MPEG2幀內(nèi)編碼在數(shù)字電視圖像壓縮中的應(yīng)用

張華

摘 要：作為傳播信息的載體和媒介，電視媒體能夠豐富人們的視聽感受，使人們能夠生動、形象地獲取資訊。電視技術(shù)不斷地發(fā)展，實現(xiàn)了從黑白到彩色、從模擬向數(shù)字化的變革。數(shù)字電視因信號質(zhì)量好、清晰度高、傳輸穩(wěn)定及可交互的特點，獲得普遍應(yīng)用。由于信號數(shù)據(jù)量過大，需占用較大的帶寬，需要對數(shù)字電視信號進行壓縮。文章研究了MPEG2幀內(nèi)編碼在數(shù)字電視圖像壓縮中的應(yīng)用。MPEG2幀內(nèi)壓縮技術(shù)能夠提高壓縮效率，使廣播電視資源得到充分利用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電視；MPEG標(biāo)準(zhǔn)；幀內(nèi)壓縮技術(shù)

媒體是人們獲取信息、了解世界的方式與途徑。電視作為繼紙質(zhì)媒體和廣播媒體之后傳播手段的重要變革，提高了信息傳播的時效性和直觀性。在技術(shù)進步的推動下，電視傳播經(jīng)歷了傳播內(nèi)容從黑白電視到彩色模式改變，使傳播內(nèi)容更加生動形象；實現(xiàn)了傳輸手段從模擬電視到數(shù)字電視的變化，使圖像更加清晰，信號更加穩(wěn)定，使電視媒體的作用日益重要。

由于數(shù)字化后的電視信號數(shù)據(jù)量增大，需占用較大的存儲和傳輸空間，與此同時，圖像信息占據(jù)電視信號的主要內(nèi)容。因此，對數(shù)字電視圖像進行信號壓縮是十分必要的。移動圖像專家組（Moving Picture Expert Group，MPEG）為數(shù)字電視圖像壓縮提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。MPEG2幀內(nèi)壓縮技術(shù)能夠在確保圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進一步壓縮圖像，有效提高頻帶的利用率，保證數(shù)字電視圖像壓縮目的順利實現(xiàn)。

1 電視圖像形成概析

電視是能夠?qū)崟r、權(quán)威、客觀、真實地傳播視頻和音頻信號的媒介手段。作為媒體發(fā)展史上一次重要變革，電視媒體利用人眼的生物視覺特征，通過光電轉(zhuǎn)換將真實世界內(nèi)容具象地呈現(xiàn)出來。

1.1 圖像是構(gòu)成電視內(nèi)容的重要元素

在不同的領(lǐng)域中圖像具有不同的含義。從藝術(shù)的角度理解，圖像是對真實世界事物的描繪，采用畫筆、顏料等工具，以色彩、線條等形式對物體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的反映與再現(xiàn)。從廣播電視技術(shù)角度來看，圖像是通過攝像機、錄像機等影像記錄設(shè)備獲取原始材料，經(jīng)過加工和處理之后，經(jīng)由播出設(shè)備傳輸至電視機等接收設(shè)備的畫面。電視節(jié)目由多幅圖像組成，每幅圖像稱為幀。

電視傳輸內(nèi)容構(gòu)成中圖像既是主要內(nèi)容，也是電視媒體區(qū)別于傳統(tǒng)媒體的重要標(biāo)志。電視將圖像、聲音等信息傳播媒介進行綜合運用，能夠更加真實地反映現(xiàn)實世界的變化與發(fā)展。紙質(zhì)媒體、廣播媒體與電視媒體特征比較如表1所示。

1.2 視覺惰性為電視形成動態(tài)圖像提供基礎(chǔ)

如果僅僅是提供不同的畫面尚無法形成人們能夠感覺的動態(tài)內(nèi)容。電視技術(shù)利用人眼的視覺惰性特征，實現(xiàn)圖像的動態(tài)傳輸。

視覺惰性是人眼對亮度的感覺和光的共同之下形成的。人眼通過對光亮度的強弱進行視覺反應(yīng)形成事物的圖像。人眼對形成的圖像并不會馬上消失，而是在視覺中持續(xù)一定的時間，這就是視覺惰性，也稱為視覺暫留現(xiàn)象。電視技術(shù)根據(jù)人眼的視覺惰性現(xiàn)象，以固定的長度連續(xù)傳輸畫面，就會形成動態(tài)的影像感覺。

目前世界電視的制式存在差別，電視傳輸?shù)膸瑪?shù)也有所不同的。我國采用PAL制式，每秒傳輸30幀畫面。

2 彩色電視是電視信號與色彩信號組合的技術(shù)

最初電視發(fā)明時，以黑白兩種顏色表現(xiàn)圖像。彩色電視技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用能夠栩栩如生地反映現(xiàn)實世界，將更好的內(nèi)容呈現(xiàn)給人們。

2.1 根據(jù)三基色混色原理構(gòu)造色彩信號

在彩色電視中，如果將每一種顏色都進行分別傳輸，既需要較大的成本，同時也使信號的傳輸更加復(fù)雜。三基色原理為解決這一難題提供方法。人們通過實驗發(fā)現(xiàn)，只需選取3種不同顏色的單色光按一定的亮度比例進行混合，就可呈現(xiàn)自然界絕大多數(shù)色彩，滿足彩色電視對色彩的要求[1]。

彩色電視采用紅色（R）、綠色（G）和藍色（B）3種顏色作為混色的基準(zhǔn)顏色。從色彩的混色效果來看，混色的基準(zhǔn)顏色可以選取多種方案。彩色電視選取紅、綠、藍3種顏色，因為一方面人的視覺對這3種顏色的光更加敏感；另一方面，用這3種顏色能夠混合出更多的顏色。

2.2 彩色電視信號圖像構(gòu)成的基本要素

彩色電視的圖像由以下3個要素構(gòu)成：亮度、色調(diào)和色飽和度[1]。與黑白電視信號相同，亮度信號是彩色電視基本信號，是構(gòu)成一切電視圖像的基礎(chǔ)。亮度反映電視信號中每幀圖像光的強弱程度。色調(diào)是指彩色電視信號中光的顏色。色飽和度是指光的深淺程度。色飽和度與添加白色光的程度是相關(guān)的。在顏色中加入白色的光越多，顏色越淺，色飽和度越低；加入白色的光越多，顏色越深，色飽和度越深。通常將色調(diào)與色飽和度并稱為色度，也稱為色對比度。

3 電視的信號傳輸

電視傳輸是節(jié)目制作、信號發(fā)送和電視接收3個相互聯(lián)系、相互銜接的有機組成部分的總稱。電視傳輸是以傳輸電視信號為根本目的。黑白電視全電視信號包括圖像信號、同步信號和消隱信號；彩色電視全電視信號包括亮度信號、色度信號、色同步信號、復(fù)合同步信號和復(fù)合消隱信號。各個環(huán)節(jié)間過光、電信號的轉(zhuǎn)換進行電視信號傳輸，實現(xiàn)電視節(jié)目播放。電視信號轉(zhuǎn)換模式如圖1所示。

4 數(shù)字電視是基于數(shù)字技術(shù)的電視技術(shù)新變革

數(shù)字電視的誕生既是電視技術(shù)的突破，也是電視技術(shù)新發(fā)展的開端。數(shù)字電視將電視技術(shù)帶入新的領(lǐng)域，同時也為進一步的擴展應(yīng)用提供可能。

4.1 數(shù)字電視的含義

數(shù)字技術(shù)指以二進制“0”和“1”為存儲和傳輸信息的基本單位，通過不同的數(shù)字組合表示信息。數(shù)字電視是基于數(shù)字技術(shù)進行傳輸?shù)碾娨晜鞑シ绞?。從技術(shù)制作和傳輸方式來看，它是從數(shù)字設(shè)備對電視節(jié)目素材采集開始，經(jīng)過后期的加工編輯、制作，再經(jīng)傳輸實現(xiàn)接收的全過程均為數(shù)字信號的電視系統(tǒng)。

4.2 數(shù)字電視的實現(xiàn)

數(shù)字電視能夠?qū)崿F(xiàn)電視信號的數(shù)字化需要經(jīng)過抽樣、量化和編碼3個步驟[2]。

4.2.1 抽樣

模擬電視的信號是在時間上連續(xù)不斷的信號。數(shù)字電視需要將模擬信號離散化。抽樣又稱取樣，是模擬電視信號數(shù)字化過程必須進行的第一步操作，選取每隔一定時間的信號樣值序列來表示反映原來模擬信號。

4.2.2 量化

模擬電視中以圖像反映節(jié)目內(nèi)容，數(shù)字電視需要將圖像進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。采用數(shù)字技術(shù)將圖像信息轉(zhuǎn)換成以“0”和“1”為代表的電平數(shù)值，進行圖像信息的描述。通常用二進制的位數(shù)n表示量化等級，n也被稱為量化比特數(shù)，如n為八位，則稱為8比特量化。

4.2.3 編碼

完成抽樣、量化步驟后，電視信號已經(jīng)是數(shù)字化的信號。此時需要對電視信號根據(jù)相應(yīng)的編碼規(guī)則進行編碼。編碼的功能是電視信號壓縮和糾錯。通過編碼既能夠確保不占用過多的存儲和傳輸帶寬，同時也能夠保證電視信號無失真地還原[3]。

4.3 數(shù)字電視的優(yōu)點

數(shù)字電視自問世以來迅速獲得普遍的好評，并得到推廣，主要是因為數(shù)字電視具有如下特點：（1）信號穩(wěn)定。在電視信號的傳輸中，數(shù)字電視抗干擾的能力強，能夠很好地反映事物原來的形象。（2）信號質(zhì)量高。數(shù)字電視信號的清晰度優(yōu)于模擬電視。（3）容量大。相同的寬帶下，數(shù)字電視能夠傳輸更多的內(nèi)容。

5 圖像壓縮技術(shù)有助于克服數(shù)字電視的不足

數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展帶來諸多便利，但是數(shù)字化的過程產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。大量的數(shù)據(jù)會增加電視信號存儲、傳輸占用的帶寬，因此需要對數(shù)字電視信號進行壓縮。

5.1 數(shù)字電視圖像壓縮的可能性

電視圖像是由連續(xù)的幀描繪，因此，各幀之間在時間、空間等因素上具有相關(guān)性，這為圖像壓縮提供了基礎(chǔ)。同時，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展使圖像壓縮成為可能[4]。

5.1.1 時間冗余

數(shù)字電視圖像序列中，相鄰幀之間的圖像在內(nèi)容上具有關(guān)聯(lián)性，后幀與前幀之間具有時間的繼起性，這稱為時間冗余。例如，足球比賽的現(xiàn)場直播，前后幀之間球場、草坪等背景基本不變，變化的只是足球運動員位置的移動。

5.1.2 空間冗余

數(shù)字電視圖像序列中，相鄰幀圖像背景、形狀基本相同，沒有發(fā)生改變，這稱為空間冗余。例如，在新聞演播室的新聞報道中，演播室的布景與主持人的位置都是基本不變的，變化的只是播送的新聞內(nèi)容。

5.1.3 結(jié)構(gòu)冗余

數(shù)字電視圖像序列中，幀的圖像內(nèi)容上大面積具有相似性，僅有細(xì)微差別，這稱為結(jié)構(gòu)冗余。例如，播送花團錦簇的畫面，大面積同種類的花朵呈現(xiàn)同顏色同形狀，變化的是花朵開放的形態(tài)。

5.2 數(shù)字電視圖像壓縮的目的及要求

在電視媒體中，圖像是信息的主要表達方式，是占據(jù)數(shù)字電視空間最主要的元素。對圖像進行壓縮的目的是消除數(shù)字電視信號中的冗余，即重復(fù)的、可推算的及在信號恢復(fù)時無實際功能的信息。

因為壓縮是對圖像信息進行重新編碼、傳輸，優(yōu)質(zhì)的圖像壓縮是在不影響電視信號質(zhì)量的基礎(chǔ)上保證圖像內(nèi)容準(zhǔn)確地還原。

6 MPEG2幀內(nèi)編碼技術(shù)的作用

隨著數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展，圖像壓縮技術(shù)日趨完善，逐步形成國際統(tǒng)一的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。MPEG移動圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正是其中之一。

6.1 MPEG移動圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡介

MPEG全稱為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織與國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)組第29分委會第11工作組（ISO/IECJTC1/SC29），簡稱國際標(biāo)準(zhǔn)化組織與國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)組（ISO/IECJTC1）運動圖像專家組[5]。專家組成立于1988年，負(fù)責(zé)制定數(shù)字視、音頻以及其他媒體壓縮、解壓、編碼和描述的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG專家組于1992年發(fā)布第一個標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1。此后陸續(xù)針對不同應(yīng)用、不同碼率的音視頻編碼壓縮發(fā)布了MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MPEG-7和MPEG-21等5個系列。其中，MEPG2標(biāo)準(zhǔn)系列在廣播電視領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

6.2 MPEG2標(biāo)準(zhǔn)的壓縮方式

在MPEG2圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，主要通過DCT變換和運動預(yù)測技術(shù)來壓縮空間冗余和時間冗余，即兩步法完成圖像壓縮。首先，通過運動預(yù)測和運動補償?shù)姆椒ㄈコ龍D像序列中的時間冗余；然后，通過DCT余弦變換去除差值信號的空間冗余。

6.3 MPEG2壓縮標(biāo)準(zhǔn)的圖像結(jié)構(gòu)

MPEG-2的視頻結(jié)構(gòu)共分為6層。這6層從高至低排列依次為視頻序列（Video Sequence，VS）層、圖像組（Group of Pictures，GOP）層、圖像（Pictures）層、像條（Slice）層、宏塊（Macro Block，MB）層和像塊（Block）層。

（1）像塊，也稱為塊，是MPEG2進行DCT變化的基本單位。像塊既可以是亮度信號也可以是色度信號。（2）宏塊，MPEG2運動預(yù)測的基本單位，包含圖像的亮度信號和色度信號。（3）像條，由一系列連續(xù)的宏塊構(gòu)成。當(dāng)發(fā)生不可糾正的誤碼后，通過像條重新圖像同步的基本單位。（4）圖像，即構(gòu)成電視內(nèi)容的幀，是編碼壓縮的基本單位。（5）圖像組，由電視內(nèi)容中的多個圖像構(gòu)成，是對內(nèi)容進行編碼、壓縮、存儲和傳輸?shù)幕締挝?。?）視頻序列，也可以稱作圖像序列，由隨機選取節(jié)目的內(nèi)容單元構(gòu)成。

6.4 MPEG2標(biāo)準(zhǔn)I、P、B幀內(nèi)編碼技術(shù)

MPEG2標(biāo)準(zhǔn)為了提高壓縮的效率，定義了I（Intra Picture）、P（Predicated Picture）和B（Bidirectional Picture）幀，分別進行前向、后向及雙向編碼壓縮。

6.4.1 幀內(nèi)編碼圖像：I幀

當(dāng)需要對一段圖像進行編碼壓縮時，將第一幀定義為I幀。I幀只對本幀內(nèi)的音、視頻及數(shù)據(jù)等信號進行量化、DCT余弦變換等方式進行編碼。

I幀作為圖像組的起始幀，它的作用是為后面的P幀和B幀提供參考。通常，為了確保圖像質(zhì)量不受壓縮的影響，I幀圖像的壓縮比不高。

6.4.2 前向預(yù)測編碼圖像：P幀

P幀采用前向預(yù)測編碼方式對圖像進行編碼壓縮，即根據(jù)前面的P幀或前面最靠近的I幀作為參考幀進行預(yù)測編碼。

P幀既可以作為B幀，也可以作為后面的P幀的參考幀。由于P幀采用了運動補償?shù)姆椒ㄟM行編碼，因此P幀的壓縮比高于I幀。

6.4.3 雙向預(yù)測編碼圖像：B幀

B幀采用雙向預(yù)測編碼方式對圖像進行編碼壓縮，也就是B圖像。B幀參照前面的一個參考幀和后面的一個參考幀進行雙向預(yù)測，其參考幀既可以是I幀也可以是P幀。

常用的圖像組由12幀組成，它們是1個I幀，3個P幀和8個B幀，幀的排列形式為IBBPBBPBBPBB。

6.5 MPEG2幀內(nèi)編碼技術(shù)的作用

MPEG2移動圖像壓縮技術(shù)能夠達到很高的壓縮比，同時也能夠保證圖像具有很好的質(zhì)量，單靠幀間編碼是難以做到的。MPEG2幀內(nèi)編碼技術(shù)有效地克服了這一困難。幀內(nèi)編碼有效提高壓縮效率，同時壓縮效果好，確保數(shù)字電視信號能夠很好地還原。

7 結(jié)語

電視作為媒體傳輸技術(shù)手段，為人們獲取信息、了解世界提供了有效的途徑。隨著技術(shù)的發(fā)展，電視媒體不斷經(jīng)歷傳輸方式和應(yīng)用形式的革新。數(shù)字電視因采用數(shù)字技術(shù)，具有圖像清晰、信號穩(wěn)定、抗干擾能力強的優(yōu)點，獲得普遍的應(yīng)用。然而，由于數(shù)字化的電視信號具有數(shù)據(jù)量大、占用帶寬多的不足，對數(shù)字電視進行壓縮是十分必要的。

MPEG作為移動圖像壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字電視壓縮技術(shù)的發(fā)展提供重要依據(jù)。在MPEG的系列標(biāo)準(zhǔn)中，MPEG2在廣播電視系統(tǒng)中獲得普遍的認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用。MPEG2的幀內(nèi)編碼技術(shù)能夠確保電視信號傳輸質(zhì)量，在幀間編碼的基礎(chǔ)上，進一步提高數(shù)據(jù)壓縮率，提高廣播電視帶寬資源的利用率。