高頻/射頻信號(hào)及視頻壓縮編碼的基本概念

　一、NTSC彩色電視制式：

　　它是1952年由美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)指定的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，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(guó)、加拿大等大部分西半球國(guó)家以及中國(guó)的***、日本、韓國(guó)、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(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)。西德、英國(guó)等一些西歐國(guó)家，新加坡、中國(guó)大陸及香港，澳大利亞、新西蘭等國(guó)家采用這種制式。PAL制式中根據(jù)不同的參數(shù)細(xì)節(jié)，又可以進(jìn)一步劃分為G、I、D等制式，其中PAL－D制是我國(guó)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(hào)與存儲(chǔ)恢復(fù)彩色信號(hào)制，是由法國(guó)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(diǎn)，但采用時(shí)間分隔法來(lái)傳送兩個(gè)色差信號(hào)。使用SECAM制的國(guó)家主要集中在法國(guó)、東歐和中東一帶。

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

　　一、高頻或射頻信號(hào)

　　為了能夠在空中傳播電視信號(hào)，必須把視頻全電視信號(hào)調(diào)制成高頻或射頻（RF－RadioFrequency）信號(hào)，每個(gè)信號(hào)占用一個(gè)頻道，這樣才能在空中同時(shí)傳播多路電視節(jié)目而不會(huì)導(dǎo)致混亂。我國(guó)采樣PAL制，每個(gè)頻道占用8MHz的帶寬；美國(guó)采用NTSC制，電視從2頻道至69頻道，每個(gè)頻道的帶寬為4MHz，電視信號(hào)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(guò)電纜而不是通過(guò)空中傳播電視信號(hào)。

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

　　二、復(fù)合視頻信號(hào)

　　復(fù)合視頻（CompositeVideo）信號(hào)定義為包括亮度和色度的單路模擬信號(hào)，也即從全電視信號(hào)中分離出伴音后的視頻信號(hào)，這時(shí)的色度信號(hào)還是間插在亮度信號(hào)的高端。由于復(fù)合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號(hào)重放時(shí)很難恢復(fù)完全一致的色彩。這種信號(hào)一般可通過(guò)電纜輸入或輸出到家用錄像機(jī)上，其信號(hào)帶寬較窄，一般只有水平240線左右的分解率。早期的電視機(jī)都只有天線輸入端口，較新型的電視機(jī)才備有復(fù)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(hào)。視頻信號(hào)已不包含高頻分量，處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，因此計(jì)算機(jī)的視頻卡一般都采用視頻輸入端獲取視頻信號(hào)。由于視頻信號(hào)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(shí)復(fù)合式視頻接口也稱為AV（AudioVideo）口。

　　三、S－Video信號(hào)

　　目前有的電視機(jī)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(hào)，它把亮度和色度信號(hào)分成兩路獨(dú)立的模擬信號(hào)，用兩路導(dǎo)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(hào)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(kāi)傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達(dá)420線。與復(fù)合視頻信號(hào)相比，S－Video可以更好地重現(xiàn)色彩。

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

　　不同制式的電視機(jī)只能接收和處理其對(duì)應(yīng)制式的電視信號(hào)。當(dāng)然，目前也發(fā)展了多制式或全制式的電視機(jī)，這為處理和轉(zhuǎn)換不同制式的電視信號(hào)提供了極大的方便。全制式電視機(jī)可在各國(guó)各地區(qū)使用，而多制式電視機(jī)一般為指定范圍的國(guó)家生產(chǎn)。如PanasonicTC-2188M多制式電視機(jī)，適用于 PAL－D，I制和NTSC（3.58）制，也即它可以在中國(guó)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(shí)間碼來(lái)識(shí)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(gè)唯一的時(shí)間碼地址。根據(jù)動(dòng)畫和電視工程師協(xié)會(huì) SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers）使用的時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn)，其格式是：小時(shí)：分鐘：秒：幀，或hours：minutes：seconds：frames。一段長(zhǎng)度為00：02：31：15的視頻片段的播放時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的SMPTE標(biāo)準(zhǔn)。由于技術(shù)的原因NTSC制式實(shí)際使用的幀率是29.97fps而不是 30fps，因此在時(shí)間碼與實(shí)際播放時(shí)間之間有0.1%的誤差。為了解決這個(gè)誤差問(wèn)題，設(shè)計(jì)出丟幀（drop-frame）格式，也即在播放時(shí)每分鐘要丟 2幀（實(shí)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(shí)間碼與實(shí)際播放時(shí)間的一致。與丟幀格式對(duì)應(yīng)的是不丟幀（nondrop-frame）格式，它忽略時(shí)間碼與實(shí)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(biāo)是在盡可能保證視覺(jué)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(yùn)動(dòng)的視頻還有其自身的特性，因此在壓縮時(shí)還應(yīng)考慮其運(yùn)動(dòng)特性才能達(dá)到高壓縮的目標(biāo)。在視頻壓縮中常需用到以下的一些基本概念：

　　一、有損和無(wú)損壓縮：

　　在視頻壓縮中有損（Lossy）和無(wú)損（Lossless）的概念與靜態(tài)圖像中基本類似。無(wú)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(wú)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(guò)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(fù)。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮，這樣才能達(dá)到低數(shù)據(jù)率的目標(biāo)。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(fù)壓縮的方式，這樣還會(huì)引起額外的數(shù)據(jù)丟失。

　　二、幀內(nèi)和幀間壓縮：

　　幀內(nèi)（Intraframe）壓縮也稱為空間壓縮（Spatialcompression）。當(dāng)壓縮一幀圖像時(shí)，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(shí)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(shí)各個(gè)幀之間沒(méi)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(jìn)行編輯。幀內(nèi)壓縮一般達(dá)不到很高的壓縮。

　　采用幀間（InteRFrame）壓縮是基于許多視頻或動(dòng)畫的連續(xù)前后兩幀具有很大的相關(guān)性，或者說(shuō)前后兩幀信息變化很小的特點(diǎn)。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(jìn)一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱為時(shí)間壓縮（Temporalcompression），它通過(guò)比較時(shí)間軸上不同幀之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。幀間壓縮一般是無(wú)損的。幀差值（Framedifferencing）算法是一種典型的時(shí)間壓縮法，它通過(guò)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。

　　三、對(duì)稱和不對(duì)稱編碼：

　　對(duì)稱性（symmetric）是壓縮編碼的一個(gè)關(guān)鍵特征。對(duì)稱意味著壓縮和解壓縮占用相同的計(jì)算處理能力和時(shí)間，對(duì)稱算法適合于實(shí)時(shí)壓縮和傳送視頻，如視頻會(huì)議應(yīng)用就以采用對(duì)稱的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其它多媒體應(yīng)用中，一般是把視頻預(yù)先壓縮處理好，爾后再播放，因此可以采用不對(duì)稱（asymmetric）編碼。不對(duì)稱或非對(duì)稱意味著壓縮時(shí)需要花費(fèi)大量的處理能力和時(shí)間，而解壓縮時(shí)則能較好地實(shí)時(shí)回放，也即以不同的速度進(jìn)行壓縮和解壓縮。一般地說(shuō)，壓縮一段視頻的時(shí)間比回放（解壓縮）該視頻的時(shí)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(shí)間，而該片斷實(shí)時(shí)回放時(shí)間只有三分鐘。

　　MPEG（MovingPictureExpertsGroup）是1988年成立的一個(gè)專家組。這個(gè)專家組在1991年制定了一個(gè)MPEG－1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)名稱為“動(dòng)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(chǔ)媒體（Coding of moving picture and associated audio－－for digital storage media at up to about 1.5Mbit/s）”。這里的數(shù)字存儲(chǔ)媒體指一般的數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備如CD－ROM、硬盤和可擦寫光盤等。MPEG的最大壓縮可達(dá)約1：200，其目標(biāo)是要把目前的廣播視頻信號(hào)壓縮到能夠記錄在CD光盤上并能夠用單速的光盤驅(qū)動(dòng)器來(lái)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(jiǎn)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。