数字电视视频压缩技术摘要：随着现代科学技术的发展，数字电视的普及也越来越广泛，数字电视已经深入到千家万户，已经成为人们日常生活中不可缺少的必须品；本文主要对数字电视视频压缩的三种压缩技术进行阐述。

关键字：数字电视；视频压缩；MPEG-1；MPEG-2；MPEG-4Abstract: With the development of modern science and technology, the popularity of digital television are increasingly being used, digital TV has gone deep into the household, has become indispensable in daily life necessities; This paper focuses on the three digital television video compression Types of compression techniques described.Keywords: Digital TV; video compression; MPEG-1; MPEG-2; MPEG-40 引言当今时代，信息技术飞速发展，在这样的背景下多媒体信息已成为人类获取信息的主要载体之一，同时也成为电子信息领域技术开发和研究得热点，视频技术即是其中一项十分重要、涵盖面非常广泛的技术。

因此研究高效的视频数据压缩编码方法，以压缩形式存储和传输数字化的多媒体信息具有重要的意义。

同时也是广播电视发展的重要方向。

1 视频数字化发展过程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，但是FLASH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，它规定了不同的电视制式使用统一的标准，即是亮度信号取样视频是色度副载波的4倍，其中亮度Y取样频率是13 5MHZ，R-Y，B-Y都为6 75MHZ【1】2 数字视频压缩技术数字压缩时将模拟信号数字化以后进行压缩，压缩方式分为单纯软件压缩和软件和硬件辅助压缩；其中MPEG是一种软件压缩、硬件辅助的压缩技术，是Moving Picture Group的缩写。

对于MPEG来说，他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，在电视术语中叫冗余度。

而MPEG正是利用这种冗余度来解决压缩问题。

在MPEG帧间编码中，有一系列帧，一个叫I帧，即是帧内编码帧；第二个帧叫p帧，即是预测帧；第三个叫做B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帧并不是仅仅挨在一起的，他们又由B 帧分开，这种思维的方法是首先产生I帧，然后预测出P真，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。

这样压缩比大大提高，有利于降低数据率，节省存储空间。

2.1 MPEG-1MPEG-1是MPEG组织制定的第一个视频和音频有损压缩标准。

视频压缩算法于1990年定义完成。

1992年底，MPEG-1正式被批准成为国际标准。

MPEG-1是为CD光碟介质定制的的视频和音频压缩格式。

MPEG-1音频分三层，分别为MPEG-1 Layer1，MPEG-Layer2以及MPEG-Layer3，并且高层兼容低层。

MPEG-1中对食品信号的压缩采用了帧内数据压缩技术和帧间压缩技术，对色差信号进行亚采集，即4每四个亮度信号Y的采样点各对应一个色差信号R-Y、B-Y的采样点他们是4：1：1的比例关系，以使视频数据量大大减少。

在帧内采用二维DCT变换，去除空间相关性，并对DCT分量进行不同程度量化，舍去重要信号；将量化后的DCT分量按照频率重新排列即“Z”字形扫描；将扫描所得的DCT数值进行变字长编码等数据压缩技术，使数据量大大减少；对数据块的直流分量进行预测差分编码。

在帧间采用帧内帧图像I、预测帧图像P、双向预测帧图像B的压缩编码技术，使视频数据大幅度降低。

在MPEG-1中，I帧的图像压缩比例最小，为7:1；P帧压缩比为20:1，B帧的压缩比最大，为50:1。

三者的平均压缩比为27:1。

2.2 MPEG-2MPEG-2标准目前分为9个部分，统称为ISO/IEC13818国际标准。

各部分的内容描述如下：第一部分－ISO/IEC13818-1，System：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。

第二部ISO/IEC13818-2，Video：视频，描述视频编码方法。

第三部分－ISO/IEC13818-3，Audio：音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。

第四部分ISO/IEC13818-4，Compliance：符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。

第五部分－ISO/IEC13818-5，Software：软件，描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。

第六部分－ISO/IEC13818-6，DSM-CC：数字存储媒体-命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。

以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。

此外，MPEG-2标准还有三个部分：第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码；第八部分现已停止；第九部分规定了传送码流的实时接口。

【2】针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3兆比特～100兆比特，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。

MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。

MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。

MPEG-2还专门规定了多路节目的复分接方式。

此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。

MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。

一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的，因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系，这种关系叫作空间相关性；一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成，一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系，这种关系叫作时间相关性。

这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。

如果我们能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。

而接收机利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。

一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。

MPEG-2中编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。

I帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。

I帧主要用于接收机的初始化和信道的获取，以及节目的切换和插入，I帧图像的压缩倍数相对较低。

I帧图像是周期性出现在图像序列中的，出现频率可由编码器选择。

P 帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。

P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。

P帧图像中可以包含帧内编码的部分，即P帧中的每一个宏块可以是前向预测，也可以是帧内编码。

B 帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。

值得注意的是，由于B帧图像采用了未来帧作为参考，因此MPEG-2编码码流中图像帧的传输顺序和显示顺序是不同的。

【3】2.3 MPEG-4MPEG4于1998 年11 月公布，原预计1999 年1月投入使用的国际标准MPEG4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。

MPEG专家组的专家们正在为MPEG-4的制定努力工作。

MPEG-4标准主要应用于视像电话(Video Phone)，视像电子邮件(Video Email)和电子新闻(Electronic News)等，其传输速率要求较低，在4800-64000bits/sec之间，分辨率为176X144。

MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。

MPEG-4是为移动通信设备在Internet网实时传输视音频信号而制定的低速率、高压缩比的视音频编码标准。

MPEG-4标准是面向对象的压缩方式，不是像MPEG-1和MPEG-2那样简单地将图像分为一些像块，而是根据图像的内容，其中的对象（物体、人物、背景）分离出来，分别进行帧内、帧间编码，并允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分配较少的字节，从而大大提高了压缩比，在较低的码率下获得较好的效果， MPEG-4支持MPEG-1、MPEG-2中大多数功能，提供不同的视频标准源格式、码率、帧频下矩形图形图像的有效编码。

总之，MPEG-4有三个方面的优势：①、具有很好的兼容性；②、MPEG-4比其他算法提供更好的压缩比，最高达200：1；③、MPEG-4在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。

所以，MPEG-4的应用能大幅度的降低录像存储容量，获得较高的录像清晰度，特别适用于长时间实时录像的需求，同时具备在低带宽上优良的网络传输能力。

MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控。

MPEG-4是第一个使你由被动变为主动(不再只是观看，允许你加入其中，即有交互性)的动态图像标准，它的另一个特点是其综合性。

从根源上说，MPEG-4试图将自然物体与人造物体相溶合(视觉效果意义上的)。

MPEG-4的设计目标还有更广的适应性和更灵活的可扩展性。

MPEG4技术的标准是对运动图像中的内容进行编码，其具体的编码对象就是图像中的音频和视频，术语称为“AV对象”，而连续的AV对象组合在一起又可以形成AV场景。

因此，MPEG4标准就是围绕着AV对象的编码、存储、传输和组合而制定的，高效率地编码、组织、存储、传输AV对象是MPEG4标准的基本内容。

在视频编码方面，MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。

在音频编码上，MPEG4可以在一组编码工具支持下，对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码。

由于MPEG4只处理图像帧与帧之间有差异的元素，而舍弃相同的元素，因此大大减少了合成多媒体文件的体积。