影视制作-数字多媒体视频压缩与传输

作者：北京光盘通光盘制作中心 010-82696953 82696907 光盘印刷、光盘刻录、光盘复制、光盘打印、多媒体光盘、影视光盘制作等一系列服务！网址：www.cd-stone.com

在我们当今的社会生活中，图像信息和通信起着非常重要的作用，数字视频压缩的实际应用，是近十年来超大规模集成电路(VLSI)，比较好的压缩算法，视觉生理研究和标准等方面显著技术发展的结果.数字视频压缩可以广泛应用于：视频传输，计算机多媒体和数值存储等方面.
2为什么要进行数字视频压缩
数字视频有许多优点，但是由于其占用带宽太宽而限制了它的实际应用.数字视频压缩技术的发展，推动了数字视频的实际应用.现以PAL制彩电的卫星传输为例，说明压缩的作用和意义．我国PAL制彩电的视频带宽Fe=6.0MHz.根据奈斯特定理，取样频率Fs >2Fc.CCIR 601建议书规定：亮度信号的取样频率为13.5MHz，色度信号的取样频率为6.75MHz，每个取样8比特，那么传输PAL制彩电所需要的传输速率为：
13.5*8+2*6.75 *8=216MB/S
这样高的传输频率，采用2PSK调制，所需传输带宽大于200MHz，即使采用4PSK，所需传输带宽也要100MHZ以上.在现存的传输媒介中，要占用这样宽的带宽来传送视频不仅困难，也是不经济的.目前的数字视频压缩技术，已经可以做到把持216MB/S的速率压缩到8MB/S左右.而去压缩后的质量可以达到广播级.这样在先行传输一路模拟电视信号的一个36MHZ卫星转发器中，可以传输46路广播级压缩后的电视信号.　　
3数字视频压缩标准
3.1 H.261
H.261标准是针对会议电视的发展的，并且是以DCT(离散余变换)和运动补偿为基础的，它是视频压缩方面提出的第一个标准，它把数字视频速率压缩到64Kb/s~2.048Mb/s.H.261使用对称压缩技术它所获得的性能比使用不对称压缩技术的MPEG标低. 　　
3.2 JPEG
JPEG是 "The Joint Photographic Expert Group"的缩写，它是由国际电报咨询委员会(CCITT)和国际标准化组织(ISO)联合组成的专家组，共同制定了静止图像的数码率压缩标准.尽管JPEG的目标主要针对静止图像，其应用并不局限于静止图像.它之所以称为静止图像数码率压缩标准实质它所处理的只限于帧内，而没有利用帧间处理.
3.3 MPEG
MPEG是英文 "The Moving Picture Expert Group"的缩写，MPEG委员会的活动始于1988年，其目标是对视频及其伴随的音频，对数字存储媒质制定一个标准.
MPEG-I视频选择的视频信号压缩大约为1.5Mb/s，而MPEG-I音频信号选择的速率是64.128和192Kb/s，MPEG最后确定了编码算法，并且它是使用MUSI CAM音频压缩技术的CD-I产品的基础.
MPEG-2选择的速率是4－－10Mb/s,这样的速率能使压缩的图像显示满足CCIR601的视频质量.
MPEG扩展到更高的速率，是HDTV地面同频带广播的基础. 　
4 以MPEG为基础的压缩技术
4.1 压缩算法概论
MPEG压缩算法分三个层次完成压缩：即带宽压缩，匹配主观的有损失压缩和最后一层的无损失压缩.第一层，组要是源分解力和目标比特率匹配以及降低色度的分解力，达到主观上满意的程度.第二层次,即压缩算法本身，是利用波形分析和主观适配的量化来去掉空间冗余和时间冗余，在这个层次压缩是有损失的.第三层次，是通过把固定长度和可变长度编码进行句法组合，而无损失地把信息变换到比特流中去.
压缩算法依赖于两种基本方法：以像块为基础的运动补偿，用于减少时间冗余，和以变换(离散余选变幻，DCT)为基础的压缩，用于减少空间冗余.减少空间冗余的方法(DCT方法)直接用于信源图像上以及时间预测后的差信号上.
运动补偿的时间预测方法，用来开拓视频信号很强的时间相关法.时间预测既适用于有因果关系的预测器(即纯预测编码)，也适用于无因果关系的预测器(即内插编码)，预测误差信号.利用降低空间冗余(8*8DCT)进一步压缩.与运动有关的信息，以16*16的像块为基础，并与空间信息一块传输.
4.2图像编码
有四种图像类型：I图像或内图像，它们不参考任何其它图像而进行编码；P图像或预测图像，利用来自前一图像的运动补偿进行编码；B图像或双向预测图像，利用来自前一图像和以后一图像的内插进行编码；D图像或DC图像，其中仅低频分量进行编码，只用于快速向前搜索方式.B和P图像常称为中间图像(inter pictures).
典型的编码方案会含有I，P，B图像的混合场，典型方案在每10至15各图像会有一个I图像，而在相邻的I和P图像之间会有两个B图像.
4.3 时间和空间压缩
如前所述，MPEG算法以两项关键技术为基础：时间压缩和空间压缩.时间压缩依赖于相邻图像之间的相似性，并利用预测和运动补偿．而空间压缩依赖于图像各小范围内的冗余，并以DCT变换，量化和熵编码技术为基础.预测出的图像是由运动补偿来改进的前一图像.运动余量是对每一宏像块计算出来的.运动矢量适用于宏像块中的所有4个亮度像块.用于2个色度像块的运动矢量是从亮度矢量计算出来的.这种算法依赖于如下设想：在一个宏像块内，相邻图像之间的差异可以简单地表示为矢量变换.
内插(或双向预测)产生高度的压缩，因为图像简单地表示为过去的与未来I或P图像之间的内插(这又是在宏像块一级上完成的).
图像不是以显示顺序传输的，而是以解码器要求图像将比特流的解码顺序传输的，也即，该解码器在任何内插或预测的图像可被解码之前必须具有参考图像.
空间压缩技术与JPEG的压缩技术，DCT，量化和熵编码相似.压缩算法利用了每以像块内(8*8像素)的冗余.
所得出的压缩数据流由最适合被压缩图像类型的空间和时间压缩技术的组合构成．解码通过使用MPEG系统的编码来控制，这些编码被插入数据流中以解释如何重建图像信息．
5算法结构和术语
MPEG体系分层排列(图一)．这种分层结构是为提高灵活性和管理效率而设计的，每一层用来支持一个特定功能．
顺序层规定顺序参数：图像和宽高比，图像速率，比特率，最小解码器缓冲器尺寸．强制参数标记．(内量化表)(非内量化表)(用户数据)
图像组(GOP)层：时间码，闭合GOP标记，断链标记(用户数据)图像层：时间基准，图像类型(I/P/B/D)，解码器缓冲起始占用率(前面运动矢量分解力和范围)(后向运动矢量分解力和范围)(用户数据)．
切片：切片垂直位置，量化器定标宏像块：地址增量，宏像块类型(VLC)前面运动矢量后向运动矢量编码像块类型高大6各像块的DCT系数.

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