數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)原理及應(yīng)用

曾昭輝

摘 要 隨著我國(guó)數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化電視在我國(guó)大部分地區(qū)已得到了普及，為人們的生活帶來(lái)了更加高清的視覺(jué)享受。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)數(shù)字電視提出了更高的要求。對(duì)此，文章從數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)的發(fā)展及其原理入手，對(duì)數(shù)字電視視音頻壓縮的必要性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并對(duì)數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電視；視音頻壓縮技術(shù)

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-0360（2017）07-0037-03

1 視音頻壓縮技術(shù)發(fā)展概述及原理

在20世紀(jì)70年代后期，逐步出現(xiàn)了視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)化處理，即將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展初期，主要利用Flash變換器進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)化器不僅價(jià)格非常昂貴，而且只能進(jìn)行黑白圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，且在視頻幀上存在較大的差距。到20世紀(jì)80年代末，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在CPU、總線和磁盤技術(shù)的發(fā)展上取得了一些突破性的進(jìn)展，才逐步實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)的數(shù)字化。在此期間，在世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的努力下，逐步建立起以實(shí)現(xiàn)圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)際組織，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、聯(lián)合圖片專家組（JPEG）和活動(dòng)圖像專家組（MPEG）等組織。在多年的努力下，已制定了多種圖像壓縮編碼技術(shù)及其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

目前，MPEG-2視音頻壓縮技術(shù)因其清晰度高、誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)數(shù)字化電視領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文就以MPEG-2為例，對(duì)數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。一般情況下，電視數(shù)字信號(hào)中存在視覺(jué)冗余、時(shí)間冗余、空間冗余等多種冗余，視音頻壓縮技術(shù)主要就是通過(guò)消除冗余，降低其原始碼率。視音頻壓縮的原理就是利用幀與幀之間的相關(guān)性，通過(guò)視音頻A/D轉(zhuǎn)化器，將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后利用熵編碼對(duì)視音頻進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，再利用運(yùn)動(dòng)估值、離散余弦變換和自適應(yīng)量化進(jìn)行視音頻數(shù)據(jù)的冗余壓縮，利用碼流來(lái)實(shí)現(xiàn)傳送流，并根據(jù)實(shí)際需要將碼流轉(zhuǎn)化為節(jié)目流。視音頻壓縮流程如圖1所示。

2 數(shù)字電視視音頻壓縮的必要性

數(shù)字電視就是將電視信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的清晰度電視信號(hào)的傳輸。通常，電視的視頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)取樣、量化和編碼后，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)圖像分辨率為720×576的標(biāo)準(zhǔn)清晰度的電視節(jié)目，該視頻具有高達(dá)166 Mbps的有效原始碼率。此類電視節(jié)目一秒鐘的視頻編碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)容量就有20 MB，每個(gè)小時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)容量就高達(dá)72 GB。由此可以看出，對(duì)于容量如此大的數(shù)據(jù)，不僅產(chǎn)生極大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，而且大容量的數(shù)據(jù)將對(duì)其傳輸造成極大的壓力。因此，為進(jìn)一步推進(jìn)電視的數(shù)字化進(jìn)程，必須采用視音頻壓縮技術(shù)對(duì)視頻原始碼率進(jìn)行有效的壓縮，以滿足數(shù)字化電視發(fā)展的需要。要想使數(shù)字化的電視節(jié)目能真正應(yīng)用到實(shí)際工作中，必須對(duì)它的原始碼率進(jìn)行壓縮處理。

3 數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)及其應(yīng)用

目前，數(shù)字電視視音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼較多，常用的主要有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、統(tǒng)計(jì)編碼等壓縮編碼技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在視音頻數(shù)據(jù)的壓縮上，我們可以根據(jù)壓縮過(guò)程中有無(wú)信息丟失情況，將視音頻的壓縮編碼技術(shù)分為有損數(shù)據(jù)壓縮和無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)。目前，常用的無(wú)損編碼主要有LZ編碼、游程編碼、霍夫曼編碼（Huffinan）等壓縮編碼技術(shù)；常用的有損編碼主要有變換編碼、預(yù)測(cè)編碼、模型編碼、向量量化、頻帶分割編碼、分層編碼等壓縮編碼技術(shù)。目前，在數(shù)字電視視音頻壓縮中使用最廣泛的就是有損編碼。數(shù)字電視的視音頻壓縮主要包括信源編碼過(guò)程中進(jìn)行壓縮和改進(jìn)信道編碼兩方面的內(nèi)容。

3.1 信源編解碼技術(shù)

信源編解碼技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)視頻的壓縮編解碼，還能實(shí)現(xiàn)音頻的編解碼。信源編碼技術(shù)主要是將節(jié)目源的圖像模擬信號(hào)和聲音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的壓縮編碼，使其形成數(shù)字信號(hào)源，并根據(jù)不同節(jié)目的傳輸需求將數(shù)字信號(hào)源編為復(fù)用碼流。

3.1.1 視頻編碼壓縮技術(shù)

雖然數(shù)字電視因其較高的清晰度在人們生活中備受青睞，但是與傳統(tǒng)的模擬電視相比，數(shù)字電視所面臨的最大難題就是視頻數(shù)字信號(hào)的壓縮。視頻編碼技術(shù)主要就是完成圖像數(shù)字信號(hào)的壓縮，通過(guò)視頻編碼壓縮技術(shù)，可以大大減小數(shù)字信號(hào)的傳輸量，壓縮前的數(shù)字傳輸量高達(dá)995 Mbit/s，而在進(jìn)行壓縮后其傳輸量可以減小到20 Mbit/s～30 Mbit/s。目前，國(guó)際上對(duì)數(shù)字圖像編碼技術(shù)制訂了三種標(biāo)準(zhǔn)，這三種標(biāo)準(zhǔn)分別為：MPEG標(biāo)準(zhǔn)、JPMG標(biāo)準(zhǔn)、H.261標(biāo)準(zhǔn)，其中MPEG標(biāo)準(zhǔn)主要適用于連續(xù)圖像的編碼；JPMG標(biāo)準(zhǔn)主要適用于靜止圖像的編碼；H.261標(biāo)準(zhǔn)主要用于電視會(huì)議的編碼。目前典型的MPEG-2視音頻壓縮技術(shù)在數(shù)字信號(hào)壓縮中，它可以將原始碼率進(jìn)行不同程度的壓縮，壓縮后其碼率可以壓縮至3 Mbit/s～40 Mbit/s，同時(shí)它還可以支持多種高清晰度的電視，如高標(biāo)準(zhǔn)分辨率的16︰9寬屏電視。目前，MPEG-2數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)主要采用幀與幀之間的預(yù)測(cè)編碼和運(yùn)動(dòng)估值、DCT、自適應(yīng)量化、熵編碼、游程編碼和VCL編碼等。在高清數(shù)字電視視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)方面，歐美國(guó)家及日本都比較統(tǒng)一，均采用的是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。此外，MPEG-2增加了分級(jí)視頻編碼工具，有效實(shí)現(xiàn)了時(shí)域分級(jí)、空域分級(jí)、數(shù)據(jù)分割等多層視頻編碼。MPEG-2解碼最開(kāi)始對(duì)通用處理器和DSP的參數(shù)要求很高，但隨著不斷的優(yōu)化，MPEG-2解碼器已經(jīng)成為了較為主流的存在。MPEG所需數(shù)據(jù)率能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)電視會(huì)議、電視電話等低數(shù)據(jù)率的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.1.2 音頻編碼技術(shù)

音頻編碼技術(shù)就是對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)的壓縮技術(shù)。音頻信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，其數(shù)據(jù)信息量與傳統(tǒng)的模擬傳輸狀態(tài)相比要大很多。因此，數(shù)字化的音頻信號(hào)不能像傳統(tǒng)的模擬信號(hào)那樣直接通過(guò)無(wú)線廣播進(jìn)行傳輸，必須將數(shù)字化的音頻信息進(jìn)行壓縮編碼后，才能進(jìn)行有效的傳輸。如MPEG-1的音頻壓縮技術(shù)主要是采用48 kHz、44.1 kHz和32 kHz的采樣頻率進(jìn)行數(shù)字音頻的采樣，其自適應(yīng)的量化精度為16位。若是立體聲道，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)率為705.6 kB/s，總的數(shù)據(jù)率為1411.2 kB/s。當(dāng)采用MPEG-1音頻壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼后，其位速率可以直接降到0.192 MB/s，且經(jīng)過(guò)壓縮的音頻質(zhì)量得到有效的保真，在對(duì)壓縮編碼還原后，其音質(zhì)與源音質(zhì)相差無(wú)幾。目前，我國(guó)在信源編解碼標(biāo)準(zhǔn)上，與歐美國(guó)家具有一致性，基本采用的是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，此外我國(guó)還采用或是采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且與MPEG系列兼容的AVS聲像標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 數(shù)字電視的信道編碼及調(diào)制

數(shù)字電視的信道主要包括信道編碼和信道調(diào)制兩方面的核心技術(shù)。在DTV技術(shù)中信道編碼和信源編碼是恰恰相反的，信道編碼為了降低誤碼率，提高DTV傳輸?shù)目煽啃裕枰誀奚郊有畔⒅貜?fù)性和有關(guān)數(shù)據(jù)量為代價(jià)。通常信道編碼由內(nèi)碼與外碼組成，信道編碼進(jìn)行內(nèi)外碼的設(shè)置主要是為了利用糾錯(cuò)編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等技術(shù)避免信號(hào)受到不必要的干擾，以確保在提高可靠性的同時(shí)能夠有效降低誤碼率。信達(dá)編碼的外碼主要用于編碼的突發(fā)性錯(cuò)碼和大面積錯(cuò)碼的糾錯(cuò)，如出現(xiàn)大面積的錯(cuò)碼，利用外碼可將大面積的錯(cuò)碼劃分成小面積的錯(cuò)碼進(jìn)行糾錯(cuò)，以提高錯(cuò)碼的糾錯(cuò)效率。內(nèi)碼具有較大的引入冗余度，因此其糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，利用內(nèi)碼糾錯(cuò)需要以犧牲降低傳輸速率和增加帶寬為代價(jià)。目前，已有一些新的技術(shù)，如trellis編碼調(diào)制（TCM），利用該技術(shù)在進(jìn)行糾錯(cuò)的同時(shí)還能有效節(jié)約功率和帶寬。信道編碼技術(shù)在實(shí)際使用過(guò)程中，內(nèi)碼與外碼的設(shè)置可根據(jù)傳輸?shù)臈l件進(jìn)行選擇，有些可以不用設(shè)置內(nèi)碼，如有線DTV傳輸只需要用外碼而沒(méi)有內(nèi)碼。

數(shù)字電視的調(diào)制方式以載波為主體，要實(shí)現(xiàn)調(diào)制，需先將要進(jìn)行傳輸?shù)男盘?hào)（調(diào)制信號(hào)）放在載波（高頻正弦波或脈沖串）上，做好信號(hào)的發(fā)射準(zhǔn)備。目前，數(shù)字電視的調(diào)制方式主要有單載波調(diào)制和多載波調(diào)制兩種。由于各個(gè)國(guó)家在對(duì)于數(shù)字信號(hào)的編碼糾錯(cuò)、均衡等技術(shù)上存在較大的差異，且各國(guó)數(shù)字電視制式的帶寬不同，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一。

3.3 下一代廣播電視無(wú)線網(wǎng)

2016年，我國(guó)首次召開(kāi)了“下一代廣播電視無(wú)線網(wǎng)（NGB-W）標(biāo)準(zhǔn)宣貫會(huì)”，NGB-W網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是NGB-W全網(wǎng)全業(yè)務(wù)的承載節(jié)點(diǎn)，融合了廣播電視無(wú)線技術(shù)和無(wú)線寬帶技術(shù)，同時(shí)接收單向廣播業(yè)務(wù)與雙向交互業(yè)務(wù)的信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成終端可接收的WLAN信號(hào)格式進(jìn)行業(yè)務(wù)覆蓋，具備WLAN接入功能的各類智能終端都能夠快速訪問(wèn)NGB-W網(wǎng)絡(luò)。而為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，再不針對(duì)數(shù)字電視多徑衰落的信道特點(diǎn)，為了確保信號(hào)編碼傳輸?shù)姆€(wěn)定性，NGB-W對(duì)編碼效率和糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的低密度LDPC和Turbo碼、信號(hào)空間分集增益更高的比特編碼調(diào)制技術(shù)以及低復(fù)雜度的迭代解調(diào)譯碼技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。可以說(shuō)，在NGB-W的系統(tǒng)架構(gòu)和支持下，我國(guó)數(shù)字電視視音頻壓縮與傳播將進(jìn)入無(wú)線智能時(shí)代，用戶多元化、個(gè)性化的視訊需求將得到充分滿足，同時(shí)將有效緩解內(nèi)容冗余傳輸帶來(lái)的巨額網(wǎng)絡(luò)流量壓力，節(jié)省雙向流量，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)電視數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)的研究將是未來(lái)數(shù)字電視取得突破性進(jìn)展的研究重點(diǎn)。數(shù)字電視視音頻壓縮技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步加快我國(guó)實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字電視的普及，促進(jìn)數(shù)字廣播電視行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

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