浅析数字信号压缩编码标准的应用|数字信号的压缩编码
摘要： 随着数字广播电视设备的产生与应用，作为广播电视工程技术人员，一定要掌握数字信号的各种编解码标准的理论和应用。 关键词： JPEG标准；MPEG-1标准；MPEG-2 标准；MPEG-4标准；MPEG-7标准
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0206-020 引言
随着数字广播电视设备的产生与应用，作为广播电视工程技术人员，一定要了解和掌握数字信号的各种编解码标准的理论和应用。国际标准化协会ISO、国际电子学委员会IEC、国际电信协会ITU等国际组织，于20世纪90年代领导制定了多个重要的数字信号编解码标准。如MPEG的标准系列，MPEG-1、MPEG-2标准、MPEG-4标准、MPEG-7标准，在2001年12月完成的MPEG-21标准等。
1 JPEG标准
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是联合图像专家小组的英文缩写。JPEG标准是1985年提出，1992年公布为国际标准。
JPEG压缩编码方法称为JPEG算法。JPEG是国际上色彩、灰度、静止图像的第一个国际标准。是一个适用范围广泛的通用标准，主要用于计算机静止图像的压缩，还有数码相机的图像均以JPEG格式存储。JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式，各类浏览器均支持JPEG这种图像格式，因为是可以把文件压缩到最小的格式，占用空间小，下载速度快。
在Photoshop软件中以JPEG格式储存时，提供11级压缩级别，以0—10级表示。其中0级压缩比最高，图像品质最差。即使采用细节几乎无损的10级质量保存时，压缩比也可达5:1。比如，以BMP格式保存时得到4.28MB图像文件，在采用JPG格式保存时，其文件的大小仅为178KB，压缩比达到24:1。在实际工作中，常采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。
2 MPEG-1标准
MPEG-1标准，1988年开始，1992年成为音频压缩编码国际标准。编号是：ISO/IEC11172，是用于运动图像及伴音的编码，码率达1.5Mbps。是世界上第一个集成视、音频编码标准，第一个只定义解码器（接收机）的标准，第一个独立于视频格式的视频编码，第一个以软件方式制定并含软件实施的标准。主要用于活动图象，如VCD等家用数字音象产品。其音频3层即MP3广泛应用于网络音乐。
MPEG-1标准技术特点：
2.1 MPEG-1标准目标是“对当比特率为1.5Mb/s时，用于数字存储媒体的动态图像及其伴音的编码”。它首先提出了流数据结构，使视频数据的描述更加完善。最高编码速率1.8 Mb/S；实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码；信源输入格式为SIF，如为CCIR-601格式的信源要转换成SIF格式才能输入MPEG-1编码器。
2.2 为了解决随机访问和高效压缩的要求冲突，在MPEG-1中定义了四种主要的图像类型：I帧、P帧、B帧和D图像。I帧只使用帧内编码，必须传递；P帧用于前向预测；B帧用于双向预测；D图像用于甚低频图像的浏览。
2.3 MPEG-1视频压缩中主要用到两项基本技术[1]：一种基于16块运动补偿：适用于预测编码和插补编码，用于减少帧序列的时间冗余度；一种基于变换域（DCT）的压缩技术，用于减少空间冗余度。
2.4 MPEG-1的音频部分只涉及单声道和立体声，音频使用48KHz、44.1KHz、32KHz三种采样频率，视音频的总数据率1.5Mb/s。MPEG-1的音频LayerⅢ简称MP3已得到广泛使用。
比如：利用MPEG-1制作大容量DVD影碟。一部30集的电视连续剧，只需三张DVD光盘制作压缩。这种压缩DVD采用的MPEG-1视频的码率是和标准VCD一样的1150Kbps；音频编码采用48kHz采样率的MPEG-1/2 Layer Ⅱ音频，略高于VCD的44.1kHz；字幕可采用DVD的标准字幕或内镶字幕。同理，一张4.7GB的DVD可放下超过450分钟的节目，也就是约8到10集电视剧。这样有利于电视台对影视资料的保存。
3 MPEG-2标准
MPEG-2标准1988年提出，1994年公布为国际标准，编号是：ISO/IEC13818，是一种通用的运动图像视、音频编码标准。码率可达9Mbps。广泛应用于用于活动图象，如数字有线电视、数字机顶盒、DVD和数字电视（包括SDTV和HDTV）的信源编码。MPEG-1是MPEG-2的子集，同MPEG-1标准一样也包括系统、视频和音频等内容，它克服并解决了MPEG-1不能满足日益增长的多媒体技术、数字电视技术对分辨率和传输率等方面的技术的缺陷[2]。
MPEG-2标准的主要技术特点：
3.1 它将一个或更多的音频、视频或其他的基本数据流合成单个或多个数据流，以适应存储和传送。
3.2 系统输出两个数码流：节目比特流PS，用于相对无误差的环境；传输比特流TS，用于有噪声媒质。
3.3 MPEG-2的类与级：它有4种输入格式，称为级。从有限清晰度的VHS(家用录像系统)质量图像直到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。除了在源格式提供这种灵活性之外，它还有不同的处理方法，称为类，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。主级和主类提供720×576（PAL）25帧的ITU-R 601建议图像质量。在压缩比为30:1或更小时，它可以提供广播质量的编码图像，也可工作在大压缩比如200:1下，效果与MPEG-1相差不大（即与MPEG-1兼容）。分辨率要求有低（352x288）、中（720x480）、次高（1440x1080）、高（1920x1080）不同档次。