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责任编辑:刘昆山

  日 期 2000-9-2
  作 者 南京邮电学院信息工程系 余兆明
  内 容 自 1948年提出视频数字化概念后, 经过将近40年的探索, 于1982年提出了电视演播室数字编码的国际标准 (CCIR 601号建议);;又于1984年提出了第一个实用化的、适应于会议电视和可视电话要求的H.261 标准;;1993年公布了活动图像的编码压缩标准MPEG-1;;1994年发表了MPEG-2标准, 该标准向下兼容MPEG-1, 向上兼容HDTV的图像质量;;1999年公布了MPEG-4标准;; 今后还计划发表MPEG-7标准。下面将上述国际标准逐一介绍。

  2.1. CCIR 601号建议

  为了便于国际间的节目交换,为消除数字设备之间的制式差别,和为 625行电视系统与 525行电视系统之间兼容,在 1982年 2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第 15次全会上,通过了 601号建议,确定以分量编码为基础, 即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、 B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。
  该标准规定: (1).不管是PAL制,还是 NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。(2). 抽样后采用线性量化,每个样点的量化比特数用于演播室为10bit, 用于传输为8bit。(3). Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4:2: 2。
  在 1983年 9月召开的国际无线电咨询委员会(CCIR)中期会议上,又作了三点补充:(l)明确规定编码信号是经过γ预校正的 Y、(R-Y)、B-Y)信号;(2)相应于量化级 0和 255的码字专用于同步, l到 254的量化级用于视频信号;; (3)进一步明确了模拟与数字行的对应关系,并规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔,对 525行、 60场/秒制式来说为 1 6个样点,对 625行、 50场/秒制式则为 12 个样点。不论 625行/50场或 525行/60场,其数字有效行的亮度样点数都是 720,色差信号的样点数均是 360,这是为了便于制式转换。若亮度样点数被 2除,就得到色差信号的数据。

  2.2. H·261标准

  1984 年国际电报电话咨询委员会的第 15研究组成立了一个专家组,专门研究电视电话的编码问题,所用的电话网络为综合业务数据网络ISDN,当时的目标是推荐一个图像编码标准,其传输速率为 m×384kb/s(千位/秒),m= l,2,3,4,5。这里384kb/s在 ISDN中称为 Ho通道。另有基本通道 B的速率为64kb/s, 6×B= 384kb/s。5×Ho = 30×B= 1920kb/s为窄带 ISDN的最高速率。后来因为 384kb/s速率作为起始点偏高,广泛性受限制,另外跨度也太大,灵活性受影响,所以改为 p×64kb/s, p= l, 2,3,..30。最后又把 p扩展到 32,因为 32× 64kb/s=2084kb/s, 其中 2084=211,基本上等于2Mb/s, 实际上已超过了窄带 ISDN的最高速率 1920kb/s,最高速率也称通道容量。经过5年以上的精心研究和努力,终于在 1990年12月完成和批准了CCITT推荐书 H.261,即"采用 p×64kb/s的声像业务的图像编解码",H.261简称 p×64。
  由于 H.261标准是用于电视电话和电视会议,所以推荐的图像编码算法必须是实时处理的,并且要求最小的延迟时间,因为图像必须和语音密切配合,否则必须延迟语音时间。当 p取l或2时,速率只能达到128kb/s, 由于速率较低只能传清晰度不太高的图像,所以适合于面对面的电视电话。当 p>6时,速率>384kb/s则速率较高,可以传输清晰度尚好的图像,所以适用于电视会议。

  2.3. JPEG标准

  静像数据压缩标准 JPEG(Joint Photo一graphic Experts Group),直译为联合摄影术专家组,其中联合是指几个国际组织的联合。它是从1986年正式开始制订的。当时由两个国际组织联合支持,其一,是国际标准组织 ISO;; 其二,是国际电报电话咨询委员会 CCITT。到 1987年 l1月,国际电工委员会 IEC也参加合作,因此说 JPEG是三个国际组织合作的成果。虽然从 1986开始,经过许多次国际会议讨论和修改后,于1992年 7月 2日表决通过标准的第一部分,但是可能对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作进一步修改。JPEG是 ISO的标准,同时也CCITT的推荐标准。
  JPEG是数字图像压缩的国际标准。它用于连续变化的静止图像,这里包括灰度等级和颜色两方面的连续变化。JPEG包含两种基本压缩方法,各有不同的操作模式。第一种是有损压缩,它是以DCT(Discrete Cosine Transform)为基础的压缩方法。第二种为无损压缩,又称预测压缩方法。但最常使用的是第一种, 即DCT压缩方法,也称为基线顺序编解码(Baseline Sequential Codec)方法,因为这种方法的优点是先进、有效、简单、易于交流,因此应用广泛,是以DCT为基础的最基本、最重要的方法。

  2.4. MPEG- l标准

  MPEG 是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写。实际上,它是标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)联合技术委员会l(JTC l)的第29分委员会(SC29)的第 l l工作组(WG l l),其全称是 WG l l of SC 29 of ISO/IEC JTCl。MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准,成立于1988年。
  专家组最初的任务有三个:实现 1.5Mb/s、 10Mb/s、 40Mb/s的压缩编码标准,即 MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3。但因为 MPEG-2的功能已使 MPEG-3为多余,所以 MPEG-3于1992月撤消。MPEG-4项目是1991年5月建议并于 1993年 7月确认,其目标是甚低数码率的音频压缩编码(码率低于28.8Kb/s)。下面分别介绍各个标准。
  随着数字音频和数字视频技术的广泛应用,ISO的活动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了 ISO ll172标准的建议草案,通称 MPEG-1标准。该标准于 1992年 11月通过, 1993年8月公布。MPEG-1标准适用于数码率在1.5Mbps左右的应用环境,也就是为CD-ROM光盘的视频存储和放像所制定的。
  MPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像,其基本算法对于压缩水平方向 360个像素竖直方向 288个象素的空间分辨力,每秒24至30幅画面的运动图像有很好的效果,在 MPEG-1标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念,前者一定是成逐行扫描的图像,如果待处理信号是隔行扫描的图像,则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式。
  MPEG-l标准提供了一些录像机的功能:正放,图像冻结、快进、快倒和慢放。此外,还提供了随机存储的功能,当然,解码器这些功能的实现在一定程度上同图像数据存储介质相关。
  MPEG-l标准采用了一系列技术以获得高压缩比,第一,对色差信号进行亚采样,减少数据量 ;;第二,采用运动补偿技术减少帧间冗余度;第三,做二维DCT变换去除空间相关性;; 第四,对DCT分量进行量化,舍去不重要的信息,将量化后DCT分量按照频率重新排序;; 第五,将 DCT分量进行变字长编码 ;;第六,对每数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码MPEG-l中的图像类型共分四种: I图像, 或称Intra图像,采用帧内编码,不参照其它图像;; P图像, 或称 Predicted图像, 它们参照前一幅I或P图像做运动补偿编码;; B图像,或称双向预测图像,它们参照前一幅和后一幅I或P图像做双向运动补偿编码;; D图像,或称直流(DC) 图像,这类图像中只含直流分量,是为快放功能而设计的。

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