信源編碼原理

信源編碼原理《廣電網(wǎng)絡(luò)工程綜合實(shí)訓(xùn)》課程2目錄信源編碼的必要性01壓縮編碼的可行性02壓縮編碼的方法03典型壓縮編碼方法043信源編碼的方法信源編碼也稱為頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼，就是把原始的模擬電視信號(hào)用數(shù)字編碼來(lái)表示，也稱為數(shù)字化。電視信號(hào)數(shù)字化后有優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有一個(gè)缺點(diǎn)，即數(shù)碼率很高。例如4：2：2編碼、8比特量化的SDTV信號(hào)數(shù)碼率為216Mbps。傳輸這樣一路數(shù)字電視信號(hào)需要有108MHz的通道帶寬；對(duì)于10比特量化的HDTV信號(hào)來(lái)說(shuō)，其數(shù)碼率達(dá)到1485Mbps，所需的傳輸通道帶寬高達(dá)742.5MHz。因此，若不采取措施，這樣的信號(hào)無(wú)法在一般的通道中傳輸，更無(wú)法在現(xiàn)有電視的8MHz帶寬中傳輸。4信源編碼的方法數(shù)據(jù)量非常大之后，除了信號(hào)傳輸有問(wèn)題外，信號(hào)的存貯也有問(wèn)題。在4：2：2編碼、8比特量化情況下，一幀SDTV圖像的數(shù)據(jù)量約為8.6Mb，要記錄10分鐘的電視節(jié)目就需要130Gb的存儲(chǔ)器容量；記錄10分鐘HDTV的節(jié)目需要891Gb的存儲(chǔ)器容量?？梢?，若不壓縮數(shù)據(jù)量，就無(wú)法在普通的存儲(chǔ)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的存儲(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的有效存儲(chǔ)和傳輸，就需要采取措施降低其數(shù)據(jù)量和數(shù)碼率，也就是說(shuō)要設(shè)法對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行壓縮，通常將這一過(guò)程稱為信源編碼。5壓縮編碼的可行性數(shù)字電視信號(hào)之所以可以壓縮，是因?yàn)閷?duì)于視頻信號(hào)存在著時(shí)間、空間、統(tǒng)計(jì)、人眼視覺(jué)等大量冗余。對(duì)于音頻來(lái)講，同樣存在頻域和時(shí)域的掩蔽效應(yīng)。6壓縮編碼的方法無(wú)損壓縮有損壓縮幀間壓縮幀內(nèi)壓縮變換壓縮熵編碼7視頻壓縮編碼的可行性時(shí)間冗余

電視圖像中相繼各幀對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的值往往相近或相同，具有時(shí)間相關(guān)性，相鄰兩幀圖像的內(nèi)容大體相似，不必傳輸每一幀圖像，空間冗余

一幅圖像相鄰各點(diǎn)的取值往往相近或相同，具有空間相關(guān)性，找出這些相關(guān)性就可以減少信息量統(tǒng)計(jì)冗余

對(duì)經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用短碼組表，對(duì)不經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用長(zhǎng)碼組表示，則最終用于表示這一串?dāng)?shù)據(jù)的總碼位就減少了，從而實(shí)現(xiàn)與統(tǒng)計(jì)冗余有關(guān)的壓縮。人眼的視覺(jué)冗余

人眼對(duì)亮度信號(hào)比對(duì)色度信號(hào)敏感，對(duì)低頻信號(hào)比對(duì)高頻信號(hào)敏感，對(duì)靜止圖像比對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像敏感8音頻壓縮編碼的可行性頻域掩蔽效應(yīng)。是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時(shí)作用時(shí)發(fā)生的掩蔽效應(yīng)，又稱為同時(shí)掩蔽。通常，頻域中的一個(gè)強(qiáng)音會(huì)掩蔽與之同時(shí)發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強(qiáng)音越近，一般越容易被掩蔽；反之，離強(qiáng)音較遠(yuǎn)的弱音不容易被掩蔽。人耳在20Hz～20?kHz的可聽范圍內(nèi)，對(duì)3～4?kHz附近的聲音最敏感。時(shí)域掩蔽效應(yīng)。所謂時(shí)域掩蔽，是指掩蔽效應(yīng)發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，又稱為異時(shí)掩蔽。9典型壓縮標(biāo)準(zhǔn)（1）JPEGJPEG是聯(lián)合圖像專家組的簡(jiǎn)稱，研究靜止圖像的有損壓縮方案，成為現(xiàn)在的JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG實(shí)際上也可以用于動(dòng)態(tài)的視頻圖像，即在采集時(shí)對(duì)視頻信號(hào)的每一幀畫面進(jìn)行JPEG壓縮，而在重放時(shí)將一系列JPEG圖像連續(xù)放出，這就是早期MotionJPEG方式。（2）H.261H.261是ITU（原CCITT）數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于通過(guò)ISDN電話線的視頻會(huì)議和視頻電話，其比特率為P×64kbps，這里的P的取值范圍是1～30。10典型壓縮標(biāo)準(zhǔn)（3）MPEG1MPEG是活動(dòng)圖像專家組的簡(jiǎn)稱，負(fù)責(zé)制定視頻及伴音的編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要用于數(shù)字存儲(chǔ)媒質(zhì)的活動(dòng)圖像及伴音，經(jīng)壓縮后的總數(shù)據(jù)比特率為1.5?Mbps。MPEG在1.2?Mbps速率下的壓縮/解壓縮SIF格式的視頻質(zhì)量可以和用VHS錄像機(jī)中紀(jì)錄的模擬視頻的質(zhì)量相媲美。（4）MPEG2MPEG2是MPEG1的擴(kuò)展，可廣泛用于各種速率和各種分辨率的情況，而且可以接收隔行掃描的輸入信號(hào)。我國(guó)數(shù)字有線電視的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)主要采用MPEG2，它針對(duì)圖像幾種冗余的特點(diǎn)，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)估值、離散余弦變換（DCT）、自適應(yīng)量化和熵編碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)碼率的壓縮。MPEG2五類四級(jí)。其中主類主級(jí)MP@ML適用于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視，主類高級(jí)MP@HL則用于高清晰度電視（1920×1080像素）。11典型壓縮標(biāo)準(zhǔn)（5）MPEG4MPEG4是1998年11月被ISO/IEC批準(zhǔn)的一個(gè)新的視頻多媒體業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)圖像中的某個(gè)內(nèi)容進(jìn)行編碼，其具體的編碼對(duì)象是圖像中的音頻和視頻，稱為AV對(duì)象。適用于低傳輸速率應(yīng)用的方案。更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。（6）H.264H.264是由ITV-T視頻編碼專家組和ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專家組聯(lián)合組成的聯(lián)合視頻組提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)，建立在塊匹配混合編碼的基礎(chǔ)上，采取一系列高效壓縮編碼技術(shù)的開放式標(biāo)準(zhǔn)。在相同的SNR下，H.264的平均碼流比MPEG4降低41%，比H.263降低52%，比MPEG2降低67%（一套SDTV/6?Mbps降低為1.98?Mbps）。1