視頻壓縮

1. 奈奎斯特取樣定理
理想取樣時(shí)， 只要取樣頻率大于或等于模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍， 就可以不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)， 稱(chēng)為奈奎斯特取樣定理。 模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍稱(chēng)為折疊頻率。
2. 亞奈奎斯特取樣
按取樣定理， 若取樣頻率fs小于模擬信號(hào)最高頻率fmax的2倍會(huì)產(chǎn)生混疊失真， 但若巧妙地選擇取樣頻率， 令取樣后頻譜中的混疊分量落在色度分量和亮度分量之間， 就可用梳狀濾波器去掉混疊成分。

3. 均勻量化和非均勻量化
在輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)， 量化間隔幅度都相等的量化稱(chēng)為均勻量化或線(xiàn)性量化。 對(duì)于量化間距固定的均勻量化， 信噪比隨輸入信號(hào)幅度的增加而增加， 在強(qiáng)信號(hào)時(shí)固然可把噪波淹沒(méi)掉， 在弱信號(hào)時(shí)， 噪波的干擾就十分顯著。
為改善弱信號(hào)時(shí)的信噪比， 量化間距應(yīng)隨輸入信號(hào)幅度而變化， 大信號(hào)時(shí)進(jìn)行粗量化， 小信號(hào)時(shí)進(jìn)行細(xì)量化， 也就是采用非均勻量化(或稱(chēng)非線(xiàn)性量化)。

非均勻量化有兩種方法， 一是把非線(xiàn)性處理放在編碼器前和解碼器后的模擬部分， 編、 解碼仍采用均勻量化， 在均勻量化編碼器之前， 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行壓縮， 這樣等效于對(duì)大信號(hào)進(jìn)行粗量化， 小信號(hào)進(jìn)行細(xì)量化； 在均勻量化解碼器之后， 再進(jìn)行擴(kuò)張， 以恢復(fù)原信號(hào)。 另一種方法是直接采用非均勻量化器， 輸入信號(hào)大時(shí)進(jìn)行粗量化(量化間距大) ， 輸入信號(hào)小時(shí)細(xì)量化(量化間距小)。 也有采用若干個(gè)量化間距不等的均勻量化器， 當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)某一電平時(shí)進(jìn)入粗間距均勻量化器， 低于某一電平時(shí)進(jìn)入細(xì)間距量化器， 稱(chēng)為準(zhǔn)瞬時(shí)壓擴(kuò)方式。

通常用Q表示量化， 用Q-1表示反量化。 量化過(guò)程相當(dāng)于由輸入值找到它所在的區(qū)間號(hào)， 反量化過(guò)程相當(dāng)于由量化區(qū)間號(hào)得到對(duì)應(yīng)的量化電平值。 量化區(qū)間總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輸入值的總數(shù)， 所以量化能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。 很明顯， 反量化后并不能保證得到原來(lái)的值， 因此量化過(guò)程是一個(gè)不可逆過(guò)程， 用量化的方法來(lái)進(jìn)行壓縮編碼是一種非信息保持型編碼。 通常這兩個(gè)過(guò)程均可用查表方法實(shí)現(xiàn)， 量化過(guò)程在編碼端完成， 而反量化過(guò)程則在解碼端完成。

對(duì)量化區(qū)間標(biāo)號(hào)(量化值)的編碼一般采用等長(zhǎng)編碼方法。 當(dāng)量化分層總數(shù)為K時(shí)， 經(jīng)過(guò)量化壓縮后的二進(jìn)制數(shù)碼率為lbK比特／量值。 在一些要求較高的場(chǎng)合， 可采用可變字長(zhǎng)編碼如哈夫曼編碼或算術(shù)編碼來(lái)進(jìn)一步提高編碼效率。
6.1.3 ITU-R BT.601分量數(shù)字系統(tǒng)
數(shù)字視頻信號(hào)是將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣、 量化和編碼后形成的。 模擬電視有PAL、 NTSC等制式， 必然會(huì)形成不同制式的數(shù)字視頻信號(hào)， 不便于國(guó)際數(shù)字視頻信號(hào)的互通。 1982年10月, 國(guó)際無(wú)線(xiàn)電咨詢(xún)委員會(huì)(CCIR， Consultative Committee for International Radio)通過(guò)了第一個(gè)關(guān)于演播室彩色電視信號(hào)數(shù)字編碼的建議， 1993年變更為ITU-R(國(guó)際電聯(lián)無(wú)線(xiàn)電通信部分， International Telecommunications Union-Radio communications Sector)BT.601分量數(shù)字系統(tǒng)建議。

BT.601建議采用了對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別編碼的分量編碼方式， 對(duì)不同制式的信號(hào)采用相同的取樣頻率13.5 MHz， 與任何制式的彩色副載波頻率無(wú)關(guān)， 對(duì)亮度信號(hào)Y的取樣頻率為13.5 MHz。 由于色度信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)比亮度信號(hào)的帶寬窄， 對(duì)色度信號(hào)U和V的取樣頻率為6.75 MHz。 每個(gè)數(shù)字有效行分別有720個(gè)亮度取樣點(diǎn)和360×2個(gè)色差信號(hào)取樣點(diǎn)。 對(duì)每個(gè)分量的取樣點(diǎn)都是均勻量化， 對(duì)每個(gè)取樣進(jìn)行8比特精度的PCM編碼。
這幾個(gè)參數(shù)對(duì)525行、 60場(chǎng)／秒和625行50場(chǎng)／秒的制式都是相同的。 有效取樣點(diǎn)是指只有行、 場(chǎng)掃描正程的樣點(diǎn)有效， 逆程的樣點(diǎn)不在PCM編碼的范圍內(nèi)。 因?yàn)樵跀?shù)字化的視頻信號(hào)中， 不再需要行、 場(chǎng)同步信號(hào)和消隱信號(hào)， 只要有行、 場(chǎng)(幀)的起始位置即可。 例如， 對(duì)于PAL制， 傳輸所有的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)， 大約需要200 Mb／s的傳輸速率， 傳輸有效樣點(diǎn)只需要160 Mb／s左右的速率。
色度信號(hào)的取樣率是亮度信號(hào)取樣率的一半， 常稱(chēng)作4∶2∶2格式， 可以理解為每一行里的Y、 U、 V的樣點(diǎn)數(shù)之比為4∶2∶2。
6.1.4 熵編碼
熵編碼(Entropy Coding)是一類(lèi)無(wú)損編碼， 因編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵而得名。 熵編碼多用可變字長(zhǎng)編碼(VLC， Variable Length Coding)實(shí)現(xiàn)。 其基本原理是對(duì)信源中出現(xiàn)概率大的符號(hào)賦以短碼， 對(duì)出現(xiàn)概率小的符號(hào)賦以長(zhǎng)碼， 從而在統(tǒng)計(jì)上獲得較短的平均碼長(zhǎng)。 所編的碼應(yīng)是即時(shí)可譯碼， 某一個(gè)碼不會(huì)是另一個(gè)碼的前綴， 各個(gè)碼之間無(wú)需附加信息便可自然分開(kāi)。

1. 霍夫曼(Huffman)編碼
霍夫曼（Huffman）編碼是一種可變長(zhǎng)編碼, 編碼方法如圖6-2所示。
(1) 將輸入信號(hào)符號(hào)以出現(xiàn)概率由大至小為序排成一列。
(2) 將兩處最小概率的符號(hào)相加合成為一個(gè)新概率， 再按出現(xiàn)概率的大小排序。
(3) 重復(fù)步驟(2)， 直至最終只剩兩個(gè)概率。
(4) 編碼從最后一步出發(fā)逐步向前進(jìn)行， 概率大的符號(hào)賦予“0”碼， 另一個(gè)概率賦予“1”碼， 直至到達(dá)最初的概率排列為止。

圖 6-2 霍夫曼(Huffman)編碼