数字电视视频压缩技术原理.doc

数字电视视频压缩技术原理

摘要：视频压缩通过减少和去除冗余视频数据的方式，达到有效发送和存储数字视频文件的目的。在压缩过程中，需要应用压缩算法对源视频进行压缩以创建压缩文件，以便进行传输和存储。要想播放压缩文件，则需要应用相反的解压缩算法对视频进行还原，还原后的视频内容与原始的源视频内容几乎完全相同。压缩、发送、解压缩和显示文件所需的时间称为延时。在相同处理能力下，压缩算法越高级，延时就越长。

传统的压缩编码是建立在香农（Shannon）信息论基础上的，它以经典的集合论为基础，用统计概率模型来描述信源，但它未考虑信息接受者的主观特性及事件本身的具体含义、重要程度和引起的后果。因此，压缩编码的发展历程实际上是以香农信息论为出发点，一个不断完善的过程。
从不同角度考虑，数据压缩编码具有不同的分类方式。
按信源的统计特性可分为HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/1051749.htm"\t"_blank"预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带－小波编码、神经网络编码方法等。
数眼的视觉特性可能基于方向滤波的HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/1312713.htm"\t"_blank"图像编码、基于图像轮廓－纹理的编码方法等。
按图像传递的景物特性可分为分形编码、基于内容的编码方法等。
视频压缩技术是计算机处理视频的前提。视频信号数字化后数据带宽很高，通常在20MB/秒以上，因此计算机很难对之进行保存和处理。采用压缩技术以后通常数据带宽右以降到1-10MB/秒，这样就可以将视频信号保存在计算机中并作相应的处理。常用的算法是由ISO制订的，即JPEG和MPEG算法。JPEG是静态图像压缩标准，适用于连续色调彩色或灰度图像，它包括两部分：一是基于DPCM(空间线性预测)技术的无失真编码，一是基于DCT(离散余弦变换)和哈夫曼编码的有失真算法，前者压缩比很小，主要应用的是后一种算法。在非线性编辑中最常用的是MJPEG算法，即MotionJPEG。它是将视频信号50帧/秒(PAL制式)变为25帧/秒，然后按照25帧/秒的速度使用JPEG算法对每一帧压缩。通常压缩倍数在3.5-5倍时可以达到Betacam的图像质量。MPEG算法是适用于动态视频的压缩算法，它除了对单幅图像进行编码外还利用图像序列中的相关原则，将冗余去掉，这样可以大大提高视频的压缩比。前MPEG-I用于VCD节目中，MPEG-II用于VOD、DVD节目中。
数据压缩的理论基础是信息论，从信息论的角度来看，压缩就是去掉数据中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知的），也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述。数字图像和视频数据中存在着大量的数据冗余和主观视觉冗余，因此，图像和视频数据压缩不仅是必要的，而且也是可能的。
视频数据压缩方法根据不同的依据可产生不同的分类。最常见的是根据质量有无损失可分为有失真压缩编码和无失真压缩编码。按照压缩冗余信息的机理不同，目前的图像压缩编码方法大致可以分为三类:一是，着眼于图像信源的统计特征的压缩方式，主要采用统计编码法、预测编码法、变换编码法、矢量量化编码法、神经网络编码法等；二是，着眼于人眼视觉特性的压缩方式，主要采用基于方向滤波的图像编码法，基于图像轮廓-纹理的编码法；三是，着眼于图像传递的景物（内容）特征的压缩方式，主要采用基于模型的（分形）编码法。
视频编解码器（编码器/解码器）是指两个协同运行的压缩-解压算法。使用不同标准的视频编解码器通常彼此之间互不兼容；也就是说，使用一种标准进行压缩的视频内容无法使用另外一种标准进行解压缩。例如，MPEG-4Part2解码器就不能与H.264编码器协同运行。这是因为一种算法无法正确地对另外一个算法的输出信号进行解码，然而我们可以在同一软件或硬件中使用多种不同的算法，以支持对多种格式的文件进行压缩。
由于不同的视频压缩标准会使用不同的方法来减少数据量，因此压缩结果在比特率、质量和延时方面也各不相同。
此外，由于编码器的设计者可能会选择使用某个标准所定义的不同工具集，因此，即使是使用相同压缩标准的编码器之间，其压缩结果也可能会存在差异。不过，只要编码器的输出信号符合标准的格式以及解码器的要求，就可以采用不同的实施方式。这是非常有利的，因为不同的实施方式可实现不同的目标，满足不同的预算要求。对用于管理光介质存储的非实时专业软件编码器来说，应该能够比用于视频会议的集成在手持设备中的实时硬件编码器提供质量更高的编码视频。因此，即使是某个指定的标准也无法保证提供指定的比特率或质量。而且，如果不事先确定实施方式，一个标准就无法与其它标准进行正确的性能对比，甚至也无法与同一标准的其它实施方式进