視頻圖像編碼的現(xiàn)狀與發(fā)展

鄒坤英

【摘 要】本文介紹了靜態(tài)和運(yùn)動圖像壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程中出現(xiàn)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，特別是JPEG2000、MPEG-4以及H.264，總結(jié)了這些國際標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效果、應(yīng)用場合及相應(yīng)的壓縮編碼算法，分析討論了這些新標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】圖像編碼；JPEG2000；MPEG-4；H.264

0 前言

數(shù)字圖像的信息量大，而且采用數(shù)字式通信制時占用的頻帶寬，所以作為多媒體關(guān)鍵技術(shù)的圖像壓縮編碼技術(shù)一直深為人們重視。為了促進(jìn)多媒體技術(shù)的發(fā)展，通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)多媒體技術(shù)在各國間的統(tǒng)一、合作、交流和應(yīng)用，20世紀(jì)90年代，制定了一些重要的國際標(biāo)準(zhǔn)，取得了輝煌的業(yè)績，特別是MPEG4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和JPEG～2000靜態(tài)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn)了基于對象（內(nèi)容）等編碼模式，明顯具有新的時代特征。它們的制定既凝結(jié)了圖像、視頻編碼在過去幾十年研究成果的結(jié)晶。又不斷吸收新的研究成果和提出新的研究內(nèi)容，對圖像和多媒體事業(yè)的高速發(fā)展起到了巨大推動作用。

1 圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

靜態(tài)圖像壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)已涵蓋了從二值、灰度到彩色的圖像，如表1所示。

對二值圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)有G3，G4和JBIG。JBIG由于采用了自適應(yīng)技術(shù)，其編碼效率要比G3和G4高的多。對于灰度和彩色圖像有JPEG和新出臺的JPEG2000。JPEG是為單幀彩色圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)而制定的。采用這一標(biāo)準(zhǔn)可以將每像素24bit的彩色圖像壓縮至每像素2bit而仍然具有較好的圖像質(zhì)量。其核心算法為離散余弦變換。JPEG針對不同的應(yīng)用，定義了44種操作模式，但不具有通用性。針對JPEG標(biāo)準(zhǔn)的不足，如：低比特率壓縮性能差、不能在單一編碼流中提供較好的無損和有損壓縮、壓縮算法不支持大于64k×64k的圖像以及在噪聲環(huán)境中傳送能力差等，提出了JPEG2000。

JPEG2000用以離散小波變換算法為主的多解析編碼方式，其優(yōu)勢主要集中在四個方面：

1）高壓縮率

JPEG2000格式的圖片可在現(xiàn)在JPEG的基礎(chǔ)上再提高l0%～30%，而且壓縮后的圖像顯得更細(xì)膩平滑；

2）無損壓縮

預(yù)測法作為對圖像進(jìn)行無損壓縮編碼的成熟方法被集成到JPEG2000中。此外，其誤差穩(wěn)定性也較好，能更好地保證圖像的質(zhì)量；

3）實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸

這是JPEG2000的一個重要特征。即在傳輸過程中，先傳輸圖像的輪廓數(shù)據(jù)，然后再逐步傳輸其他數(shù)據(jù)來不斷提高圖像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)圖像由朦朧到清晰。即不斷地向圖像中插人像素以不斷提高圖像的分辨率；

4）支持“感興趣區(qū)域”

可以對圖片上感興趣的區(qū)域在壓縮時指定這些區(qū)域的壓縮質(zhì)量，或在解壓時指定某些區(qū)域的解壓要求，這樣，就結(jié)合了接收方對壓縮的主觀需求，實(shí)現(xiàn)了交互式壓縮 ，另外，JPEG2000還具有對比特錯誤具有魯棒性（即能保證在噪聲環(huán)境中傳輸發(fā)生比特錯誤時，解碼器依然能解碼，而且具有較好的圖像質(zhì)量）、將彩色圖像和二值圖像的編碼方式統(tǒng)一起來等特點(diǎn)。同時還對圖像安全保護(hù)、圖像交換等方面做了考慮。

1.2 運(yùn)動圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)動圖像標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG-1，2，4、 H.261，3，4以及正在制定當(dāng)中的MPEG-7和MPEG-21，如表2所示。但MPEG7和MPEG2l并不是壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-7全稱為“多媒體內(nèi)容描述接口”，要解決的是如何在多如繁星的資料中找到用戶需要的資料。MPEG21可以描述成一些關(guān)鍵技術(shù)的集成，這些技術(shù)可以通過訪問全球網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)對多媒體資源透明和增強(qiáng)地使用，標(biāo)準(zhǔn)將討論是否需要和如何將協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)等不同的組件有機(jī)地結(jié)合起來，是否需要新的規(guī)范，及在具備上述兩個條件的前提下如何將不同的標(biāo)準(zhǔn)集成在一起。

1.2.1 MPEG 系列標(biāo)準(zhǔn)

MPEG，這是ISO組織運(yùn)動圖像專家組的簡稱，多年來一直致力于制定與有關(guān)研制視頻壓縮、音頻壓縮及多種壓縮數(shù)據(jù)流復(fù)合及同步方面的國際標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-1是為11.5Mb/s數(shù)字聲像信息的存儲而制定，沒有指定具體的編碼程序，只確定了一個標(biāo)準(zhǔn)的編碼碼流和對應(yīng)的一個標(biāo)準(zhǔn)的解碼器。MPEG-2是為數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、數(shù)字視盤（DVD）等制定的運(yùn)動圖像及其伴音編碼標(biāo)準(zhǔn)，綜合采用了利用運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測、空間域DCT、自適應(yīng)量化和可變字長編碼的混合算法。為了適應(yīng)不同碼率和不同場合，該標(biāo)準(zhǔn)僅對比特流語法和相應(yīng)的解碼方法作了規(guī)定，而在編碼器的設(shè)計(jì)上留有很大自由度，如運(yùn)動估計(jì)的搜索算法和匹配函數(shù)的選擇，利用人視覺特性的自適應(yīng)量化等。

MPEG-2技術(shù)綜合采用了3大基本編碼技術(shù)，即預(yù)測編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼。壓縮技術(shù)采用多種編碼手段消除系統(tǒng)的冗余信息，歸納起來將有以下四個方面：

1）利用二維DCT減少圖像的空間冗余度；

2）利用運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測減少圖像的時間域冗余度；

3）利用視覺加權(quán)量化減少圖像的“灰度域”冗余度；

4）利用熵編碼來減少圖像“頻率域”上統(tǒng)計(jì)特性方面的冗余度。

此外，MPEG-2在MPEG-1的基礎(chǔ)之上擴(kuò)充了“可伸縮性”和“可分級性”兩個概念，所謂“可伸縮性”指的是對碼流的一部分進(jìn)行編碼和對碼流的全部解碼獲得的圖像分辨率（或信噪比等）要低。MPEG-2所支持的可伸縮的視頻編碼方式共有時間、空間、信噪比及數(shù)據(jù)分割等四種?！翱煞旨壭浴眲t是指在MPEG-2中用范疇以及層次兩個定義來描述不同的編碼參數(shù)集。每個范疇是前一個的合集，層次則規(guī)定了空間和時間分辨率的上限。

MPEG-4已經(jīng)不再是個單純的視頻音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，它更多定義的是一種格式和框架，而不是具體的算法，從而為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個更廣泛的平臺。對于靜止對象，MPEG-4采用零樹小波算法，并提供高壓縮比。同時提供多達(dá)11級的空間分辨率和質(zhì)量可伸縮性。MPEG-4為了支持基于對象的編碼，引入了形狀編碼模型；為了支持高效壓縮，MPEG-4仍然采用了MPEG-1、MPEG-2中的變換、預(yù)測混合編碼框架。

【摘 要】隨著社會的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，城市排水管道系統(tǒng)規(guī)劃也在不斷的發(fā)展。在本文中，筆者提出需要從本地的自然條件、人文條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的條件等基礎(chǔ)出發(fā)，進(jìn)行適應(yīng)性的、

系統(tǒng)性的、經(jīng)濟(jì)性的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】地域；排水管道系統(tǒng)；規(guī)劃設(shè)計(jì)；排水系統(tǒng)

1 地域性規(guī)劃設(shè)計(jì)的概念

地域意指一定的區(qū)域空間。其主要包含三個層次的內(nèi)容：其一，指征一定的區(qū)間范圍；其二，特定范圍之內(nèi)的地理特征與時空特征；其三，基于地理環(huán)境特征所產(chǎn)生的人文特點(diǎn)。這是地理學(xué)中的一個重要概念。所謂的地域性，則是指基于該地域所具備的一切自然環(huán)境、人工環(huán)境特性，是一個自然要素與人文要素有機(jī)契合的功能性界定。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，在功能主義的現(xiàn)代規(guī)劃理念之前，各個地方的規(guī)劃都是基于地方性的自然條件、人們的生活習(xí)慣而進(jìn)行各種地方性的規(guī)劃。即：在前現(xiàn)代時期，因地制宜的地域性規(guī)劃是規(guī)劃設(shè)計(jì)的普遍存在。然而，隨著工業(yè)革命的推動，標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的生產(chǎn)方式深入人心，追求生產(chǎn)、施工方便的一致性的現(xiàn)代規(guī)劃設(shè)計(jì)理念收到社會、企業(yè)的認(rèn)同。不同地區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案趨于雷同，其中排水管道的規(guī)劃設(shè)計(jì)也是如此。然而，這種規(guī)劃設(shè)計(jì)通過強(qiáng)硬的、暴力式的對地理自然環(huán)境進(jìn)行千篇一律的改造方式因?yàn)榈赜驐l件的不同所帶來了諸多施工的麻煩。這種弊端也逐漸被人們所認(rèn)知。人們也重新考慮到排水管道的規(guī)劃設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、人文環(huán)境的關(guān)系。也及時地域性的規(guī)劃設(shè)計(jì)理念得以提出與實(shí)踐。

2 排水管道規(guī)劃設(shè)計(jì)的要素

城市排水管道系統(tǒng)既能保障城市生活環(huán)境的安全舒適，又能保證城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使城市水系統(tǒng)的物質(zhì)與能量正常循環(huán)，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。在排水管道規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要充分考慮以下要素：

1）根據(jù)城市總體規(guī)劃分為近期和長遠(yuǎn)規(guī)劃兩種情況。規(guī)劃年限太長則設(shè)計(jì)參數(shù)誤差大，安全系數(shù)過高。規(guī)劃年限太短，會馬上出現(xiàn)流量過飽和的情況，再重新規(guī)劃建設(shè)新的管道，是一種極大的浪費(fèi)。

2）在合理規(guī)劃年限的基礎(chǔ)上，充分考慮人口因素，能大大提高設(shè)計(jì)參數(shù)精度。

3）精確估算人均每天污水排放額度，并根據(jù)城市規(guī)劃的給水定額，刨掉跑冒滴漏和管道地下水深入量之差，合理推測排水總量。

4）城市排放污染負(fù)荷會隨著的發(fā)展而增加，但也不能估量太過夸大。

5）現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)加工水平提高，無論是排水量和污染物含量都會大幅度降低，并不是成正比的線性增長。

6）現(xiàn)代城市地面鋪裝理念也會不斷變化，重視地面滲透，因此應(yīng)合理評估地面徑流的變化。

7）合理估量溢流周期，要平衡排水量過飽和與建設(shè)及維護(hù)成本問題，根據(jù)人口密集程度綜合考慮，區(qū)別對待。

3 地域特色的排水系統(tǒng)規(guī)劃

地域化規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本思路是：按照本區(qū)域的自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展水平進(jìn)行綜合的系統(tǒng)規(guī)劃。如：新城區(qū)應(yīng)盡量采用雨污分流，雨水管道可直接排出進(jìn)入自然水體，減輕污水管網(wǎng)的排除壓力。對老城區(qū)中歷史遺留的合流制管網(wǎng)，應(yīng)在合流的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行改造。對發(fā)展?jié)摿Σ淮蟮男〕擎?zhèn)應(yīng)盡量采用合流制，免除不必要的財政負(fù)擔(dān)。對重點(diǎn)污染企業(yè)或者產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，如化工區(qū)，屠宰場等特殊單位，應(yīng)在企業(yè)或區(qū)域內(nèi)就地處理，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后再排入市政管網(wǎng)，或者作為中水循環(huán)利用。

排水管網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃。應(yīng)充分考慮地域性特點(diǎn)，綜合考量地域自然條件、經(jīng)濟(jì)條件、發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩?，平衡短期需求與中長期發(fā)展規(guī)劃之間的矛盾，從而達(dá)到城市的發(fā)展容量與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的規(guī)劃策略，不盲目擴(kuò)大容量，造成浪費(fèi)。在新建雨污分流管道的規(guī)劃上，應(yīng)該因地制宜，不能先集中后排放，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境，以最短的路徑分散排除。

應(yīng)該轉(zhuǎn)變用水觀念，將污水視為傳統(tǒng)水源的有效補(bǔ)充，污水是珍貴的第二水源。凈化后的城市污水可用作工業(yè)冷卻水、市政用水、補(bǔ)充河道景觀用水。

在具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)地理?xiàng)l件具體的進(jìn)行方案制定：

3.1 排水管線的布置

1）排水管道應(yīng)巧妙利用地勢條件、順勢排水，盡可能減少排澇泵站的建設(shè)；

2）管道排水負(fù)荷，應(yīng)與區(qū)域規(guī)劃和居民區(qū)實(shí)際需求吻合；

3）合理排布管網(wǎng)密度，做到排除路徑最短，平衡功能與經(jīng)濟(jì)性問題；

4）盡可能分散的排除污水和雨水，防止匯流集中；

5）截流式合流制污水收集池，應(yīng)盡量規(guī)劃在考進(jìn)河流等自然水體附近，方便在雨季流量猛增時，合理溢出。

3.2 排水路徑的選擇

1）盡量利用自然排水通道或舊有排水干管作為主要的排放的出路；

2）要在合理利用地勢高差保證排水系統(tǒng)的高程和排水效率，保證雨、污水順利排除。

3.3 合理劃分匯水區(qū)域的面積

1）合理考慮區(qū)域規(guī)劃及自然地勢條件，劃分雨水、污水的匯流區(qū)域，估算匯流面積；

2）污水和雨水的匯流面積應(yīng)該合適，過大會造成內(nèi)澇，過小會造成管網(wǎng)密度過高，增加建設(shè)成本和規(guī)劃難度；

3）根據(jù)地理?xiàng)l件，地勢變化，盡可能使匯流區(qū)域形狀規(guī)則；

4）充分考慮相鄰匯水區(qū)域的雨水及污水規(guī)劃。

3.4 排水線路的選擇

1）排水管道系統(tǒng)的規(guī)劃應(yīng)與城市整體排水系統(tǒng)規(guī)劃保持一致性；

2）排水管道應(yīng)盡量避開不容易穿越的地帶及構(gòu)筑物。

3.5 排水管道系統(tǒng)的控制高程的確定

1）充分考慮當(dāng)?shù)厮w的洪水位、常水位、排水干管的內(nèi)底高來確定管道出口的控制高程；

2）充分考慮管道未來計(jì)劃向上游延伸的趨勢和低洼地帶、有排水要求的地下空間；

3）根據(jù)當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃和已建成管線，系統(tǒng)考慮支管的接入問題以及與其他系統(tǒng)的管網(wǎng)的交叉問題。