MPEG2帧内编码在数字电视图像压缩中的应用

张华

摘 要：作为传播信息的载体和媒介，电视媒体能够丰富人们的视听感受，使人们能够生动、形象地获取资讯。电视技术不断地发展，实现了从黑白到彩色、从模拟向数字化的变革。数字电视因信号质量好、清晰度高、传输稳定及可交互的特点，获得普遍应用。由于信号数据量过大，需占用较大的带宽，需要对数字电视信号进行压缩。文章研究了MPEG2帧内编码在数字电视图像压缩中的应用。MPEG2帧内压缩技术能够提高压缩效率，使广播电视资源得到充分利用。

关键词：数字电视；MPEG标准；帧内压缩技术

媒体是人们获取信息、了解世界的方式与途径。电视作为继纸质媒体和广播媒体之后传播手段的重要变革，提高了信息传播的时效性和直观性。在技术进步的推動下，电视传播经历了传播内容从黑白电视到彩色模式改变，使传播内容更加生动形象；实现了传输手段从模拟电视到数字电视的变化，使图像更加清晰，信号更加稳定，使电视媒体的作用日益重要。

由于数字化后的电视信号数据量增大，需占用较大的存储和传输空间，与此同时，图像信息占据电视信号的主要内容。因此，对数字电视图像进行信号压缩是十分必要的。移动图像专家组（Moving Picture Expert Group，MPEG）为数字电视图像压缩提供统一的标准，在广播电视系统中应用较广。MPEG2帧内压缩技术能够在确保图像质量的基础上，进一步压缩图像，有效提高频带的利用率，保证数字电视图像压缩目的顺利实现。

1 电视图像形成概析

电视是能够实时、权威、客观、真实地传播视频和音频信号的媒介手段。作为媒体发展史上一次重要变革，电视媒体利用人眼的生物视觉特征，通过光电转换将真实世界内容具象地呈现出来。

1.1 图像是构成电视内容的重要元素

在不同的领域中图像具有不同的含义。从艺术的角度理解，图像是对真实世界事物的描绘，采用画笔、颜料等工具，以色彩、线条等形式对物体结构和形态的反映与再现。从广播电视技术角度来看，图像是通过摄像机、录像机等影像记录设备获取原始材料，经过加工和处理之后，经由播出设备传输至电视机等接收设备的画面。电视节目由多幅图像组成，每幅图像称为帧。

电视传输内容构成中图像既是主要内容，也是电视媒体区别于传统媒体的重要标志。电视将图像、声音等信息传播媒介进行综合运用，能够更加真实地反映现实世界的变化与发展。纸质媒体、广播媒体与电视媒体特征比较如表1所示。

1.2 视觉惰性为电视形成动态图像提供基础

如果仅仅是提供不同的画面尚无法形成人们能够感觉的动态内容。电视技术利用人眼的视觉惰性特征，实现图像的动态传输。

视觉惰性是人眼对亮度的感觉和光的共同之下形成的。人眼通过对光亮度的强弱进行视觉反应形成事物的图像。人眼对形成的图像并不会马上消失，而是在视觉中持续一定的时间，这就是视觉惰性，也称为视觉暂留现象。电视技术根据人眼的视觉惰性现象，以固定的长度连续传输画面，就会形成动态的影像感觉。

目前世界电视的制式存在差别，电视传输的帧数也有所不同的。我国采用PAL制式，每秒传输30帧画面。

2 彩色电视是电视信号与色彩信号组合的技术

最初电视发明时，以黑白两种颜色表现图像。彩色电视技术的发明和应用能够栩栩如生地反映现实世界，将更好的内容呈现给人们。

2.1 根据三基色混色原理构造色彩信号

在彩色电视中，如果将每一种颜色都进行分别传输，既需要较大的成本，同时也使信号的传输更加复杂。三基色原理为解决这一难题提供方法。人们通过实验发现，只需选取3种不同颜色的单色光按一定的亮度比例进行混合，就可呈现自然界绝大多数色彩，满足彩色电视对色彩的要求[1]。

彩色电视采用红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）3种颜色作为混色的基准颜色。从色彩的混色效果来看，混色的基准颜色可以选取多种方案。彩色电视选取红、绿、蓝3种颜色，因为一方面人的视觉对这3种颜色的光更加敏感；另一方面，用这3种颜色能够混合出更多的颜色。

2.2 彩色电视信号图像构成的基本要素

彩色电视的图像由以下3个要素构成：亮度、色调和色饱和度[1]。与黑白电视信号相同，亮度信号是彩色电视基本信号，是构成一切电视图像的基础。亮度反映电视信号中每帧图像光的强弱程度。色调是指彩色电视信号中光的颜色。色饱和度是指光的深浅程度。色饱和度与添加白色光的程度是相关的。在颜色中加入白色的光越多，颜色越浅，色饱和度越低；加入白色的光越多，颜色越深，色饱和度越深。通常将色调与色饱和度并称为色度，也称为色对比度。

3 电视的信号传输

电视传输是节目制作、信号发送和电视接收3个相互联系、相互衔接的有机组成部分的总称。电视传输是以传输电视信号为根本目的。黑白电视全电视信号包括图像信号、同步信号和消隐信号；彩色电视全电视信号包括亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号和复合消隐信号。各个环节间过光、电信号的转换进行电视信号传输，实现电视节目播放。电视信号转换模式如图1所示。

4 数字电视是基于数字技术的电视技术新变革

数字电视的诞生既是电视技术的突破，也是电视技术新发展的开端。数字电视将电视技术带入新的领域，同时也为进一步的扩展应用提供可能。

4.1 数字电视的含义

数字技术指以二进制“0”和“1”为存储和传输信息的基本单位，通过不同的数字组合表示信息。数字电视是基于数字技术进行传输的电视传播方式。从技术制作和传输方式来看，它是从数字设备对电视节目素材采集开始，经过后期的加工编辑、制作，再经传输实现接收的全过程均为数字信号的电视系统。

4.2 数字电视的实现

数字电视能够实现电视信号的数字化需要经过抽样、量化和编码3个步骤[2]。

4.2.1 抽样

模拟电视的信号是在时间上连续不断的信号。数字电视需要将模拟信号离散化。抽样又称取样，是模拟电视信号数字化过程必须进行的第一步操作，选取每隔一定时间的信号样值序列来表示反映原来模拟信号。

4.2.2 量化

模拟电视中以图像反映节目内容，数字电视需要将图像进行数字化转换。采用数字技术将图像信息转换成以“0”和“1”为代表的电平数值，进行图像信息的描述。通常用二进制的位数n表示量化等级，n也被称为量化比特数，如n为八位，则称为8比特量化。

4.2.3 编码

完成抽样、量化步骤后，电视信号已经是数字化的信号。此时需要对电视信号根据相应的编码规则进行编码。编码的功能是电视信号压缩和纠错。通过编码既能够确保不占用过多的存储和传输带宽，同时也能够保证电视信号无失真地还原[3]。

4.3 数字电视的优点

数字电视自问世以来迅速获得普遍的好评，并得到推广，主要是因为数字电视具有如下特点：（1）信号稳定。在电视信号的传输中，数字电视抗干扰的能力强，能够很好地反映事物原来的形象。（2）信号质量高。数字电视信号的清晰度优于模拟电视。（3）容量大。相同的宽带下，数字电视能够传输更多的内容。

5 图像压缩技术有助于克服数字电视的不足

数字电视技术的发展带来诸多便利，但是数字化的过程产生大量的数据。大量的数据会增加电视信号存储、传输占用的带宽，因此需要对数字电视信号进行压缩。

5.1 数字电视图像压缩的可能性

电视图像是由连续的帧描绘，因此，各帧之间在时间、空间等因素上具有相关性，这为图像压缩提供了基础。同时，数字技术的应用和发展使图像压缩成为可能[4]。

5.1.1 时间冗余

数字电视图像序列中，相邻帧之间的图像在内容上具有关联性，后帧与前帧之间具有时间的继起性，这称为时间冗余。例如，足球比赛的现场直播，前后帧之间球场、草坪等背景基本不变，变化的只是足球运动员位置的移动。

5.1.2 空间冗余

数字电视图像序列中，相邻帧图像背景、形状基本相同，没有发生改变，这称为空间冗余。例如，在新闻演播室的新闻报道中，演播室的布景与主持人的位置都是基本不变的，变化的只是播送的新闻内容。

5.1.3 结构冗余

数字电视图像序列中，帧的图像内容上大面积具有相似性，仅有细微差别，这称为结构冗余。例如，播送花团锦簇的画面，大面积同种类的花朵呈现同颜色同形状，变化的是花朵开放的形态。

5.2 数字电视图像压缩的目的及要求

在电视媒体中，图像是信息的主要表达方式，是占据数字电视空间最主要的元素。对图像进行压缩的目的是消除数字电视信号中的冗余，即重复的、可推算的及在信号恢复时无实际功能的信息。

因为压缩是对图像信息进行重新编码、传输，优质的图像压缩是在不影响电视信号质量的基础上保证图像内容准确地还原。

6 MPEG2帧内编码技术的作用

随着数字电视技术的发展，图像压缩技术日趋完善，逐步形成国际统一的压缩标准。MPEG移动图像压缩技术标准正是其中之一。

6.1 MPEG移动图像压缩标准简介

MPEG全称为国际标准化组织与国际电工委员会第一联合技术组第29分委会第11工作组（ISO/IECJTC1/SC29），简称国际标准化组织与国际电工委员会第一联合技术组（ISO/IECJTC1）运动图像专家组[5]。专家组成立于1988年，负责制定数字视、音频以及其他媒体压缩、解压、编码和描述的国际技术标准。

MPEG专家组于1992年发布第一个标准MPEG-1。此后陆续针对不同应用、不同码率的音視频编码压缩发布了MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，MPEG-7和MPEG-21等5个系列。其中，MEPG2标准系列在广播电视领域中得到广泛的应用。

6.2 MPEG2标准的压缩方式

在MPEG2图像压缩标准中，主要通过DCT变换和运动预测技术来压缩空间冗余和时间冗余，即两步法完成图像压缩。首先，通过运动预测和运动补偿的方法去除图像序列中的时间冗余；然后，通过DCT余弦变换去除差值信号的空间冗余。

6.3 MPEG2压缩标准的图像结构

MPEG-2的视频结构共分为6层。这6层从高至低排列依次为视频序列（Video Sequence，VS）层、图像组（Group of Pictures，GOP）层、图像（Pictures）层、像条（Slice）层、宏块（Macro Block，MB）层和像块（Block）层。

（1）像块，也称为块，是MPEG2进行DCT变化的基本单位。像块既可以是亮度信号也可以是色度信号。（2）宏块，MPEG2运动预测的基本单位，包含图像的亮度信号和色度信号。（3）像条，由一系列连续的宏块构成。当发生不可纠正的误码后，通过像条重新图像同步的基本单位。（4）图像，即构成电视内容的帧，是编码压缩的基本单位。（5）图像组，由电视内容中的多个图像构成，是对内容进行编码、压缩、存储和传输的基本单位。（6）视频序列，也可以称作图像序列，由随机选取节目的内容单元构成。

6.4 MPEG2标准I、P、B帧内编码技术

MPEG2标准为了提高压缩的效率，定义了I（Intra Picture）、P（Predicated Picture）和B（Bidirectional Picture）帧，分别进行前向、后向及双向编码压缩。

6.4.1 帧内编码图像：I帧

当需要对一段图像进行编码压缩时，将第一帧定义为I帧。I帧只对本帧内的音、视频及数据等信号进行量化、DCT余弦变换等方式进行编码。

I帧作为图像组的起始帧，它的作用是为后面的P帧和B帧提供参考。通常，为了确保图像质量不受压缩的影响，I帧图像的压缩比不高。

6.4.2 前向预测编码图像：P帧

P帧采用前向预测编码方式对图像进行编码压缩，即根据前面的P帧或前面最靠近的I帧作为参考帧进行预测编码。

P帧既可以作为B帧，也可以作为后面的P帧的参考帧。由于P帧采用了运动补偿的方法进行编码，因此P帧的压缩比高于I帧。

6.4.3 双向预测编码图像：B帧

B帧采用双向预测编码方式对图像进行编码压缩，也就是B图像。B帧参照前面的一个参考帧和后面的一个参考帧进行双向预测，其参考帧既可以是I帧也可以是P帧。

常用的图像组由12帧组成，它们是1个I帧，3个P帧和8个B帧，帧的排列形式为IBBPBBPBBPBB。

6.5 MPEG2帧内编码技术的作用

MPEG2移动图像压缩技术能够达到很高的压缩比，同时也能够保证图像具有很好的质量，单靠帧间编码是难以做到的。MPEG2帧内编码技术有效地克服了这一困难。帧内编码有效提高压缩效率，同时压缩效果好，确保数字电视信号能够很好地还原。

7 结语

电视作为媒体传输技术手段，为人们获取信息、了解世界提供了有效的途径。随着技术的发展，电视媒体不断经历传输方式和应用形式的革新。数字电视因采用数字技术，具有图像清晰、信号稳定、抗干扰能力强的优点，获得普遍的应用。然而，由于数字化的电视信号具有数据量大、占用带宽多的不足，对数字电视进行压缩是十分必要的。

MPEG作为移动图像压缩的国际标准，为数字电视压缩技术的发展提供重要依据。在MPEG的系列标准中，MPEG2在广播电视系统中获得普遍的认可，并被广泛应用。MPEG2的帧内编码技术能够确保电视信号传输质量，在帧间编码的基础上，进一步提高数据压缩率，提高广播电视带宽资源的利用率。