【關鍵詞】 廣播電視 數(shù)字化 編碼
隨著2003年已經(jīng)啟動的廣播電視數(shù)字化的推進，我國將在2005年開展數(shù)字衛(wèi)星直播業(yè)務，2008年全面推廣地面數(shù)字電視，2015年停止模擬電視播出，實現(xiàn)數(shù)字廣播電視有線、衛(wèi)星和無線的全國覆蓋。
目前，我國廣播電視在節(jié)目采集、制作、播出、傳輸環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)數(shù)字化，采用數(shù)字技術后，百姓家庭電視機可以看到DVD般清晰的電視圖像，享受到電影院的音響效果，頻道可從幾十套增加到幾百套，用戶不僅能看到現(xiàn)有電視頻道，還能欣賞到新開辦的節(jié)目，還可獲得如電視政務、電視商務、即時天氣預報、股票信息等大量的資訊信息和服務。我國目前的4億臺電視機將成為一個集公共傳播、信息服務、文化娛樂、交流互動于一體的多媒體信息終端。
從我國的廣播電視數(shù)字化推進目標可以看出，目前數(shù)字化技術的主要發(fā)展趨勢在于電視節(jié)目的采集、制作、播出、傳輸環(huán)節(jié)。解決好這些環(huán)節(jié)的數(shù)字化技術問題，也就為我國的廣播電視數(shù)字化進程鋪平了道路。
數(shù)字電視節(jié)目的采集方面，也就是數(shù)字電視節(jié)目的獲取，該過程主要是通過對攝像機拍攝到的畫面進行數(shù)字信號的轉換過程，其實質(zhì)就是模擬/數(shù)字（A/D）變換。也就是將一種連續(xù)范圍的模擬信號轉變成特定數(shù)字編碼的過程。對于那些需要處理、存儲、編譯和管理各種模擬數(shù)值的各種數(shù)字設備和系統(tǒng)而言，為了同各種模擬的拾取單元和系統(tǒng)進行接口，這種變換是必須的。但是需要注意的是，模擬/數(shù)字的變換并不是一個精確的過程。這種不確定性往往是以一種隨機的形式發(fā)生，因此它的影響相當于引入隨機噪聲（量化噪聲），但這類噪聲以數(shù)字形式引入模擬信號時并不突出。使的我們的數(shù)字信號變換為模擬輸出到電視屏幕觀看時不至有太大的噪聲干擾。對于A/D變換的過程如下圖所示。
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圖中示意了模擬/數(shù)字變換器的主要部件。其中低通濾波器的作用主要是將輸入的模擬信號限制在有限的頻譜內(nèi)，防止在恢復的模擬輸出信號中出現(xiàn)虛假的部分。至于采樣、量化、編碼的過程不在此贅述。
對于目前主流的采集方式有必要探討一下：目前數(shù)字視頻獲取的主要方式有兩種，其一是將攝像機拍攝得到的信號通過處理以一種視頻流的方式進行廣播，在拍攝的同時不間斷的往外傳送，這是通常意義上的媒體流的概念，目前這種方式主要應用在網(wǎng)絡當中。其二是將攝像機拍攝得到的畫面通過A/D轉換的處理使之形成為一種數(shù)字的視頻文件，這種文件可以以數(shù)字的形式被加工處理，并再次以文件的方式進行保存，這種形式就是目前數(shù)字電視中廣泛使用的模式。這里我們主要對此進行探討。
談到數(shù)字視頻的采集，存在著非常特殊的一個方面，采集的目的大都是為了進行后期的節(jié)目制作。所以，到目前階段，視頻采集卡已經(jīng)和非線性編輯卡合二為一了。在視頻采集卡這個領域中，一直走在世界前列的無外乎美國的PINNACLE公司和加拿大的MATROX公司等品牌大公司。當然Sony等一些在電視領域中有舉足輕重作用的公司也對數(shù)字電視的發(fā)展帶來了巨大的貢獻，但是在數(shù)字視頻采集的過程而言上述兩家公司的產(chǎn)品發(fā)展代表了數(shù)字視頻采集技術的發(fā)展。就采集技術的發(fā)展而言，大體經(jīng)過以下幾個階段：M-JPEG compression without compromise（M-JPEG的無損壓縮），無壓縮，DV、DV50和MPEG-2。
在這幾個階段中，具有代表性的采集產(chǎn)品主要有DigiSuite LE（用于壓縮M-JPEG格式的視頻），DigiSuite LX、DigiSuite DTV、TARGA3000系列主要用于處理MPEG-2視頻。對于電視數(shù)字化技術在采集和處理過程中主要涉及到的就是M-JPEG和MPEG-2的視頻。因此模擬視頻轉換為數(shù)字文件的關鍵也就在于轉換過程的編碼方式上。
隨著編碼技術的不斷發(fā)展，電視數(shù)字化技術也隨之有了長足的進步。要了解數(shù)字化采集技術，壓縮技術是其基礎。對于壓縮系統(tǒng)，主要包含如下組件:數(shù)字化，取樣和分割，該組件首先是在圖形元素的某一柵格內(nèi)把模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，然后把視頻輸入分割為圖像幀，再分成像素塊。降低冗余度，使用可逆轉換技術，用盡可能少的非相關數(shù)據(jù)來表示原始數(shù)據(jù)信息。降低熵值，通過丟失次要信息而使用較少的比特來表示數(shù)字信息。當然這會導致失真，是有損壓縮方式。熵編碼，對概率較大的圖像符號用較短的比特串來表示，對于出現(xiàn)概率較小的圖像符號用較長的比特串來表示。這樣可以使對一個圖像進行編碼所需的平均比特數(shù)降為最小。
在視頻壓縮技術中最常用的編碼方式主要有幀內(nèi)編碼：通過利用圖像幀內(nèi)部的空間域冗余度來實現(xiàn)視頻圖像幀的編碼，幀間編碼：根據(jù)前一幀的像素值而預測本幀的像素值的方法來進行幀編碼。M-JPEG就是依據(jù)上述技術對視頻進行編碼的。基于去處在自然視頻圖像中存在的空間和時間冗余度，基本對圖像無損，在無損模式中，編碼器完整再現(xiàn)一個數(shù)字化輸入圖像。圖像壓縮比隨圖像內(nèi)容不同而有所不同，對于發(fā)送靜止圖像而言，變化的壓縮比不是問題，但是對于必須進行實時觀看的圖像序列，則面臨明顯的挑戰(zhàn)。M-JPEG編碼使用幀內(nèi)壓縮，此時每一幀被當作一個獨立的信號處理，一系列的幀基本是一個JPEG流。這種構造好處在于易于編輯，對于非線性編輯應用是一個優(yōu)秀的選擇。此外任何獨立的幀都可以作為獨立的對象進行處理，幀內(nèi)編碼系統(tǒng)又是基于DCT變換的，如下圖。
在這種比較復雜的編碼器種，對稱性是另一個重要問題。這從圖2可以看出。M-JPEG的主要缺點在于對帶寬和存儲的需要，原因主要是它不能提供圖像幀之間的差值進行編碼。所以這種技術只能提供較低的壓縮效率，同時M-JPEG是面向視頻分量而非音頻分量的方案，所以在解碼中也存在一些問題。對于目前數(shù)字電視的發(fā)展要求不能夠適應，因此目前數(shù)字電視均采用MPEG-2的編碼方式。MPEG-2是MPEG標準中的一種，MPEG標準主要包含三個基本單元，描述如下：
部件1——系統(tǒng)：描述了音頻/視頻的同步、復用和其他的系統(tǒng)相關單元。
部件2——視頻：包含視頻信號的編碼說明和解碼過程。
部件3——音頻：包含音頻信號的編碼說明和解碼過程。
MPEG-2同時使用了JPEG標準中的幀內(nèi)編碼和幀間編碼。對于幀內(nèi)編碼，它首先把圖像的每一幀劃分為8×8的像素塊，然后對每一塊使用基本的DCT技術進行壓縮。幀間編碼是基于運動補償（MC）預測，運動補償預測是雙向的暫時預測。
由此可見MPEG是以多種技術因素為基礎的標準，圖3給出了具有14個幀的一組圖片（GOP）標記為I的圖片是幀內(nèi)編碼的。而標記為P的圖片是通過順序最近編碼的P圖片和I圖片的編碼值來進行預測。一個B圖片能使用上述兩種方法來預測，也可以利用下一個I和P來預測。為了滿足這一要求，圖像幀的傳送順序與顯示順序是不同的，兩種順序也如下圖所示。
這種MPEG編碼的比特流被分成幾個層，其中主要的三個是：
視頻序列，這是最外一層，它包含了基本的全局信息，比如幀大小，比特率和幀頻。
GOP層，包含了視頻快速搜索和隨機訪問信息。GOP的長度是任意的。
圖片層，包含被編碼的幀。其頭部用來定義類型（I，P，B）和在GOP種的幀的位置信息。
MPEG－2標準分為6個檔次；簡單、主要、信噪比可擴展性、空間可擴展性、高7、影視和4個等級：低、主、高1440、高。檔次等同于特征，描繪可利用的特征。等級包含有通常所用的參數(shù)，如圖像大小，數(shù)據(jù)率和編碼器的緩沖區(qū)大小。
對于專業(yè)視頻應用的MPEG－2標準，最通用的參數(shù)是主要級別有關的主要檔次。它定義了圖像大小為720×575，數(shù)據(jù)率是15Mb/s，幀頻為30幀/秒。所有更高檔次都能對主用檔次/主用級別的數(shù)據(jù)流進行解碼。盡管MPEG－2具有很多屬性，但是主檔次/主等級仍幾乎是傳統(tǒng)視頻應用的理想選擇。由于更大的圖像組結構使得個別幀很難訪問。所以提出了4:2:2的影視檔次。本質(zhì)上MPEG對全亮度信號進行采樣但是忽略了一半的色度信息，影視檔次把色度抽樣提高到4:2:2，通過每一個其他元素，就照顧到2個色度坐標軸，從而保證了對原信號的更好再現(xiàn)。
MPEG和其他壓縮方案之間的幾種主要區(qū)別是：MPEG主要是針對視頻信息。基本格式是使用單一的顏色空間（Y，Cr，Cb），有限的分辨率和壓縮比，還具有處理音頻信息的機制。MPEG利用視頻流種的