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高頻與射頻信號及視頻壓縮編碼的基本概念

2010/01/20

一、NTSC彩色電視制式：

　　它是1952年由美國國家電視標準委員會指定的彩色電視廣播標準，它采用正交平衡調(diào)幅的技術(shù)方式，故也稱為正交平衡調(diào)幅制。美國、加拿大等大部分西半球國家以及中國的臺灣、日本、韓國、菲律賓等均采用這種制式。

二、PAL制式：

　　它是西德在1962年指定的彩色電視廣播標準，它采用逐行倒相正交平衡調(diào)幅的技術(shù)方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺點。西德、英國等一些西歐國家，新加坡、中國大陸及香港，澳大利亞、新西蘭等國家采用這種制式。PAL制式中根據(jù)不同的參數(shù)細節(jié)，又可以進一步劃分為G、I、D等制式，其中PAL－D制是我國大陸采用的制式。

三、SECAM制式：

　　SECAM是法文的縮寫，意為順序傳送彩色信號與存儲恢復彩色信號制，是由法國在1956年提出，1966年制定的一種新的彩色電視制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺點，但采用時間分隔法來傳送兩個色差信號。使用SECAM制的國家主要集中在法國、東歐和中東一帶。

　　為了接收和處理不同制式的電視信號，也就發(fā)展了不同制式的電視接收機和錄像機。

　　1、高頻或射頻信號

　　為了能夠在空中傳播電視信號，必須把視頻全電視信號調(diào)制成高頻或射頻（RF－RadioFrequency）信號，每個信號占用一個頻道，這樣才能在空中同時傳播多路電視節(jié)目而不會導致混亂。我國采樣PAL制，每個頻道占用8MHz的帶寬；美國采用NTSC制，電視從2頻道至69頻道，每個頻道的帶寬為4MHz，電視信號頻帶共占用54MHz至806MHz的信道。有線電視CATV（CableTelevision）的工作方式類似，只是它通過電纜而不是通過空中傳播電視信號。

　　電視機在接收受到某一頻道的高頻信號后，要把全電視信號從高頻信號中解調(diào)出來，才能在屏幕上重現(xiàn)視頻圖像。

　　2、復合視頻信號

　　復合視頻（CompositeVideo）信號定義為包括亮度和色度的單路模擬信號，也即從全電視信號中分離出伴音后的視頻信號，這時的色度信號還是間插在亮度信號的高端。由于復合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號重放時很難恢復完全一致的色彩。這種信號一般可通過電纜輸入或輸出到家用錄像機上，其信號帶寬較窄，一般只有水平240線左右的分解率。早期的電視機都只有天線輸入端口，較新型的電視機才備有復合視頻輸入和輸出端（VideoIn，VideoOut），也即可以直接輸入和輸出解調(diào)后的視頻信號。視頻信號已不包含高頻分量，處理起來相對簡單一些，因此計算機的視頻卡一般都采用視頻輸入端獲取視頻信號。由于視頻信號中已不包含伴音，故一般與視頻輸入、輸出端口配套的還有音頻輸入、輸出端口（Audio－In、Audio－Out），以便同步傳輸伴音。因此，有時復合式視頻接口也稱為AV（AudioVideo）口。

　　3、S－Video信號

　　目前有的電視機還備有兩分量視頻輸入端口（S－VideoIn），S－Video是一種兩分量的視頻信號，它把亮度和色度信號分成兩路獨立的模擬信號，用兩路導線分別傳輸并可以分別記錄在模擬磁帶的兩路磁跡上。

　　這種信號不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達420線。與復合視頻信號相比，S－Video可以更好地重現(xiàn)色彩。

　　兩分量視頻可來自于高檔攝像機，它采用兩分量視頻的方式記錄和傳輸視頻信號。其它如高檔錄像機、激光視盤LD機的輸出也可按分量視頻的格式，其清晰度比從家用錄像機獲得的電視節(jié)目的清晰度要高得多。

　　不同制式的電視機只能接收和處理其對應制式的電視信號。當然，目前也發(fā)展了多制式或全制式的電視機，這為處理和轉(zhuǎn)換不同制式的電視信號提供了極大的方便。全制式電視機可在各國各地區(qū)使用，而多制式電視機一般為指定范圍的國家生產(chǎn)。如PanasonicTC-2188M多制式電視機，適用于PAL－D，I制和NTSC（3.58）制，也即它可以在中國大陸（PAL－D）、香港（PAL－I）和日本（NTSC3.58）使用。

　　視頻序列的SMPTE表示單位

　　通常用時間碼來識別和記錄視頻數(shù)據(jù)流中的每一幀，從一段視頻的起始幀到終止幀，其間的每一幀都有一個唯一的時間碼地址。根據(jù)動畫和電視工程師協(xié)會SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers）使用的時間碼標準，其格式是：小時：分鐘：秒：幀，或hours：minutes：seconds：frames。一段長度為00：02：31：15的視頻片段的播放時間為2分鐘31秒15幀，如果以每秒30幀的速率播放，則播放時間為2分鐘31.5秒。

　　根據(jù)電影、錄像和電視工業(yè)中使用的幀率的不同，各有其對應的SMPTE標準。由于技術(shù)的原因NTSC制式實際使用的幀率是29.97fps而不是30fps，因此在時間碼與實際播放時間之間有0.1%的誤差。為了解決這個誤差問題，設(shè)計出丟幀（drop-frame）格式，也即在播放時每分鐘要丟2幀（實際上是有兩幀不顯示而不是從文件中刪除），這樣可以保證時間碼與實際播放時間的一致。與丟幀格式對應的是不丟幀（nondrop-frame）格式，它忽略時間碼與實際播放幀之間的誤差。

　　視頻壓縮編碼的基本概念

　　視頻壓縮的目標是在盡可能保證視覺效果的前提下減少視頻數(shù)據(jù)率。視頻壓縮比一般指壓縮后的數(shù)據(jù)量與壓縮前的數(shù)據(jù)量之比。由于視頻是連續(xù)的靜態(tài)圖像，因此其壓縮編碼算法與靜態(tài)圖像的壓縮編碼算法有某些共同之處，但是運動的視頻還有其自身的特性，因此在壓縮時還應考慮其運動特性才能達到高壓縮的目標。在視頻壓縮中常需用到以下的一些基本概念：

　　有損和無損壓縮：

　　在視頻壓縮中有損（Lossy）和無損（Lossless）的概念與靜態(tài)圖像中基本類似。無損壓縮也即壓縮前和解壓縮后的數(shù)據(jù)完全一致。多數(shù)的無損壓縮都采用RLE行程編碼算法。有損壓縮意味著解壓縮后的數(shù)據(jù)與壓縮前的數(shù)據(jù)不一致。在壓縮的過程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息，而且丟失的信息不可恢復。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮，這樣才能達到低數(shù)據(jù)率的目標。丟失的數(shù)據(jù)率與壓縮比有關(guān)，壓縮比越小，丟失的數(shù)據(jù)越多，解壓縮后的效果一般越差。

　　此外，某些有損壓縮算法采用多次重復壓縮的方式，這樣還會引起額外的數(shù)據(jù)丟失。

　　幀內(nèi)和幀間壓縮：

　　幀內(nèi)（Intraframe）壓縮也稱為空間壓縮（Spatialcompression）。當壓縮一幀圖像時，僅考慮本幀的數(shù)據(jù)而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實際上與靜態(tài)圖像壓縮類似。幀內(nèi)一般采用有損壓縮算法，由于幀內(nèi)壓縮時各個幀之間沒有相互關(guān)系，所以壓縮后的視頻數(shù)據(jù)仍可以以幀為單位進行編輯。幀內(nèi)壓縮一般達不到很高的壓縮。

　　采用幀間（Interframe）壓縮是基于許多視頻或動畫的連續(xù)前后兩幀具有很大的相關(guān)性，或者說前后兩幀信息變化很小的特點。也即連續(xù)的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息，根據(jù)這一特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱為時間壓縮（Temporalcompression），它通過比較時間軸上不同幀之間的數(shù)據(jù)進行壓縮。幀間壓縮一般是無損的。幀差值（Framedifferencing）算法是一種典型的時間壓縮法，它通過比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減少數(shù)據(jù)量。

　　對稱和不對稱編碼：

　　對稱性（symmetric）是壓縮編碼的一個關(guān)鍵特征。對稱意味著壓縮和解壓縮占用相同的計算處理能力和時間，對稱算法適合于實時壓縮和傳送視頻，如視頻會議應用就以采用對稱的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其它多媒體應用中，一般是把視頻預先壓縮處理好，爾后再播放，因此可以采用不對稱（asymmetric）編碼。不對稱或非對稱意味著壓縮時需要花費大量的處理能力和時間，而解壓縮時則能較好地實時回放，也即以不同的速度進行壓縮和解壓縮。一般地說，壓縮一段視頻的時間比回放（解壓縮）該視頻的時間要多得多。例如，壓縮一段三分鐘的視頻片斷可能需要10多分鐘的時間，而該片斷實時回放時間只有三分鐘。

　　MPEG（MovingPictureExpertsGroup）是1988年成立的一個專家組。這個專家組在1991年制定了一個MPEG－1國際標準，其標準名稱為“動態(tài)圖像和伴音的編碼－－用于速率小于每秒約1.5兆比特的數(shù)字存儲媒體（Codingofmovingpictureandassociatedaudio－－fordigitalstoragemediaatuptoabout1.5Mbit/s）”。這里的數(shù)字存儲媒體指一般的數(shù)字存儲設(shè)備如CD－ROM、硬盤和可擦寫光盤等。MPEG的最大壓縮可達約1：200，其目標是要把目前的廣播視頻信號壓縮到能夠記錄在CD光盤上并能夠用單速的光盤驅(qū)動器來播放，并具有VHS的顯示質(zhì)量和高保真立體伴音效果。MPEG采用的編碼算法簡稱為MPEG算法，用該算法壓縮的數(shù)據(jù)稱為MPEG數(shù)據(jù)，由該數(shù)據(jù)產(chǎn)生的文件稱MPEG文件，它以MPG為文件后綴。

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