數字視頻壓縮技術的發展歷程

數字技術最早出現在歐洲。自20世紀80年代以來，歐洲一些擁有先進電視技術的國家，如德國、法國和英國開始研究數字技術，并開始生產mac1、mac2、mac3（多模擬數字分時傳輸技術）等第三代數字衛星電視臺數字廣播。當時，數字技術非常先進，標準清晰的廣播和多段采樣的聲音傳輸也可以同時提供。與此同時,日本的數字電視技術也達到了很高的水平。日本是世界上第一個用MUSE(多重壓縮編碼)技術進行高清電視節目廣播的國家,但試播不到兩年,由于新的數字技術不斷出現,MUSE技術已相對落后,不得不放棄自己的MUSE技術標準。1982年,新一代數字式電視機由美國的數字電視公司首先研制成功。這種電視機的結構主要由5塊超大規模集成電路組成,元部件比模擬式電視機減少一半以上,因而使生產工藝大大簡化,生產成本降低。1983年,該電視機開始正式生產并投放市場。從上世紀九十年代開始,數字電視技術在世界范圍內飛速發展,除了歐洲之外,美國、日本等技術先進國家也都認識到數字電視技術對本國經濟發展的重要性,因此也加入到數字電視技術的研究行列,并制定了現代數字視頻壓縮技術的一系列主要標準MPEG-X。中國雖然當時電視技術相對還比較落后,但考慮到我們是電視機王國,消費市場巨大,也積極加入到了數字電視技術的競賽行列,準備在MPEG的基礎上制訂出自己的數字電視標準系列。1995年9月15日美國正式通過ATSC(AdvancedTelevisionSystemsCommittee,美國高級電視業務顧問委員會縮寫)數字電視國家標準。ATSC制信源編碼采用MPEG-2視頻壓縮和AC-3音頻壓縮;信道編碼采用VSB調制,提供了兩種模式:地面廣播模式(8VSB)和高數據率模式(16VSB)。隨著多媒體傳輸業務的不斷發展,為了適應移動接收的需要,近來又計劃增加2VSB的移動接收模式。1996年4月法國第一個開始了數字電視商業廣播,全世界的數字電視廣播迅猛發展,其中尤以DVB-S廣播技術的應用發展最普及和迅猛。DVB-S標準甚至被美國這樣的數字技術超級發達的國家采用。隨DVB-S之后,DVB-C也在逐漸普及,特別是在我國這樣的要控制宣傳媒體的國家里,DVB-C或其變種技術必將是數字電視廣播技術的主體。DVB-T技術在DVB-S和DVB-C之后,也被歐洲、亞太甚至美國等地區的不少國家用于商業廣播。1998年11月美國開始數字電視廣播,計劃2006年將全面實現數字電視廣播并全部收回模擬電視的NTSC頻道。1999年9月我國的數字電視廣播HDTV-T在中央電視塔上進行廣播試驗成功,并宣布了我國數字電視廣播三步走計劃:將于2008年正式試播HDTV-T,2015年將全面實現數字電視廣播,同時停止模擬電視廣播。數字電視的新時代即將到來,模擬電視終將被數字電視所取代。2002年7月,我國開始研制具有自己知識產權的AVS(AudioVideoStandard)音視頻壓縮標準,以此取代MPEG-2圖像壓縮標準,并于2003年7月宣布基本取得成功。新的AVS音視頻壓縮標準技術性能比MPEG-2更優越,活動圖像更清晰,圖像壓縮比更大,是MGEG-2圖像壓縮比的2.4倍,它與MPEG-4的正在升級的版本JVT(JointVideoTeam)處同一技術水平,且互相兼容。2003年11月18日,我國又宣布EVD(EnhancedVideoDisk)技術標準制定成功,EVD光盤圖像信息量是現DVD的3倍。EVD技術標準綜合了目前國際上最先進的VP5、VP6技術優點,使我國的數字電視技術又向國際先進國家行列跨進了一大步,并把目前的DVD技術遠遠地拋到了后面。2003年12月30日,負責我國數字電視標準研究的單位之一,清華大學信息技術研究院數字電視技術研究中心,在深圳現場演示數字多媒體地面廣播傳輸標準單頻網技術獲得成功,這表明中國數字電視地面傳輸標準與技術走在了世界前列。現對數字電視方面的一些有關標準和技術簡要介紹如下:SDTV(標準清晰度數字電視)和HDTV(高清晰度數字電視)SDTV電視節目很早在歐洲就開始廣播,如:DVB-S(衛星數字視頻廣播)、DVB-C(有線數字視頻廣播)、DVB-T(地面數字視頻廣播),這些都是屬于標準清晰度數字電視。目前SDTV電視圖像分辨率標準為:576×720,4:3,即掃描參數與現在的模擬電視基本一樣,但水平清晰度提高了一倍多。第一個提出HDTV概念和進行HDTV節目廣播的是日本,但它的HDTV技術標準(MUSE)沒有人跟風。后來美國于1995年又推出一種新的HDTV標準(ATSC),并于1996年開始正式廣播。此事一時引起很大的轟動,連日本已經開始廣播了兩年的MUSE-HDTV節目也被迫停止廣播,準備跟風美國。目前SDTV和HDTV都是采用MPEG-2圖像壓縮標準,但由于MPEG-LA公司提出要對MPEG標準的使用者收費,加上HDTV的傳輸碼率要比SDTV高好幾倍,使得HDTV-T(地面廣播)在傳輸技術上遇到了較大的難度,一時間人們對HDTV的熱情開始冷卻了下來。我國政府對實現SDTV和HDTV數字電視廣播的熱情很高,并制定了未來5年和15年數字電視發展的時間表,但我國的SDTV和HDTV標準卻遲遲沒有定下來。從技術上考慮,SDTV和HDTV數字電視的顯示格式一共有18種(HDTV6種、SDTV12種),其中14種采用逐行掃描方式。HDTV,1920像素(H)×1080像素(V),寬高比16:9,幀頻60Hz/隔行掃描,幀頻30Hz/逐行掃描,幀頻24Hz/逐行掃描。HDTV,1280×720,16:9寬高比,幀頻60Hz/逐行掃描,幀頻30Hz/逐行掃描,幀頻24Hz/逐行掃描。SDTV,704×480,16:9或4:3寬高比,幀頻60Hz/隔行掃描,幀頻60Hz/逐行掃描,幀頻30Hz/逐行掃描,幀頻24Hz/逐行掃描。SDTV,640×480,4:3寬高比,幀頻60Hz/隔行掃描,幀頻60Hz/逐行掃描,幀頻30Hz/逐行掃描,幀頻24Hz/逐行掃描。在6種HDTV格式中,因為1920×1080格式不適合在6MHz信道內以60幀/秒進行逐行掃描,故以隔行掃描取代之。SDTV的640×480圖像格式與計算機的VGA格式相同,保證了與計算機的兼容性。在12種SDTV格式中,有9種采用逐行掃描,保留3種為隔行掃描方式以適應現有的視頻系統。我們國家可能采用的標準有:(1)SDTV標準576×7204:3(2)SDTV標準576×102416:9(3)SDTV標準540×7204:3(4)SDTV標準540×96016:9(5)HDTV標準1080×192016:9另外,還有三種信號傳輸標準格式值得一提:(1)傳輸方案的確定ATSC數字電視標準由四個分離的層級組成,層級之間有清晰的界面。最高為圖像層,確定圖像的形式,包括像素陣列、幅型比和幀頻。接著是圖像壓縮層,采用MPEG-2壓縮標準。再下來是系統復用層,特定的數據被納入不同的壓縮包中,采用MPEG-2壓縮標準。最后是傳輸層,確定數據傳輸的調制和信道編碼方案。對于地面廣播系統,采用Zenith公司開發的8-VSB傳輸模式,在6MHz地面廣播頻道上可實現19.3Mb/s的傳輸速率。該標準也包含適合有線電視系統高數據率的16-VSB傳輸模式,可在6MHz有線電視信道中實現38.6Mb/s的傳輸速率。(2)dvb-msets標準DVB傳輸系統涉及衛星、有線電視、地面、SMATV、MMDS等所有傳輸媒體。它們對應的DVB標準為:DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC。DVB-S(ETS300421)為數字衛星廣播系統標準。衛星傳輸具有覆蓋面廣、節目容量大等特點。數據流的調制采用四相相移鍵控調制(QPSK)方式,工作頻率為11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式時,用戶端若達到CCIR601演播室質量,碼率為9Mb/s;達到PAL質量,碼率為5Mb/s。一個54MHz轉發器傳送速率可達68Mb/s,可用于多套節目的復用。DVB-S標準幾乎為所有的衛星廣播數字電視系統所采用。我國也選用了DVB-S標準。DVB-C(ETS300429)為數字有線電視廣播系統標準。它具有16、32、64QAM(正交調幅)三種調制方式,工作頻率在10GHz以下。采用64QAM時,一個PAL通道的傳送碼率為41.34Mb/s,可用于多套節目的復用。系統前端可從衛星和地面發射獲得信號,在終端需要電纜機頂盒。DVB-T(ETS300744)為數字地面電視廣播系統標準。這是最復雜的DVB傳輸系統。地面數字電視發射的傳輸容量,理論上與有線電視系統相當,本地區覆蓋好。采用編碼正交頻分復用(COFDM)調制方式,在8MHz帶寬內能傳送4套電視節目,傳輸質量高;但其接收費用高。DVB-SMATV(ETS300473)為數字衛星共用天線電視(SMATV)廣播系統標準。它是在DVB-S和DVB-C基礎上制定的。DVB-MS(ETS300748)為高于10GHz的數字廣播MMDS分配系統標準。它基于DVB-S,使攜帶大量節目的微波信號直接入戶。用DVB-S接收機配上一個MMDS頻率變換器,就可接收DVB-MS信號。DVB-MC(ETS300749)為低于10GHz的數字廣播MMDS分配系統標準。它基于DVB-C,使攜帶大量節目的微波信號直接入戶。用DVB-C接收機配上一個MMDS頻率變換器,就可接收DVB-MC信號。(3)可選擇的傳輸方案ISDB是新型的多媒體廣播業務,它系統地綜合了各項數字內容,每一項內容可以包括從LDTV到HDTV的多節目視頻、多節目音頻、圖形、文本等。如今大部分的數字內容均被編碼到MPEG-2傳輸流格式并被廣泛傳輸。由于ISDB包含了不同的業務,其傳輸系統必然要涵蓋各種業務不