MPEG2幀內編碼在數字電視圖像壓縮中的應用

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。電視技術不斷地發展，實現了從黑白到彩色、從模擬向數字化的變革。數字電視因信號質量好、清晰度高、傳輸穩定及可交互的特點，獲得普遍應用。由于信號數據量過大，需占用較大的帶寬，需要對數字電視信號進行壓縮。文章研究了MPEG2幀內編碼在數字電視圖像壓縮中的應用。MPEG2幀內壓縮技術能夠提高壓縮效率，使廣播電視資源得到充分利用。

關鍵詞：數字電視；MPEG標準；幀內壓縮技術

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。在技術進步的推動下，電視傳播經歷了傳播內容從黑白電視到彩色模式改變，使傳播內容更加生動形象；實現了傳輸手段從模擬電視到數字電視的變化，使圖像更加清晰，信號更加穩定，使電視媒體的作用日益重要。

由于數字化后的電視信號數據量增大，需占用較大的存儲和傳輸空間，與此同時，圖像信息占據電視信號的主要內容。因此，對數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）為數字電視圖像壓縮提供統一的標準，在廣播電視系統中應用較廣。MPEG2幀內壓縮技術能夠在確保圖像質量的基礎上，進一步壓縮圖像，有效提高頻帶的利用率，保證數字電視圖像壓縮目的順利實現。

1 電視圖像形成概析

電視是能夠實時、權威、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，通過光電轉換將真實世界內容具象地呈現出來。

1.1 圖像是構成電視內容的重要元素

在不同的領域中圖像具有不同的含義。從藝術的角度理解，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構和形態的反映與再現。從廣播電視技術角度來看，圖像是通過攝像機、錄像機等影像記錄設備獲取原始材料，經過加工和處理之后，經由播出設備傳輸至電視機等接收設備的畫面。電視節目由多幅圖像組成，每幅圖像稱為幀。

電視傳輸內容構成中圖像既是主要內容，也是電視媒體區別于傳統媒體的重要標志。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實世界的變化與發展。紙質媒體、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圖像提供基礎

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內容。電視技術利用人眼的視覺惰性特征，實現圖像的動態傳輸。

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，而是在視覺中持續一定的時間，這就是視覺惰性，也稱為視覺暫留現象。電視技術根據人眼的視覺惰性現象，以固定的長度連續傳輸畫面，就會形成動態的影像感覺。

目前世界電視的制式存在差別，電視傳輸的幀數也有所不同的。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

最初電視發明時，以黑白兩種顏色表現圖像。彩色電視技術的發明和應用能夠栩栩如生地反映現實世界，將更好的內容呈現給人們。

2.1 根據三基色混色原理構造色彩信號

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雜。三基色原理為解決這一難題提供方法。人們通過實驗發現，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，就可呈現自然界絕大多數色彩，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顏色。從色彩的混色效果來看，混色的基準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成的基本要素

彩色電視的圖像由以下3個要素構成：亮度、色調和色飽和度[1]。與黑白電視信號相同，亮度信號是彩色電視基本信號，是構成一切電視圖像的基礎。亮度反映電視信號中每幀圖像光的強弱程度。色調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

電視傳輸是節目制作、信號發送和電視接收3個相互聯系、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、復合同步信號和復合消隱信號。各個環節間過光、電信號的轉換進行電視信號傳輸，實現電視節目播放。電視信號轉換模式如圖1所示。

4 數字電視是基于數字技術的電視技術新變革

數字電視的誕生既是電視技術的突破，也是電視技術新發展的開端。數字電視將電視技術帶入新的領域，同時也為進一步的擴展應用提供可能。

4.1 數字電視的含義

數字技術指以二進制“0”和“1”為存儲和傳輸信息的基本單位，通過不同的數字組合表示信息。數字電視是基于數字技術進行傳輸的電視傳播方式。從技術制作和傳輸方式來看，它是從數字設備對電視節目素材采集開始，經過后期的加工編輯、制作，再經傳輸實現接收的全過程均為數字信號的電視系統。

4.2 數字電視的實現

數字電視能夠實現電視信號的數字化需要經過抽樣、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不斷的信號。數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目內容，數字電視需要將圖像進行數字化轉換。采用數字技術將圖像信息轉換成以“0”和“1”為代表的電平數值，進行圖像信息的描述。通常用二進制的位數n表示量化等級，n也被稱為量化比特數，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，電視信號已經是數字化的信號。此時需要對電視信號根據相應的編碼規則進行編碼。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 數字電視的優點

數字電視自問世以來迅速獲得普遍的好評，并得到推廣，主要是因為數字電視具有如下特點：（1）信號穩定。在電視信號的傳輸中，數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）信號質量高。數字電視信號的清晰度優于模擬電視。（3）容量大。相同的寬帶下，數字電視能夠傳輸更多的內容。

5 圖像壓縮技術有助于克服數字電視的不足

數字電視技術的發展帶來諸多便利，但是數字化的過程產生大量的數據。大量的數據會增加電視信號存儲、傳輸占用的帶寬，因此需要對數字電視信號進行壓縮。

5.1 數字電視圖像壓縮的可能性

電視圖像是由連續的幀描繪，因此，各幀之間在時間、空間等因素上具有相關性，這為圖像壓縮提供了基礎。同時，數字技術的應用和發展使圖像壓縮成為可能[4]。

5.1.1 時間冗余

數字電視圖像序列中，相鄰幀之間的圖像在內容上具有關聯性，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

數字電視圖像序列中，相鄰幀圖像背景、形狀基本相同，沒有發生改變，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容。

5.1.3 結構冗余

數字電視圖像序列中，幀的圖像內容上大面積具有相似性，僅有細微差別，這稱為結構冗余。例如，播送花團錦簇的畫面，大面積同種類的花朵呈現同顏色同形狀，變化的是花朵開放的形態。

5.2 數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，是占據數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字電視信號中的冗余，即重復的、可推算的及在信號恢復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，優質的圖像壓縮是在不影響電視信號質量的基礎上保證圖像內容準確地還原。

6 MPEG2幀內編碼技術的作用

隨著數字電視技術的發展，圖像壓縮技術日趨完善，逐步形成國際統一的壓縮標準。MPEG移動圖像壓縮技術標準正是其中之一。

6.1 MPEG移動圖像壓縮標準簡介

MPEG全稱為國際標準化組織與國際電工委員會第一聯合技術組第29分委會第11工作組（ISO/IECJTC1/SC29），簡稱國際標準化組織與國際電工委員會第一聯合技術組（ISO/IECJTC1）運動圖像專家組[5]。專家組成立于1988年，負責制定數字視、音頻以及其他媒體壓縮、解壓、編碼和描述的國際技術標準。

MPEG專家組于1992年發布第一個標準MPEG-1。此后陸續針對不同應用、不同碼率的音視頻編碼壓縮發布了MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MPEG-7和MPEG-21等5個系列。其中，MEPG2標準系列在廣播電視領域中得到廣泛的應用。

6.2 MPEG2標準的壓縮方式

在MPEG2圖像壓縮標準中，主要通過DCT變換和運動預測技術來壓縮空間冗余和時間冗余，即兩步法完成圖像壓縮。首先，通過運動預測和運動補償的方法去除圖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壓縮標準的圖像結構

MPEG-2的視頻結構共分為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，由一系列連續的宏塊構成。當發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，即構成電視內容的幀，是編碼壓縮的基本單位。（5）圖像組，由電視內容中的多個圖像構成，是對內容進行編碼、壓縮、存儲和傳輸的基本單位。（6）視頻序列，也可以稱作圖像序列，由隨機選取節目的內容單元構成。

6.4 MPEG2標準I、P、B幀內編碼技術

MPEG2標準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 幀內編碼圖像：I幀

當需要對一段圖像進行編碼壓縮時，將第一幀定義為I幀。I幀只對本幀內的音、視頻及數據等信號進行量化、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，為了確保圖像質量不受壓縮的影響，I幀圖像的壓縮比不高。

6.4.2 前向預測編碼圖像：P幀

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

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幀采用了運動補償的方法進行編碼，因此P幀的壓縮比高于I幀。

6.4.3 雙向預測編碼圖像：B幀

B幀采用雙向預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幀內編碼技術的作用

MPEG2移動圖像壓縮技術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量，單靠幀間編碼是難以做到的。MPEG2幀內編碼技術有效地克服了這一困難。幀內編碼有效提高壓縮效率，同時壓縮效果好，確保數字電視信號能夠很好地還原。

7 結語

電視作為媒體傳輸技術手段，為人們獲取信息、了解世界提供了有效的途徑。隨著技術的發展，電視媒體不斷經歷傳輸方式和應用形式的革新。數字電視因采用數字技術，具有圖像清晰、信號穩定、抗干擾能力強的優點，獲得普遍的應用。然而，由于數字化的電視信號具有數據量大、占用帶寬多的不足，對數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準，為數字電視壓縮技術的發展提供重要依據。在MPEG的系列標準中，MPEG2在廣播電視系統中獲得普遍的認可，并被廣泛應用。MPEG2的幀內編碼技術能夠確保電視信號傳輸質量，在幀間編碼的基礎上，進一步提高數據壓縮率，提高廣播電視帶寬資源的利用率。