數字電視視音頻壓縮技術原理及應用

曾昭輝

摘 要 隨著我國數字化技術的不斷發展，數字化電視在我國大部分地區已得到了普及，為人們的生活帶來了更加高清的視覺享受。隨著人們生活水平的不斷提高，對數字電視提出了更高的要求。對此，文章從數字電視視音頻壓縮技術的發展及其原理入手，對數字電視視音頻壓縮的必要性進行了簡單的分析，并對數字電視視音頻壓縮技術及其應用進行了簡單的闡述。

關鍵詞 數字電視；視音頻壓縮技術

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-0360（2017）07-0037-03

1 視音頻壓縮技術發展概述及原理

在20世紀70年代后期，逐步出現了視頻信號的數據化處理，即將視頻信號轉化為數字信號，并通過計算對其數據進行處理。在數字化技術的發展初期，主要利用Flash變換器進行信號的轉換，該轉化器不僅價格非常昂貴，而且只能進行黑白圖像的數字化轉換，且在視頻幀上存在較大的差距。到20世紀80年代末，由于計算機技術的不斷發展，特別是在CPU、總線和磁盤技術的發展上取得了一些突破性的進展，才逐步實現了視頻信號的數字化。在此期間，在世界各國標準委員會的努力下，逐步建立起以實現圖像壓縮技術標準化的國際組織，如國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、聯合圖片專家組（JPEG）和活動圖像專家組（MPEG）等組織。在多年的努力下，已制定了多種圖像壓縮編碼技術及其國際標準。

目前，MPEG-2視音頻壓縮技術因其清晰度高、誤碼率低的優點，在我國數字化電視領域得到了廣泛的應用。本文就以MPEG-2為例，對數字電視視音頻壓縮技術的原理進行簡單的闡述。一般情況下，電視數字信號中存在視覺冗余、時間冗余、空間冗余等多種冗余，視音頻壓縮技術主要就是通過消除冗余，降低其原始碼率。視音頻壓縮的原理就是利用幀與幀之間的相關性，通過視音頻A/D轉化器，將視頻信號轉換為數字信號，隨后利用熵編碼對視音頻進行數據編碼，再利用運動估值、離散余弦變換和自適應量化進行視音頻數據的冗余壓縮，利用碼流來實現傳送流，并根據實際需要將碼流轉化為節目流。視音頻壓縮流程如圖1所示。

2 數字電視視音頻壓縮的必要性

數字電視就是將電視信號進行數字化采樣，將其轉換為數字信號來實現更高的清晰度電視信號的傳輸。通常，電視的視頻信號在經過取樣、量化和編碼后，將產生大量的數據信息。通常來說，對于一個圖像分辨率為720×576的標準清晰度的電視節目，該視頻具有高達166 Mbps的有效原始碼率。此類電視節目一秒鐘的視頻編碼產生的數據容量就有20 MB，每個小時產生的數據容量就高達72 GB。由此可以看出，對于容量如此大的數據，不僅產生極大的數據存儲需求，而且大容量的數據將對其傳輸造成極大的壓力。因此，為進一步推進電視的數字化進程，必須采用視音頻壓縮技術對視頻原始碼率進行有效的壓縮，以滿足數字化電視發展的需要。要想使數字化的電視節目能真正應用到實際工作中，必須對它的原始碼率進行壓縮處理。

3 數字電視視音頻壓縮技術及其應用

目前，數字電視視音頻數據壓縮編碼較多，常用的主要有預測編碼、變換編碼、統計編碼等壓縮編碼技術。一般來說，在視音頻數據的壓縮上，我們可以根據壓縮過程中有無信息丟失情況，將視音頻的壓縮編碼技術分為有損數據壓縮和無損數據壓縮編碼技術。目前，常用的無損編碼主要有LZ編碼、游程編碼、霍夫曼編碼（Huffinan）等壓縮編碼技術；常用的有損編碼主要有變換編碼、預測編碼、模型編碼、向量量化、頻帶分割編碼、分層編碼等壓縮編碼技術。目前，在數字電視視音頻壓縮中使用最廣泛的就是有損編碼。數字電視的視音頻壓縮主要包括信源編碼過程中進行壓縮和改進信道編碼兩方面的內容。

3.1 信源編解碼技術

信源編解碼技術既能實現視頻的壓縮編解碼，還能實現音頻的編解碼。信源編碼技術主要是將節目源的圖像模擬信號和聲音模擬信號轉化為數字信號，利用計算機進行數字信號的壓縮編碼，使其形成數字信號源，并根據不同節目的傳輸需求將數字信號源編為復用碼流。

3.1.1 視頻編碼壓縮技術

雖然數字電視因其較高的清晰度在人們生活中備受青睞，但是與傳統的模擬電視相比，數字電視所面臨的最大難題就是視頻數字信號的壓縮。視頻編碼技術主要就是完成圖像數字信號的壓縮，通過視頻編碼壓縮技術，可以大大減小數字信號的傳輸量，壓縮前的數字傳輸量高達995 Mbit/s，而在進行壓縮后其傳輸量可以減小到20 Mbit/s～30 Mbit/s。目前，國際上對數字圖像編碼技術制訂了三種標準，這三種標準分別為：MPEG標準、JPMG標準、H.261標準，其中MPEG標準主要適用于連續圖像的編碼；JPMG標準主要適用于靜止圖像的編碼；H.261標準主要用于電視會議的編碼。目前典型的MPEG-2視音頻壓縮技術在數字信號壓縮中，它可以將原始碼率進行不同程度的壓縮，壓縮后其碼率可以壓縮至3 Mbit/s～40 Mbit/s，同時它還可以支持多種高清晰度的電視，如高標準分辨率的16︰9寬屏電視。目前，MPEG-2數據壓縮技術主要采用幀與幀之間的預測編碼和運動估值、DCT、自適應量化、熵編碼、游程編碼和VCL編碼等。在高清數字電視視頻壓縮編解碼標準方面，歐美國家及日本都比較統一，均采用的是MPEG-2標準。此外，MPEG-2增加了分級視頻編碼工具，有效實現了時域分級、空域分級、數據分割等多層視頻編碼。MPEG-2解碼最開始對通用處理器和DSP的參數要求很高，但隨著不斷的優化，MPEG-2解碼器已經成為了較為主流的存在。MPEG所需數據率能夠進行調節，以適應電視會議、電視電話等低數據率的應用場合。

3.1.2 音頻編碼技術

音頻編碼技術就是對音頻數字信號的壓縮技術。音頻信號在進行數字化轉換后，其數據信息量與傳統的模擬傳輸狀態相比要大很多。因此，數字化的音頻信號不能像傳統的模擬信號那樣直接通過無線廣播進行傳輸，必須將數字化的音頻信息進行壓縮編碼后，才能進行有效的傳輸。如MPEG-1的音頻壓縮技術主要是采用48 kHz、44.1 kHz和32 kHz的采樣頻率進行數字音頻的采樣，其自適應的量化精度為16位。若是立體聲道，每個通道的數據率為705.6 kB/s，總的數據率為1411.2 kB/s。當采用MPEG-1音頻壓縮技術對數字音頻數據進行壓縮編碼后，其位速率可以直接降到0.192 MB/s，且經過壓縮的音頻質量得到有效的保真，在對壓縮編碼還原后，其音質與源音質相差無幾。目前，我國在信源編解碼標準上，與歐美國家具有一致性，基本采用的是MPEG-2標準，此外我國還采用或是采用擁有自主知識產權且與MPEG系列兼容的AVS聲像標準。

3.2 數字電視的信道編碼及調制

數字電視的信道主要包括信道編碼和信道調制兩方面的核心技術。在DTV技術中信道編碼和信源編碼是恰恰相反的，信道編碼為了降低誤碼率，提高DTV傳輸的可靠性，需要以犧牲附加信息重復性和有關數據量為代價。通常信道編碼由內碼與外碼組成，信道編碼進行內外碼的設置主要是為了利用糾錯編碼、網格編碼、均衡等技術避免信號受到不必要的干擾，以確保在提高可靠性的同時能夠有效降低誤碼率。信達編碼的外碼主要用于編碼的突發性錯碼和大面積錯碼的糾錯，如出現大面積的錯碼，利用外碼可將大面積的錯碼劃分成小面積的錯碼進行糾錯，以提高錯碼的糾錯效率。內碼具有較大的引入冗余度，因此其糾錯能力較強，利用內碼糾錯需要以犧牲降低傳輸速率和增加帶寬為代價。目前，已有一些新的技術，如trellis編碼調制（TCM），利用該技術在進行糾錯的同時還能有效節約功率和帶寬。信道編碼技術在實際使用過程中，內碼與外碼的設置可根據傳輸的條件進行選擇，有些可以不用設置內碼，如有線DTV傳輸只需要用外碼而沒有內碼。

數字電視的調制方式以載波為主體，要實現調制，需先將要進行傳輸的信號（調制信號）放在載波（高頻正弦波或脈沖串）上，做好信號的發射準備。目前，數字電視的調制方式主要有單載波調制和多載波調制兩種。由于各個國家在對于數字信號的編碼糾錯、均衡等技術上存在較大的差異，且各國數字電視制式的帶寬不同，導致標準不能統一。

3.3 下一代廣播電視無線網

2016年，我國首次召開了“下一代廣播電視無線網（NGB-W）標準宣貫會”，NGB-W網絡節點是NGB-W全網全業務的承載節點，融合了廣播電視無線技術和無線寬帶技術，同時接收單向廣播業務與雙向交互業務的信號，并轉換成終端可接收的WLAN信號格式進行業務覆蓋，具備WLAN接入功能的各類智能終端都能夠快速訪問NGB-W網絡。而為了實現上述目標，再不針對數字電視多徑衰落的信道特點，為了確保信號編碼傳輸的穩定性，NGB-W對編碼效率和糾錯能力更強的低密度LDPC和Turbo碼、信號空間分集增益更高的比特編碼調制技術以及低復雜度的迭代解調譯碼技術進行了優化。可以說，在NGB-W的系統架構和支持下，我國數字電視視音頻壓縮與傳播將進入無線智能時代，用戶多元化、個性化的視訊需求將得到充分滿足，同時將有效緩解內容冗余傳輸帶來的巨額網絡流量壓力，節省雙向流量，降低網絡運營經濟成本。

4 結束語

隨著我國電視數字化進程的不斷推進，數字電視視音頻壓縮技術的研究將是未來數字電視取得突破性進展的研究重點。數字電視視音頻壓縮技術的發展將進一步加快我國實現高清數字電視的普及，促進數字廣播電視行業的進一步發展。

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