高频/射频信号及视频压缩编码的基本概念

高频/射频信号及视频压缩编码的基本概念

　一、NTSC彩色电视制式：

　　它是1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的***、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。

　　二、PAL制式：

　　它是西德在1962年指定的彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中PAL－D制是我国大陆采用的制式。

　　三、SECAM制式：

　　SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色电视制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。

　　为了接收和处理不同制式的电视信号，也就发展了不同制式的电视接收机和录像机。

　　一、高频或射频信号

　　为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频（RF－RadioFrequency）信号，每个信号占用一个频道，这样才能在空中同时传播多路电视节目而不会导致混乱。我国采样PAL制，每个频道占用8MHz的带宽；美国采用NTSC制，电视从2频道至69频道，每个频道的带宽为4MHz，电视信号频带共占用54MHz至806MHz的信道。有线电视CATV（CableTelevision）的工作方式类似，只是它通过电缆而不是通过空中传播电视信号。

　　电视机在接收受到某一频道的高频信号后，要把全电视信号从高频信号中解调出来，才能在屏幕上重现视频图像。

　　二、复合视频信号

　　复合视频（CompositeVideo）信号定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。由于复合视频的亮度和色度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。这种信号一般可通过电缆输入或输出到家用录像机上，其信号带宽较窄，一般只有水平240线左右的分解率。早期的电视机都只有天线输入端口，较新型的电视机才备有复合视频输入和输出端（VideoIn，VideoOut），也即可以直接输入和输出解调后的视频信号。视频信号已不包含高频分量，处理起来相对简单一些，因此计算机的视频卡一般都采用视频输入端获取视频信号。由于视频信号中已不包含伴音，故一般与视频输入、输出端口配套的还有音频输入、输出端口（Audio－In、Audio－Out），以便同步传输伴音。因此，有时复合式视频接口也称为AV（AudioVideo）口。

　　三、S－Video信号

　　目前有的电视机还备有两分量视频输入端口（S－VideoIn），S－Video是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输并可以分别记录在模拟磁带的两路磁迹上。

　　这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线。与复合视频信号相比，S－Video可以更好地重现色彩。

　　两分量视频可来自于高档摄像机，它采用两分量视频的方式记录和传输视频信号。其它如高档录像机、激光视盘LD机的输出也可按分量视频的格式，其清晰度比从家用录像机获得的电视节目的清晰度要高得多。

　　不同制式的电视机只能接收和处理其对应制式的电视信号。当然，目前也发展了多制式或全制式的电视机，这为处理和转换不同制式的电视信号提供了极大的方便。全制式电视机可在各国各地区使用，而多制式电视机一般为指定范围的国家生产。如PanasonicTC-2188M多制式电视机，适用于 PAL－D，I制和NTSC（3.58）制，也即它可以在中国大陆（PAL－D）、香港（PAL－I）和日本（NTSC3.58）使用。

　　视频序列的SMPTE表示单位

　　通常用时间码来识别和记录视频数据流中的每一帧，从一段视频的起始帧到终止帧，其间的每一帧都有一个唯一的时间码地址。根据动画和电视工程师协会 SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers）使用的时间码标准，其格式是：小时：分钟：秒：帧，或hours：minutes：seconds：frames。一段长度为00：02：31：15的视频片段的播放时间为2分钟31秒15帧，如果以每秒30帧的速率播放，则播放时间为2分钟31.5秒。

　根据电影、录像和电视工业中使用的帧率的不同，各有其对应的SMPTE标准。由于技术的原因NTSC制式实际使用的帧率是29.97fps而不是 30fps，因此在时间码与实际播放时间之间有0.1%的误差。为了解决这个误差问题，设计出丢帧（drop-frame）格式，也即在播放时每分钟要丢 2帧（实际上是有两帧不显示而不是从文件中删除），这样可以保证时间码与实际播放时间的一致。与丢帧格式对应的是不丢帧（nondrop-frame）格式，它忽略时间码与实际播放帧之间的误差。

　　视频压缩编码的基本概念

　　视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静态图像，因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动的视频还有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。在视频压缩中常需用到以下的一些基本概念：

　　一、有损和无损压缩：

　　在视频压缩中有损（Lossy）和无损（Lossless）的概念与静态图像中基本类似。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都采用RLE行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多，解压缩后的效果一般越差。

　　此外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式，这样还会引起额外的数据丢失。

　　二、帧内和帧间压缩：

　　帧内（Intraframe）压缩也称为空间压缩（Spatialcompression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高的压缩。

　　采用帧间（InteRFrame）压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩（Temporalcompression），它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值（Framedifferencing）算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。

　　三、对称和不对称编码：

　　对称性（symmetric）是压缩编码的一个关键特征。对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间，对称算法适合于实时压缩和传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好。而在电子出版和其它多媒体应用中，一般是把视频预先压缩处理好，尔后再播放，因此可以采用不对称（asymmetric）编码。不对称或非对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时间，而解压缩时则能较好地实时回放，也即以不同的速度进行压缩和解压缩。一般地说，压缩一段视频的时间比回放（解压缩）该视频的时间要多得多。例如，压缩一段三分钟的视频片断可能需要10多分钟的时间，而该片断实时回放时间只有三分钟。

　　MPEG（MovingPictureExpertsGroup）是1988年成立的一个专家组。这个专家组在1991年制定了一个MPEG－1国际标准，其标准名称为“动态图像和伴音的编码－－用于速率小于每秒约 1.5兆比特的数字存储媒体（Coding of moving picture and associated audio－－for digital storage media at up to about 1.5Mbit/s）”。这里的数字存储媒体指一般的数字存储设备如CD－ROM、硬盘和可擦写光盘等。MPEG的最大压缩可达约1：200，其目标是要把目前的广播视频信号压缩到能够记录在CD光盘上并能够用单速的光盘驱动器来播放，并具有VHS的显示质量和高保真立体伴音效果。MPEG采用的编码算法简称为MPEG算法，用该算法压缩的数据称为MPEG数据，由该数据产生的文件称MPEG文件，它以MPG为文件后缀。