/s×8bit=82.944Mbit/s,总码流率165.88/8=20.7Mbyte/s)。这种未压缩的数字视频数据量对目前的计算机和网络来说无论是存储、处理或传输都是不现实的,因此数字视频的关键问题是压缩技术。

三、数字视频压缩国际标准

和数字图像一样,数字视频中也存在大量冗余信息,如空间冗余、频谱冗余、时间冗余,为了减少数字化后的数据量,必须采取压缩处理。视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下提高压缩比。由于视频是连续的静态图像,因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处,但是运动的视频还有其自身的特性,因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩比的目标。

1.视频压缩中的基本概念

有损和无损压缩:在视频压缩中有损和无损的概念与静态图像类似。无损压缩压缩前和解压缩后的数据完全一致,有损压缩则意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致,在压缩过程中要丢失一些人眼不敏感的图像信息,而且丢失的信息不可恢复。

显然,无损压缩是理想的,但它的压缩比通常很小,对数字视频并不适用。

帧内和帧间压缩:帧内压缩也称为空间压缩。当压缩一帧图像时,仅考虑本帧数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息(与静态图像压缩类似)。压缩后的视频数据仍可以帧为单位进行编辑,一般达不到很高的压缩比。帧内一般采用有损压缩算法。帧间压缩也称为时间压缩,它基于许多视频或动画的前后帧信息变化很小的特点,通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩既有无损的,也有有损的。帧差值算法是一种典型的时间压缩法,它通过比较本帧与相邻帧之间的差异,仅记录本帧与其相邻帧的差值,从而大大减少数据量。

对称和不对称编码:对称性是压缩编码的一个关键特征。对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间,对称算法适合于实时压缩和传送视频,如视频会议应用就以采用对称压缩编码算法为好。而在电子出版和其他多媒体应用中,一般是把视频预先压缩处理好,然后再播放,因此可以采用不对称编码。不对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时间,而解压缩时则能较好地实时回放,也就是以不同的速度进行压缩和解压缩。

近年来,视频压缩编码技术得到了迅速发展和广泛应用,并且日臻成熟,其标志是多个视频压缩国际标准的制定。视频压缩国际标准可分为两大系列:国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)的运动图像专家组MPEG(Motion Picture Expert Group)关于活动图像的编码标准MPEG系列,以及国际电信联盟(ITU)的视频编码专家组VCEG(Video Coding Expert Group)制定的视频编码标准H.26X系列。

2.H系列压缩标准

(1)H.261标准:最初是针对在ISDN上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频电视会议而设计的。H.261标准既采用了帧内编码,又采用了帧间编码,因此它的压缩比大约是JPEG的三倍。实际的编码算法类似于MPEG算法,但不能与后者兼容。H.261在实时编码时比MPEG所占用的CPU运算量少得多,此算法为了优化带宽占用量,引进了在图像质量与运动幅度之间的平衡折中机制,也就是说,剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差。因此这种方法是属于恒定码流可变质量编码而非恒定质量可变码流编码。

H.261标准用于音像业务的码率是p×64kb/s(p=1,2…,30),其中p为64kb/s的取值范围,是1到30的可变参数,用于电视电话时p=1或2,用于电视会议时p≥6。这种标准具有最小延迟实时对话的能力。

(2)H.263是ITU-T的一个标准草案,是为低码流通信而设计的。但实际上这个标准可用在很宽的码流范围,而非只适合低码流应用,它在许多应用中被认为可以取代H.261。H.263的编码算法与H.261一样,但做了一些改善和改变,以提高性能和纠错能力。263标准在低码率下能够提供比H.261更好的图像效果。

(3)H.264标准:该标准是由ITU-T和ISO两个国际标准化组织联合制定,其目标是实现视频的高压缩比、高图像质量、良好的网络适应性等。新的视频压缩编码标准称为H.264标准,该标准被ISO称为MPEG-4AVC(Advanced Video Coding,高级视频编码)标准,是MPEG-4的第10部分(正式名称是ISO/IEC14496-10)。

和H.261、H.263一样,H.264也是采用DCT变换编码加DPCM的差分编码,即混合编码结构。同时,H.264在混合编码的框架下引入新的编码方式,提高了编码效率,更贴近实际应用。因此H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量的图像,在所有码率下都能持续提供较高的视频质量,既可以工作在低延时模式以适应实时通信的应用,如视频会议;同时又能很好地工作在没有延时限制的应用,如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用。

3.MPEG

MPEG是专门用来处理运动图像的国际压缩标准。MPEG专家组在1992年制定了第一个MPEG国际标准MPEG-1,其标准名称为“动态图像和伴音的编码——用于速率小于每秒约1.5M比特的数字存储媒体(Coding of moving picture and associate daudio—for digital storage media atup to about1.5Mbit/s)”。这里的数字存储媒体指一般的数字存储设备如CD-ROM、硬盘和可擦写光盘等。随后,根据不同的目的,该组织又相继制定了MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等多种压缩标准,目前MPEG在计算机和民用电视领域获得了广泛的应用。

这些MPEG标准都包括多个部分,如MPEG视频(Video)、MPEG音频(Audio)和MPEG系统(System,视频、音频同步),详细说明了视频、音频的压缩和解压缩方法,以及播放MPEG数据所需的图像与声音的同步等。

(1)MPEG-1

MPEG-1采用有损和不对称的压缩编码算法,核心是处理帧间冗余,基本方法是:在单位时间内采集并保存第一帧信息,然后只存储其余帧相对第一帧发生变化的部分,从而达到压缩的目的,它主要采用两个基本压缩技术:运动补偿技术(预测编码和插补码)实现时间上的压缩,变换域(离散余弦变换DCT)压缩技术实现空间上的压缩。

MPEG-1把帧分为三种:I帧、P帧和B帧。在编码过程中,部分视频帧序列压缩成为I帧;部分压缩成P帧;还有部分压缩成B帧。I帧仅使用帧内压缩,也称为“关键帧”压缩法。I帧采用基于离散余弦变换DCT的压缩技术,这种算法与JPEG压缩算法类似。采用I帧压缩可达到6∶1的压缩比而无明显的压缩痕迹。

在保证图像质量的前提下实现高压缩的压缩算法,仅靠帧内压缩是不能实现的,MPEG-1采用了帧间和帧内相结合的压缩算法。P帧采用前向预测算法,它考虑相邻帧之间的相同信息或数据,根据本帧与相邻的前一帧(I帧或P帧)的不同点来压缩本帧数据。

只有采用B帧压缩才能达到200∶1的高压缩比。B帧采用双向预测的帧间压缩算法,根据相邻的前一帧、本帧以及后一帧数据的不同点来压缩本帧。B帧数据只有I帧数据的百分之十五、P帧数据的百分之五十以下。

MPEG-1编码的基本方法是:在单位时间内,首先采集并压缩第一帧的图像为I帧。然后对于其后的各帧,在对单帧图像进行有效压缩的基础上,只存储其相对于前后帧发生变化的部分。由于I帧的压缩不基于前一帧,一般每0.5秒设一个I帧,这样可以减少误差积累。MPEG编码器首先要决定压缩当前帧为I帧或P帧或B帧,然后采用相应的算法对其进行压缩。

MPEG-1可以大幅度地压缩数据,平均压缩比可达50∶1,最大压缩比可达约200∶1,解压后的图像和声音质量也非常好,并且在计算机上有统一的标准格式,兼容性强。

技术特点:MPEG-1适用于不同带宽的设备,是图像压缩的工业认可标准。其编码速率最高可达4-5Mb/s,但随着速率的提高,解码后的图像质量有所降低。使用MPEG-1的压缩算法,可以把一部120分钟长的电影压缩到1.2GB左右大小。

这种视频格式的文件扩展名包括.mpg、.m1v、.mpe、.mpeg及VCD光盘中的.dat文件等。

应用范围:应用MPEG-1技术最成功的产品是VCD,VCD作为价格低廉的影像播放设备,得到广泛的应用和普及。MPEG-1也被用于数字电话网络上的视频传输,如非对称数字用户线路(ADSL)、视频点播(VOD),以及教育网络等。

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