数字电视论文

各种视频压缩标准的区别和联系

1．前言

数字电视(Digtal Television，DTV)，特别是高清晰度电视(Digital Television HDTV)的发展，数字电视视频压缩技术的研究起着举足轻重的作用。数字化的多媒体信息特别是视频信息的数据量之大是惊人的。例如，1幅640x 480分辨率的彩色图像(24比特／像素)，其数据量约为0.92MB，如果以每秒30帧的速度播放，则视频信号的数码率高达27.6Mbps。如果存放在650MB的光盘中，在不考虑音频信号的情况下，每张光盘也只能播放24秒钟。因此，视频压缩技术的研究与应用是解决数字化视频存储和传输问题的关键。

2．视频压缩原理

1959年Shannon创立的信息率失真理论奠定了信息编码的理论基础。此后，视频／图像压缩编码理论和方法都有很大的发展，主要有的编码方法有预测编码、变换编码、统计编码三种。其中变换编码的基本思想是：由于数字图像像素间存在高度相关性，因此可以进行某种变换来消除这种相关性。变换编码不直接对空域图像像素编码，而是先将它变换到频域，得到一组变换系数。虽然变换并不对数据进行压缩，但经过变换后，能量相对集中，通过后续的量化、编码就能达到压缩的目的。变换编码方法中的DCT和Wavelet在视频，图像压缩中得到了广泛应用。

20世纪80年代后期以来，一种基于DCT变换和运动补偿的混合编码方案在视频压缩中得到了广泛应用，并逐步形成了一系列国际标准。这些标准都有相似的编码原理，它们都将图像看成是二维波形，利用DCT变换消除图像空间域上的冗余，以运动估计与运动补偿消除运动图像时间域上的冗余，从而达到压缩数据的目的。图(1)所示为视频压缩模型的基本框图。

3.各类视频压缩标准与对比

3.1 MPEG标准系列

MPEG(Moving Picture Experts Group)是ISO和IEC两个国际组织的联合技术委员会(JTCI)领导下的运动图像专家组的英文缩写。MPEG标准是由运动图像专家组于1988开始开发的一系列运动图像及声音的数字编码标准

3.1.1 MEPG-1

MPEG-1标准从1988年5月开始启动，编号为ISO／IEC11172，于1992年11月达到国际标准状态。MPEG-1是MPEG的小画面模式，具有352 X 240的图像分辨率，每秒3O帧的播放速度，用CD音质的伴音，适用于1.5Mbps以下数据传输率的传输与存储系统中应用。VCD采用的就是MPEG-1编码格式，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。

3.1.2 MPEG-2

MPEG-2是由ISO/IEC的MPEG专家组与ITU-T(国际电信联盟电信标准化部门)的ATV的图像编码专家组共同开发的，所以MPEG-2标准也是ITU-T的建议。MPEG-2是高质量图像的压缩标准，其图像分辨率为720×480，60场每秒，其数据传输率为4~10MBps，为可变传输速率。MPEG-2兼容MPEG-1标准。DVD和超级VCD采用的是MPEG-2标准，采用MPEG-2压缩编码的DVD视盘，给资料保存带来了新的希望。MPEG-2的另一特点是具有可分级性(scalability)，有类(Profile)和等级(Level)的概念这使得它更灵活，适应性也更广泛。表(1)所示为MPEG-2视频标准类与等级表。

另外，MPEG-3是ISO／IEC最初为HDTV开发的编码和压缩标准。由于MPEG-2的快速发展，MPEG-3的功能并入到了MPEG-2中。

3.1.3 MPEG-4

MPEG-4于1998年11月公布，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，主要应用于视

像电话、视像电子邮件和电子新闻等，传输速率在4800～64000bps之间，分辨率为l 76 X l44。主要面向娱乐、欣赏方面的市场。

MPEG-4引入了一个关键的概念：AV对象(视频音频对象)。AV对象是MPEG-4为支持基于内容编码而提出的。在MPEG-4中所见的视频音频已不再是过去MPEG-1，MPEG-2中的图像帧或音频帧的概念，而是一个个的视听场景(AV场景)，这些AV场景由不同的AV对象组成。AV对象是听觉、视觉、或者视听内容的表示单元。整个MPEG-4就是围绕如何高效编码Av对象，如何有效组织、传输AV对象而编制的。因此，AV对象的提出，使多媒体通信具有高度的交互能力和很高的编码效率。

MPEG-4视频编码的另一特点是它提供了基于视频对象的时域和空域可分级性，与MPEG-2不同的是它提供了视频对象的可分级性(不一定是一帧图像)，MPEG-4称之为“视频对象平面”(VOP)，它代表了一个视频对象平面的基本层或者增强层。另外，和MPEG-2一样，MPEG-4也提供了抗差错能力。MPEG-4是一个功能强大、应用范围宽广的视频压缩标准，它将在交互式多媒体的节目制作，网上视频传输，交互式移动多媒体，数字视频监控等诸多领域得到广泛的应用。

3.2 JPEG标准系列

JPEG(Join Photographic Group)是由国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITI)联合组成的一个图像专家小组，从事静止视频压缩标准制定。

3.2.1 JPEG

JPEG标准(ISO10918)是为连续色调、多级灰度、静态图像的数字压缩编码方法。后来用于视频图像的帧内图像编码。JPEG标准包括两种基本压缩方法。第一种是有损压缩方法。它是以DCT变换为基础的压缩方法，其压缩比较高，是JPEG标准的基础。第二种是无损压缩方法，又称预测压缩方法，是以二维DPCM为基础的压缩方式，解码后能完全精确地恢复原图像采样值，其压缩比低于有损压缩方法。图(2)所示为基于DCT的JPEG编解码原理框图

图(2) 基于DCT的JPEG编解码原理框图

3.2.2 JPEG200

JPEG2000在2000年被公布为国际标准ISO15444。标准可分为六大部分，其中第1部分是图像编码系统，是JPEG2000标准的核心系统；第3部是Motion—JPEG2000部分针对运动图像序列的视频编码标准。

由于Motion—JPEG2000中的每一幅图像的编码过程与JPEG2000静止图像编码过程完全相同。下面仅以JPEG2000编码过程为例来说明其基本原理。JPEG2000编解码过程示意框图如图（3）所示。

图(3) JPEG2000编解码过程示意框图

JPEG2000与传统JPEG最大的不同在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)为主的区块编码方式，而采用了以小波变换(Wavelet Transform)为主的多解析编码方式，使得图片压缩比可在现在的JPEG基础上再提高10％～30％，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。JPEG 2000另一个独特的技术是ROI(Region of Interest，即感兴趣区域)压缩技术。就是对指定图片上感兴趣区域压缩时可以指定压缩质量，或在恢复时指定某些区域的解压缩要求。

与MPEG标准相比，Motion-JPEG2000对于实现大尺寸、高质量的图像压缩压缩具有更