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浅谈数字视频压缩技术非编设备中的应用

发布时间:2019-05-15 08:11 来源:未知 编辑:admin

  摘 要:本文主要对视频数字压缩技术在非线性编辑设备中的应用做了一些阐述。

  随着计算机技术的不断发展,视频、音频的数字化已经成为广播电视技术发展的方向,但是由于视频数字化的比特数的明显增加给视频信号传输和处理带来了困难,由此产生了视频压缩技术,该技术可以解决这个问题;同时数字压缩技术已经成为非线性编辑设备关键技术之一。

  将视频信号变成计算机能够处理的数据的方法是在上世纪70年代后期出现的,当时FLSAH变换器价格昂贵,并且只能处理黑白图像,也跟不上视频帧的实时。80年代末,随着计算机CPU、总线和磁盘技术的发展,视频信号数字化得以实现,1991年,将编码、解码和数字化3种功能合一的板卡出现。后来出现了CCIR-601的4∶2∶2取样标准,在数字化过程中起了重要作用,它规定了不同电视制式使用统一的取样标准,即是亮度信号取样频率是色度副载波的4倍,其中亮度Y取样频率是135MHz,R-Y,B-Y都为675MHz。

  数字视频处理方式(就整个电视领域而言)分为:压缩处理和无压缩处理 以前我们更多接触的是无压缩处理设备,如数字特技台,如:美国ABEKAS的8100,我台的8150等等,或者是一些高端的工作站也采用无压缩处理。但面对大量的电视节目的处理和存储,就必须采用压缩处理,否则造价是一个方面,网络化更是不可想象的。

  所谓压缩处理,就是去掉信号中的一些冗余信息,甚至丢掉一些不太重要的信息,减小或明显减小信息量,从而使数据传输率和占用空间大大减少,正是因此才使得目前广泛采用的电视节目非线性编辑设备的广泛使用。

  1)根据信息在压缩过程中是否丢失来划分,分为无损压缩和有损压缩。无损压缩是指在压缩之后还原出来的数据和没压缩前的完全一样,这样当然是好的,但是有一个突出问题就是压缩比不能做的太高,仍然不能解决存储空间的问题,也就限制了应用。有损压缩是指在压缩过程中会丢掉视频中的一些信息,解压缩后恢复原来的视频信号,但丢失的信息不能恢复。

  作为高质量的视频压缩,会尽量丢掉一些人眼视觉功能不需要的信息,或者人眼不敏感的信息,这样使解压后的恢复的信号与未压缩前的原始信号没有多大差别,这样即保持了视频信号的高质量,又保证了压缩比。我们现在采用的非线性编辑系统大都采用有损压缩方式,并且压缩程度可以调节,以适应不同视频信号的质量要求。现在非编网络中大都是采用有损压缩的辅助方法,如M-JPEG和MPEG。

  其实压缩技术并不是什么新技术,模拟压缩技术很早就应用于电视中。没有压缩技术可以说

  就没有电视技术发展的今天。我们现在使用的电视系统实质上就是一个模拟压缩系统,如图1。

  从摄像机产生的R、G、B信号是全带宽的视频信号,每个通道大约10MHz,在变化成R-Y、B-Y、Y的编码过程中,电视系统进行了一次模拟 压缩,这时变成亮度信号6MHz的带宽,色度信号不到2MHz的带宽,这里压缩的程度是很明显的,对高频分量明显的压缩,同时也衰减了色度的中高频部分 。然后在录像的过程中一般还要进行第二次压缩,而且幅度很大。

  比如我们现在普遍采用的分量录像机(M2、Betacam SP)也采用了模拟压缩系统,只是压缩幅度减小了。

  数字压缩是将模拟信号数字化以后进行压缩,它现在广泛应用于数字信号传输和非线性编辑中。压缩方式分为单纯软件压缩和软件和硬件辅助压缩;其中单纯软件压缩虽然可以明显减少信息量,但也明显降低了图像质量,而且受计算机限制影响实时速度,也就是说单纯软件压缩技术没有太多时间对输入丢掉,因此不能应用与现有的非线性编辑中。

  目前采用的是软件压缩,硬件辅助的压缩方式,其中包括:JPEG和MPEG。

  JPEG是Joint Photographic Experts Group的缩写,原来是用于静止图像的压缩,后来广泛应用于数字非线性编辑中,由于处理的是运动图像,因此称为M-JPEG。其简单框图如图2。

  图中最开始是R、G、B帧存储器,经过JPEG压缩后经总线送到CPU;DCT是 Discrefe Cosine Trabsforms的缩写,意思是离散余弦变换,它是一种有损压缩算法,至于压缩中什么信息需要保留就在JPEG中要解决的问题。JPEG可以提供一定时间去分析视频桢信号,尽可能保持图像中的细节有用的部分,而同时又尽量丢弃那些不需要或者不重要的信息,而不是硬性的压缩。其中DCT将图像量化,把活动视频信号转变成用不同频率来表示,就是说整个图像可以通过含有的频率来确定了,这样根据人的视觉特性,对已经量化的频率进行不同程度的压缩,通常的压缩比为8∶1~100∶1,量化压缩是一种有损压缩,在记录之前一定要选择合适的压缩比,一般采用8∶1~10∶1的压缩比就不太容易分辨出来了。另外M-JPEG采用的是帧内编码技术,我们都知道图像是由一帧帧图像组成的,一般来说每帧图像都不同,但基本上相临的帧是相似的。JEPG压缩只管单帧图像,不去顾及前后相临帧,因此这种方法是将每帧图像作为基础来处理,它仅利用了相临象素大都相同的空间冗余度。MPEG这种帧内编码对于后期制作是非常重要的,当我们在编辑节目时,总是删去或增加图像帧,做些图像之间的特技转换,这种方式正符合这个特点,可以单独对帧信号进行编辑制作。

  但是MPEG 也有些缺点,因为JPEG主要是针对静止图像或者单帧图像开发的,而电视图像最大特点是运动,因此压缩比不能做的太高,否则将明显影响质量,还会导致马赛克等编码劣化的现象。

  现在我台使用的美国AVID非线性编辑设备就是采用M-JPEG的压缩方式。

  MPEG也是一种软件压缩、硬件辅助的压缩技术,是Moving Pictures Group 的缩写。对于MPEG来说,它采用了一种独特的编码方式,就是帧间编码;一般来说,电视图像相邻帧的图像内容变化不大,这在电视术语叫冗余度。而MPEG正式利用这种冗余度来解决压缩问题的。

  降低电视图像时间冗余度有效方法就是只传送相邻帧之间的差值,一般远小于一帧图像的数据率;这样仅配置很少的比特进行编码就能传送活动图像,差值的产生一般使用运动/预测补偿方法,利用先前帧或未来帧的信息作为预测值,然后与当前帧相减。

  在MPEG帧间编码中,有一系列帧,一个叫I 帧,即是帧内编码帧;第二个叫P帧,即是预测帧;第三个叫做B帧,即是双向帧。当MPEG进行压缩处理时,开始首先对一帧图像进行帧内编码,产生I 帧,然后产生P、B 帧,I帧和P帧并不是紧紧挨在一起的,它们又由B帧分开,这种思维的方法是首先产生I帧,然后预测出P帧,接着更多的P帧预测出来,一直到新的I帧出现为止,在I帧与P帧中间夹着B帧,B帧由最近的I帧和P帧双向内插而成,对I和P帧做双向预测。这种与JPEG相比,在相同质量前提下,其压缩比要大多了,有利于降低数据率,节省存储空间。

  尽管MPEG采用帧间编码,消除了时间上的冗余度,是个比较好的压缩方法,但是MPEG也有些缺点,由于MPEG采用较大的码组,因此编辑功能差,而且压缩比越高这个矛盾越突出。因此不适用复杂特技编辑制作。所以后来出现MPEG-2的I帧编码,以解决帧间特技的制作,而IB帧用于SONY的SX,IBP帧用于简单制作和传输。但矛盾的是如果采用I帧编码方式以后,MPEG-2的低码率和节省存储空间的优势又不明显了,因此两种编码方式都不是十全十美的。

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