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舊 2004-02-20, 12:39 PM   #1
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數位視瀕的國際標準

自1948年提出視瀕數位化概念後, 經過將近40年的探索, 於1982年提出了電視演播室數字編碼的國際標準(CCIR 601號建議);又於1984年提出了第一個實用化的、適應於會議電視和可視電話要求的H.261標準;1993年公佈了活動圖像的編碼壓縮標準MPEG-1;1994年發表了MPEG-2標準, 該標準向下相容MPEG-1, 向上相容HDTV的圖像品質;1999年公佈了MPEG-4標準; 今後還計劃發表MPEG-7標準。下面將上述國際標準逐一介紹。



1、CCIR 601號建議
為了便於國際間的節目交換,為消除數字設備之間的制式差別,和為 625行電視系統與 525行電視系統之間相容,在 1982年 2月國際無線電咨詢委員會(CCIR)第 15次全會上,通過了 601號建議,確定以份量編碼為基礎, 即以亮度份量Y、和兩個色差份量R-Y、B-Y為基礎進行編碼,作為電視演播室數字編碼的國際標準。
  該標準規定: (1).不管是PAL制,還是NTSC制電視,Y、R-Y、B-Y三份量的抽樣頻率分別為13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。(2). 抽樣後採用線性量化,每個樣點的量化比特數用於演播室為10bit, 用於傳輸為8bit。(3). Y、R-Y、B-Y三份量樣點之間比例為4:2: 2。



  在 1983年 9月召開的國際無線電咨詢委員會(CCIR)中期會議上,又作了三點補充:(l)明確規定編碼信號是經過γ預校正的 Y、(R-Y)、B-Y)信號;(2)相應於量化級 0和 255的碼字專用於同步, l到254的量化級用於視瀕信號; (3)進一步明確了模擬與數字行的對應關係,並規定從數字有效行末尾至基準時間樣點的間隔,對 525行、 60場秒制式來說為 1 6個樣點,對 625行、 50場/秒制式則為 12個樣點。不論 625行50場或 525行60場,其數字有效行的亮度樣點數都是 720,色差信號的樣點數均是 360,這是為了便於制式轉換。若亮度樣點數被 2除,就得到色差信號的資料。

  2、H.261標準


  1984年國際電報電話咨詢委員會的第 15研究組成立了一個專家組,專門研究電視電話的編碼問題,所用的電話網路為綜合業務資料網路ISDN,當時的目標是推薦一個圖像編碼標準,其傳輸速率為 m×384kb/s(千位秒),m= l,2,3,4,5。這裡384kb/s在 ISDN中稱為 Ho信道。另有基本信道 B的速率為64kb/s, 6×B= 384kb/s。5×Ho = 30×B= 1920kb/s為窄帶 ISDN的最高速率。



後來因為 384kb/s速率作為起始點偏高,廣泛性受限制,另外跨度也太大,靈活性受影響,所以改為 p×64kb/s, p= l, 2,3,..30。最後又把 p擴展到 32,因為 32×64kb/s=2084kb/s, 其中 2084=211,基本上等於2Mb/s, 實際上已超過了窄帶 ISDN的最高速率1920kb/s,最高速率也稱信道容量。



經過5年以上的精心研究和努力,終於在 1990年12月完成和批准了CCITT推薦書 H.261,即"採用 p×64kb/s的聲像業務的圖像編解碼",H.261簡稱 p×64。



  由於 H.261標準是用於電視電話和電視會議,所以推薦的圖像編碼算法必須是既時處理的,並且要求最小的延遲時間,因為圖像必須和語音密切配合,否則必須延遲語音時間。


當 p取l或2時,速率只能達到128kb/s, 由於速率較低只能傳清晰度不太高的圖像,所以適合於面對面的電視電話。當 p>6時,速率>384kb/s則速率較高,可以傳輸清晰度尚好的圖像,所以適用於電視會議。


  3、 JPEG標準


  靜像資料壓縮標準 JPEG(Joint Photo一graphic Experts Group),直譯為聯合攝影術專家組,其中聯合是指幾個國際組織的聯合。它是從1986年正式開始制訂的。當時由兩個國際組織聯合支持,其一,是國際標準組織 ISO; 其二,是國際電報電話咨詢委員會 CCITT。



到 1987年 l1月,國際電工委員會 IEC也參加合作,因此說 JPEG是三個國際組織合作的成果。


雖然從 1986開始,經過許多次國際會議討論和修改後,於1992年 7月 2日表決通過標準的第一部分,但是可能對有關測試標準草案(即標準的第二部分)作進一步修改。JPEG是 ISO的標準,同時也CCITT的推薦標準。

  JPEG是數字圖像壓縮的國際標準。


它用於連續變化的靜止圖像,這裡包括灰度等級和顏色兩方面的連續變化。JPEG包含兩種基本壓縮方法,各有不同的操作模式。第一種是有損壓縮,它是以DCT(Discrete Cosine Transform)為基礎的壓縮方法。



第二種為無損壓縮,又稱預測壓縮方法。但最常使用的是第一種, 即DCT壓縮方法,也稱為基線順序編解碼(Baseline Sequential Codec)方法,因為這種方法的優點是先進、有效、簡單、易於交流,因此套用廣泛,是以DCT為基礎的最基本、最重要的方法。



  4、MPEG- l標準


  MPEG是活動圖像專家組(Moving Picture Expert Group)的英文縮寫。實際上,它是標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)聯合技術委員會l(JTC l)的第29分委員會(SC29)的第 l l工作組(WG l l),其全稱是 WG l l of SC 29 of ISO/IEC JTCl。MPEG的工作是開發運動圖像及其聲音的數字編碼標準,成立於1988年。

  專家組最初的工作有三個:實現1.5Mb/s、 10Mb/s、 40Mb/s的壓縮編碼標準,即 MPEG-l、MPEG-2、MPEG-3。


但因為 MPEG-2的功能已使 MPEG-3為多餘,所以 MPEG-3於1992月撤消。MPEG-4專案是1991年5月建議並於 1993年 7月驗證,其目標是甚低數位率的音瀕壓縮編碼(碼率低於28.8Kb/s)。


下面分別介紹各個標準。


  隨著數字音瀕和數字視瀕技術的廣泛套用,ISO的活動圖像專家組(MPEG)在1991年11月提出了 ISO ll172標準的建議草案,通稱 MPEG-1標準。


該標準於 1992年 11月通過, 1993年8月公佈。MPEG-1標準適用於數位率在1.5Mbps左右的套用環境,也就是為CD-ROM光碟的視瀕存儲和放像所制定的。
  MPEG-l標準可以處理各種類型的活動圖像,其基本算法對於壓縮水準方向 360個像素豎直方向 288個像素的空間分辨力,每秒24至30幅畫面的運動圖像有很好的效果,在 MPEG-1標準中的一畫格圖像的概念不同於電視中畫格的概念,前者一定是成逐行掃瞄的圖像,如果待處理信號是隔行掃瞄的圖像,則編碼前必須將其轉換成逐行掃瞄的格式。


  --MPEG-l標準提供了一些錄像機的功能:正放,圖像凍結、快進、快倒和慢放。此外,還提供了隨機存儲的功能,當然,解碼器這些功能的實現在一定程度上同圖像資料存儲CD片相關。

  MPEG-l標準採用了一系列技術以獲得高壓縮比,
第一,對色差信號進行亞采樣,減少資料量 ;
第二,採用運動補償技術減少畫格間冗余度;
第三,做二維DCT變換去除空間相關性;
第四,對DCT份量進行量化,捨去不重要的信息,將量化後DCT份量按照頻率重新排序;
第五,將 DCT份量進行變字長編碼 ;第六,對每資料塊的直流份量(DC)進行預測差分編碼MPEG-l中的圖像類型
共分四種: I圖像, 或稱Intra圖像,採用畫格內編碼,不參照其它圖像; P圖像, 或稱Predicted圖像, 它們參照前一幅I或P圖像做運動補償編碼; B圖像,或稱雙向預測圖像,它們參照前一幅和後一幅I或P圖像做雙向運動補償編碼; D圖像,或稱直流(DC) 圖像,這類圖像中只含直流份量,是為快放功能而設計的。



  5、MPEG-2標準
  MPEG-2是由 MPEG開發的第 2個標準。按計劃於 1994年 l1月正式確定為國際標準,MPEG-2是"活動圖像及有關聲音信息的通用編碼"(Generic Coding of Moving Pictures Associated Audio Information)標準。MPEG-2標準制定始於 1990年7月。



在此之間,國際電信盟電信標準化部門(ITU-T)成立了一個有關 ATM的圖像編碼專家組。



從此開始了JTC1 ITU-T的合作。從1991年5月開始徵集有關圖像編碼算法(Video Coding Algorithms)的文件,有32個公司和組織提供了非常詳細的研究結果和 D1格式的編解碼圖像錄像帶。 1991年l l月,在日本的 JVC研究所進行了對比測試,確定帶有運動補償預測和內插的DCT最成熟和效能最好。



在1992年 1月的會上又定下了 MPEG-2是"通用"(generic)標準。MPEG-2的聲音和系統部分的工作始於1 992年7月。MPEG為制定 MPEG-2經常與有關國際組織,如ISO、IEC、ITU-T、ITU-R等開會協調,並注意到了與 MPEG-1的相容一致。國際電聯的無線電通信部門(ITU-R)從廣播電視方面提出的不同需求構成了 MPEG-2的等級等級(Profile/Level)概念的基礎。



ITU-R在 MPEG-2的品質檢驗、測試方面做了大量工作。MPEG-2的委員會草案ISO/IEC CD 13818是 1993年 l1月產生的。按計劃在 1994年1 l 月 7日至 l 1日的新加坡會議上,批准為國際標準ISO/IEC IS 13818。此後還要對 MPEG-2進行擴展。
  6、MPEG-4標準
  MPEG-4標準將支持 7個新的功能。可粗略劃分為 3類:關於內容的交互性、高壓縮率和靈活多樣的存取模式。現分別介紹如下:


  1. 關於內容的交互性(Content-based interactivity)


  (1)關於內容的操作與比特流編輯支持無須編碼就可進行關於內容的操作與比特流編輯。例如:使用者可在圖像或比特流中選項一直接的對象(Object)(例如圖像中的某個人,某個建築等等),隨後改變它的某些特性。




  (2)自然與合成資料混合編碼 提供將自然視瀕圖像同合成資料(文本、圖形)有效結合的方式,同時支持交互性操作。


  (3)增好的時間域隨機存取 MPEG-4將提供有效的隨機存取方式:在有限的時間間隔內,可按畫格或任意形狀的對象,對一音、視瀕序列進行隨機存取。例如以一序列中的某個音、視瀕對像為目標進行"快進"搜尋。


  2. 高壓縮率(Compression)

  (l)提高編碼效率 在與現有的或正在形成的標準的可比擬速率上, MPEG-4標準將提供更好的主觀視覺品質的圖像。這一功能可望在迅速發展中的移動通信網中獲得套用,但值得注意的是:提高編碼效率不是MPEG-4 的唯一的主要目際。
  (2)對多個並發資料流的編碼 MPEG-4將提供對一景物的有效多視角編碼, 加上多伴音聲道編碼及有效的視聽同步。


在立體視瀕套用方面, MPEG-4將利用對同一景物的多視點觀察所造成的信息冗余, MPEG-4的這一功能在足夠的觀察視點條件下將有效地描述三維自然景物。

  3. 靈活多樣的存取 (Universal access)


  (l)錯誤易發環境中的抗錯性( Robustness) "靈活多樣"是指允許採用各種有線、線網和各種存儲媒體,MPEG-4將提高抗錯誤能力(Error robustness capability),尤其是在易發生嚴重錯誤的環境下的低比特套用中(移動通信鏈路)。注意, MPEG- 4是第一個在其音、視瀕表示規範中考慮信道特性的標準。




目的不是取代已由通信網提供的錯誤控制技術,而是提供一種對抗殘留錯誤的堅韌性。

例如:選項性前向糾錯 ( Selective forward error correction),錯誤遏制(Error containment), 或錯誤掩蓋(Error concealment)。


  (2)關於內容的尺度可變性(Content-based scalability) 內容尺度可變性意味著給圖像中的各個對象分配優先級。


其中,比較重要的對象用較高的空間和或時間解析度表示。關於內容的尺度可變性是 MPEG-4的核心,因為一旦圖像中所含對象的目錄及相應的優先級確定後,其它的關於內容的功能就比較容易實現了。


對甚低比特率套用來說,尺度可變性是一個關鍵的因素, 因為它提供了自適應可用資源的能力。例如,這個功能允許使用者規定:
對具有最高優先級的對象以可接受的品質顯示,第二優先級的對象則以較低的品質顯示,而其餘內容(對像)則不予顯示,可見,這種方式可最有效地利用有限的資源。

  7、 MPEG-7標準

  MPEG家族的新成員叫作"多媒體內容描述接頭"(簡稱MPEG-7, 它的由來是1+2+4=7, 因為沒有MPEG-3、MPEG-5、MPEG-6),它將擴展現有內容識別專用解決方案的有限的能力,特別是它還包括了更多的資料類型。換言之, MPEG- 7將規定一個用於描述各種不同類型多媒體信息的描述符的標準集合。


MPEG-7還將對定義其它描述符及其結構(描述方案),和他們之間的關係的方法進行標準化。


這種描述(也就是描述符和描述方案的組合)將與內容本身關聯起來,以便對用戶感興趣的素材進行快速高效的搜尋。 MPEG-7將標準化一種用來定義描述方案的語言,即描述定義語言(DDL)。


帶有與之相關的 MPEG-7資料的 AV素材,就可以被加上索引,並可進行檢索。


這些素材可能包括,靜止圖像、圖形、3D模型、音瀕、語言、視瀕、以及關於這些成份如何組成一個多媒體表述(即所謂"環境",組合信息)的信息。在這些通用資料類型中的特殊情況可能已包括面部表情和個人特徵。




  MPEG- 7象 MPEG家族中的其它成員一樣,是針對滿足特定需要的音、視瀕信息的標準化表述。由於 MPEG-7是在其它標準表述諸如模擬、 PCM、 MPEG-l、MPEG-2和MPEG- 4等基礎上建立起來的,而標準化的功能之一就是對其中相應部分提供參考。



舉例來說,也許一個用於MPEG-4的形狀描述符,在 MPEG-7的環境裡可能會有說明 ,同樣的,用於 MFEG-l、MPEG-2的運動矢量區也可能有這樣的情況。


  但是, MPEG-7的描述符並不依賴於它所描述的內容是編碼的或存儲的方式,可以把MPEG-7的描述說明,附加到模擬制的電影裡或是用紙張列印出來的圖片上。


然而,儘管MPEG-7的描述不依賴於所處理素材的(編碼)表達方式,但由於在一定程度上它是在 MPEG-4的基礎上發展起來的,而 MPEG-4採用了按照具有一定時間關係(同步)和空間關係(對於視瀕而言是在螢幕上,對於音瀕而言是在房間內)的對象,來進行音、視瀕編碼的處理方式,因此用 MPEG-4編碼有可能把描述說明附加到場景中的成員(對像),譬如說音、視瀕對像身上。




所以,MPEG-7在描述中要提供不同的程度,才可能實現不同等級的識別。


  因為描述性特徵必須在套用環境中才有意義,所以他們會因用戶範圍的不同和套用領域的不同而有所區別。這就意昧著,同樣的素材,因為要和套用範圍相匹配,可能會使用不同類型的特徵來描述。



我們來看一些例子,對於可視素材,較低的抽像級別可能會用一些象形狀、尺寸、紋理、顏色、運動(拋射)、位置("對像會在場景中的哪個位置被發現呢?")等內容來描述;對音瀕內容而言,可能會採用調式、情緒、節奏、節奏變化、在聲場中的位置等內容。而最高的抽像等級可能會給出關於語意的信息:
"在這個場景中,左側有一隻正在吠叫的棕狗,右側有一隻落下來的藍色圓球,背景中還有汽車經過的聲音。



"當然,所有這些描述都會以高效方式進行編碼,也即能提高搜尋的效率。同時,中間也可能存在過渡的抽像等級。


抽像等級與提取特徵的方式有關,許多低等級的特徵可以用全自動的方式提取出來,而高等級的特徵就需要更多的人工交互。

作者:蕭小笑
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