淺議電視信號的數字化與碼率壓縮

電視系統的數字化是大勢所趨

　　其原因在于，相對于模擬電視而言，數字電視具有如下優點：信號經過多次轉接切換和遠距離傳輸時，不會有干擾和失真的積累，抗干擾性能強，圖像質量好；數字電視系統主要由數字集成電路組成，系統的性能和可靠性可望大幅度提高；它可以實現模擬電視不易高質量實現的功能。譬如：時軸處理、制式轉換、特技等功能；它也易于實現電視信號的實時處理，以完成圖像質量的改善、壓縮頻帶、二維濾波等功能；在傳輸中，它易于將圖像信號和伴音信號時分復用，充分利用數字傳輸的優越性。

　　電視設備數字化的一個巨大推動力得益于計算機技術的飛速發展，新型CPU的運算速度與功能正在迅速增長，使得普通微機已具有工作站的能力，專用圖像處理和聲音處理芯片使得原本復雜的圖像處理和聲音處理可以借助微機的視卡和聲卡輕易完成；加上碼率壓縮技術的進步和完善，在多個較大的計算機硬盤上存放較長時間的具有播出質量的圖像已不成問題，由此而產生的集編輯、切換、數字特技和動畫于一身的非線性編輯系統、視頻工作站、桌上演播室系統已經成為電視設備發展的另一個方向。

　　電視系統數字化的另一個動力是來自觀眾的需要，人們已不再滿足于普通電視的畫面質量水平，渴望看到更好更清晰的高清晰度電視，數字高清晰度電視便成為一種理所當然的選擇。

　　要實現電視系統的全面數字化，首先要了解：

電視信號數字化的含義

　　模擬電視系統，在電視信號的產生、處理、記錄、傳送和接收的過程中，使用的都是模擬信號，即在時間上和幅度上連續的信號；而數字信號，則是在時間和幅度上都經過離散化的信號；將模擬信號變換成數字信號稱為模數（A/D）轉換，最基本的方法是所謂脈沖編碼調制（PCM）法，運用該方法實現電視信號的數字化需要三個步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信號離散，其理論基礎是奈奎斯特抽樣定理。量化是用有限個幅度近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的幅度離散化。編碼則是按照一定的規律，把量化后的值用數字表示，然后轉換成二值或多值的數字信號流。收端經過譯碼和濾波將數字信號還原成為模擬信號，稱為數模（D/A）轉換，鑒于這個過程是最基本的數字信號處理過程，一般人都比較清楚，在此不再贅述。但是，我們需要了解一下：

彩色電視信號的編碼標準－－CCIR601號建議

　　大家經常提到CCIR601號建議，這個文件是向著數字電視廣播系統參數統一化、標準化邁出的第一步，在該建議中，規定了625和525行系統電視中心演播室數字編碼的基本參數值。

　　601號建議單獨規定了電視演播室的編碼標準，它對彩色電視信號的編碼方式，取樣頻率，取樣結構都作了明確的規定。

　　下面，對CCIR601號建議作幾點簡要說明：

　　⒈它規定彩色電視信號采用分量編碼；所謂分量編碼就是彩色全電視信號在轉換成數字形式之前，先被分離成亮度信號和色差信號，然后對它們分別進行編碼，分量信號（Y，B-Y，R-Y，或R，G，B）被分別編碼后，再合成數字信號。

　　⒉它規定了取樣頻率與取樣結構,例如：在4:2:2等級的編碼中，規定亮度信號和色差信號的取樣頻率分別為13.5Mhz和6.75Mhz，取樣結構為正交結構,即按行、場、幀重復,每行中的R-Y和B-Y取樣與奇次（1,3,5,……）Y的取樣同位置，即取樣結構是固定的，取樣點在電視屏幕上的相對位置不變。

　　⒊它規定了編碼方式，對亮度信號和兩個色差信號進行線性PCM編碼，每個取樣點取8比特量化；同時，規定在數字編碼時，不使用A/D轉換的整個動態范圍，只給亮度信號分配220個量化級，黑電平對應于量化級16，白電平對應于量化級235；為每個色差信號分配224個量化級，色差信息的零電平對應于量化級128。

　　綜上所述，我們知道，分量信號的編碼數據流是很高的。以4:2:2編碼標準為例，其比特流為：13.5*8+6.75*8*2=216兆比特/秒。若對復合信號直接編碼，其抽樣頻率取為13.3Mhz，則PCM編碼的碼率為：13.3*8=106.4兆比特/秒。

　　現在盡管有了多種能夠記錄與重放未經壓縮的全數字電視信號的錄像機；使得演播室內進行高質量的記錄與還原成為現實。但從上式中可以看出，即使以數字復合信號的帶寬而言（在理想情況下，其帶寬為53.2Mhz），也比傳送一路模擬電視信號所要求的帶寬提高了接近一個數量級，顯然用目前的電視頻道傳送他們是不可能的，更不用說用普通計算機硬盤去儲存這些信號（大概只能存幾十秒鐘），因此，數字電視的中心問題是要成倍地降低數字信號碼元的傳送速率（即壓縮碼率），消除電視信號中的多余信息（冗余量）和采用高效編碼方法；也就是本文所要重點討論的：

碼率壓縮技術

　　早在七十年代，科學家們就曾為衛星遙感圖像的傳輸，存儲和處理絞盡腦汁，經過一段時間的探索，人們發現，電視信號存在著很大的冗余度，即電視圖像的像元之間存在著很大的相關性，除了空間軸上的冗余度之外（即各像素之間的統計相關性），在時間軸上也有冗余度（電視信號前一場信號與其后若干場信號中大部分像素沒有發生變化，尤其是靜止畫面，或者是運動不太激烈的畫面）。

　　那么，根據像元之間的統計相關性，對數據進行某種運算變換，使變換后圖像比特數少于原始圖像的比特數，也就是將圖像數據進行壓縮的方法稱為碼率壓縮技術。

常見有如下方法：

　　⒈降低抽樣頻率的壓縮碼率技術。

　　降低抽樣頻率能夠壓縮碼率這是十分自然的，但是，奈氏定理指出，當抽樣頻率Fs<2Fm時，頻譜發生重迭，則采用低通濾波器無法無失真地恢復原信號；不過，電視圖像信號的能量主要集中在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內，中間存在很大的空隙，因此，若把抽樣頻率Fs選為半行頻的奇數倍，就可使Fs<2Fm時出現的頻譜混迭部分形成半行頻交錯。可以采用具有相應頻率特性的梳狀濾波器將其選出，以較小的失真恢復原始信號，稱之為亞奈奎斯特抽樣技術。

　　⒉差值脈沖編碼（DPCM）

　　差值脈碼調制，可以消除電視信號的統計性冗余度，因此大大地壓縮了碼率。DPCM又稱為預測量化系統，它所傳輸的不是信號本身，而是實際信號與其預測量之間的差值（預測誤差）。預測值是借助已經傳送的，與待傳抽樣相鄰的若干抽樣值估計（預測）出來的。由于電視信號的強相關性，鄰近抽樣的取值一般很接近，因此預測能有較高的準確性。從統計上講，需要傳輸的預測誤差主要集中在零附近的一個小范圍之內，比信號本身小很多，只有在圖象輪廊和邊緣處才出現較大的預測誤差，但這只是少量的，且人眼很不易察覺這種誤差。因此，預測誤差量化所需要的量化級較少，從而碼率得到壓縮。

　　⒊線性變換編碼：

　　線性變換編碼不直接對圖像數據編碼，而是首先將圖像數據進行某種線性變換，得到一組變換系數，然后對這些系數實現量化、編碼、傳輸。在接收端，對收到的變換系數進行相應的逆變換，再恢復成圖像信號。這樣做的理由是對變換系數進行壓縮編碼，往往比直接對圖像數據本身進行壓縮更容易獲得高的效率。以大家熟悉的付立葉變換為例，它是以通常在歐氏空間描寫的圖像信號變換到頻率空間（頻域）去描寫，付氏變換的物理意義是頻譜展開，對一幅圖像進行二維付立葉變換就是在縱和橫的兩個方向進行二維頻譜展開，由于信號與其頻譜之間有一一對應關系，因此，傳輸頻譜在接收端同樣可以恢復信號，而傳送頻譜往往比傳送信號本身簡單。由于電視信號的能量主要集中在低頻部分，能量密度隨頻率升高而迅速下降，加之考慮到人眼對圖像中的高頻細節不甚敏感的特點，因此，在頻率域編碼時，可以用較多的碼位對幅度大的低頻分量進行量化，而用較少的碼對幅度小的高頻分量進行量化，對于頻率特別高的分量甚至于可以舍棄不傳，從而就整體而言，碼率可以明顯下降。

　　從理論上講，線性變換編碼，可以壓縮碼率的原因在于圖像信號存在很強的相關性，這種強相關性在頻率域的反映是功率大部分集中在低頻段，從而有可能利用頻率域濾波的方式獲得大的壓縮比。

　　線性變換除了付立葉變換外，還有沃爾什哈達瑪變換、斜變換、離散余弦變換（DCT）、卡洛（K-L）變換等等，其中DCT因其壓縮效果較好而受到廣泛應用。據此，下面重點討論一下：

關于離散余弦變換（DCT）

　　離散余弦變換DCT（DiscreteCosineTransform）是數碼率壓縮需要常用的一個變換編碼方法。任何連續的實對稱函數的付立葉變換中只含余弦項，因此余弦變換與付立葉變換一樣有明確的物理意義。DCT是先將整體圖像分成N*N像素塊，然后對N*N像素塊逐一進行DCT變換。由于大多數圖像的高頻分量較小，相應于圖像高頻分量的系數經常為零，加上人眼對高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，傳送變換系數的數碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數碼率。到達接收端后通過反離散余弦變換回到樣值，雖然會有一定的失真，但人眼是可以接受的。