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  • 音频信号的数字化及压缩编码

    千次阅读 2017-03-12 23:14:49
    音频信号的数字化 电视广播离不开声音信号,随着人们对电视质量的要求越来越高,在数字电视广播、高清晰数字电视和数字电影中不仅应有高质量的图像,还要保证有高质量的伴音。 我们行业标准GY/T 156-2000《演播室...

    一.音频信号的数字化

    电视广播离不开声音信号,随着人们对电视质量的要求越来越高,在数字电视广播、高清晰数字电视和数字电影中不仅应有高质量的图像,还要保证有高质量的伴音。

    我们行业标准GY/T 156-2000《演播室数字音频参数》中对音频信号的取样频率、量化比特数和声道数等作出了规定。

    1.取样频率:演播室数字音频参数标准规定,音频信号的取样频率优选为48kHz,也可以选用32kHz或44.1kHz。

    2.量化比特数:演播室数字音频编码方式优选PCM20bit线性量化,也可以选用16bit、18bit以及24bit的线性量化。

    3.编码方式:为了减小误码对信号幅度的影响,在数字音频编码中通常不采用自然二进制码或偏置二进制码,而是采用2的补码,这样可以防止产生不希望的噪音。

    另外标准中还对4轨声音记录格式和8轨声音记录格式作出了规定。

     

    二. 数字音频信号的压缩过程

    音频信号数字化之后所面临的问题是巨大的数据量如何进行有效地传输和存储的问题,在数字演播室中,无压缩的有效码率高达1.92Mb/s,而在CD和广播该项数值分别为1.41 Mb/s和1 Mb/s,因此为了提高传输效率,降低存储费用,就必须对数字音频信号进行压缩编码。

     

    1.数字音频信号的压缩机理

        1.去除声音信号中的冗余部分

           声音信号中的冗余部分包括时域信息冗余和频域信息冗余。

           a.其中时域信息冗余主要表现在:1.幅度非均匀分布,即不同幅度的样值出现的概率不同,小幅度的样值比大幅               度的样值出现的概率高;2.样本之间的相关性;3.基音之间的相关性。

           b.频率信息冗余主要表现在:1.非均匀功率谱密度,低频成分能量较高,高频成分能量较低;2.语音特有的短时             功率谱密度,在某些频率出现峰值,而某些频率出现谷值。

         2.利用人耳的听觉特性

            a.人耳对各频率的灵敏度是不同的,即在不同的频率,人耳会表现出不同的敏感度。因此可以将输入信号与最小            听觉阈值相比较,去除那些低于阈值的信号,这样就可以压缩数据。

            b.频率之间的掩蔽效应,这是指人耳接受信号时,不同频率之间的相互干扰。例如当高电平的频率点信号和低电            平的不同频率点信号同时出现时,电平较低的频率点的声音将听不到。这样可以将低于掩蔽阈值的信号不编                码,高于掩蔽阈值的信号将重新分配量化比特值。

            c.时域掩蔽效应,这是指在一个强信号之前或之后的弱信号也会被屏蔽掉。

               利用人耳的感觉特性对数据流进行压缩,是既能得到较高的压缩比又能保证音质的重要原因。


    2.音频压缩编码质量评价指标

    通常用以下属性来衡量数字音频信号的编码质量:

    1.比特率;2.主观/客观的语音质量;3.计算复杂度;4.延迟量;5.对于通道误码的灵敏度


    3.常见的数字音频压缩标准

    随着数字电视技术和多媒体通信技术的广泛应用,数字音频压缩编码技术在近20年也得到了快速的发展。典型的编码标准有:MPEG-1、MPEG-2 Audio、MPEG-2 AAC、MPEG-4 Audio和Dolby AC-3音频编码标准等。


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  • 数字压缩编码

    千次阅读 2007-04-21 14:15:00
    数字信号有很多优点,但当模拟信号数字化后其频带大大加宽,一路6MHz的普通电视信号数字化后,其数码率将高达167Mbps,对储存器容量要求很大,占有的带宽将达80MHz左右,这 样将使数字信号失去实用价值。数字压缩...
    数字信号有很多优点,但当模拟信号数字化后其频带大大加宽,一路6MHz的普通电视信号数字化后,其数码率将高达167Mbps,对储存器容量要求很大,占有的带宽将达80MHz左右,这 样将使数字信号失去实用价值。数字压缩技术很好地解决了上述困难,压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带。因此说,数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之一,表4-1列出了各种应用的码率。
     
    表4-1 各种应用的码率
    应用种类 比特数/象素 象素数/行 行数/帧 帧数/秒 亮色比 比特/秒(压缩前) 比特/秒(压缩后)
    HDTV 8 1920 1080 30 4:1:1 1.18Gbps 20~25Mbps
    普通电视CCIR601 8 720 480 30 4:1:1 167Mbps 4~8Mbps
    会议电视CIF 8 352 288 30 4:1:1 36.5Mbps 1.5~2Mbps
    桌上电视QCF 8 176 144 30 4:1:1 9.1Mbps 128kbps
    电视电话 8 128 112 30 4:1:1 5.2Mbps 56kbps

    有线电视网中数字压缩技术主要包括用于会议电视系统的H.261压缩编码, 用于计算机静止图像压缩的JPEG和用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术。

    2 图像压缩编码的可能性

     从信息论观点来看,图像作为一个信源,描述信源的数据 是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余量有许多种,如空间冗余,时间冗余,结构冗余,知识冗余,视觉冗余等,数据压缩实质上是减少这些冗余量。可见冗余量减少可以减少数据量而不减少信源的信息量。从数学上讲,图像可以看作一个多维函数,压缩描述这个 函数的数据量实质是减少其相关性。另外在一些情况下,允许图像有一定的失真,而并不妨碍图像的实际应用,那么数据量压缩的可能性就更大了。

    3 图像压缩编码方法的分类

     编码压缩方法有许多种,从不同的角度出发有不同的分类方法,比如从信息论角度出发可分 为两大类:
     (1)冗余度压缩方法,也称无损压缩,信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码图像和压缩 编码前的图像严格相同,没有失真,从数学上讲是一种可逆运算。
     (2)信息量压缩方法,也称有损压缩,失真度编码或熵压缩编码。也就是讲解码图像和原始图像是有差别的,允许有一定的失真。
     应用在多媒体中的图像压缩编码方法,从压缩编码算法原理上可以分类为:
     (1)无损压缩编码种类
    ·哈夫曼编码
     ·算术编码
     ·行程编码
     ·Lempel zev编码
     (2)有损压缩编码种类
     ·预测编码:DPCM,运动补偿
     ·频率域方法:正文变换编码(如DCT),子带编码
     ·空间域方法:统计分块编码
     ·模型方法:分形编码,模型基编码
     ·基于重要性:滤波,子采样,比特分配,矢量量化
     (3)混合编码
     ·JBIG,H261,JPEG,MPEG等技术标准
     衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是:
     (1)压缩比要高,有几倍、几十倍,也有几百乃至几千倍;
     (2)压缩与解压缩要快,算法要简单,硬件实现容易;
     (3)解压缩的图像质量要好。
     最后要说明的是选用编码方法时一定要考虑图像信源本身的统计特征;多媒体系统(硬件和 软件产品)的适应能力;应用环境以及技术标准。

    4 压缩编码方法简介

       压缩编码的方法有几十种之多,并在编码过程中涉及较深的的数学里理论基础问题,在此仅介绍 几种常用的压缩编码方法,主要是从物理意义上作一定的解释,读者如对数据压缩专题感兴 趣的话,请参看讲座结束后所附的参考资料。
    4.1 莫尔斯码与信源编码
     莫尔斯码即电报码,其精华之处在于用短码来表示常出现的英文字母,用长码来表示不常出 现的字母,以减小码率。这种方法非常有效,故延用至今。电视信号经过变换后,例如经差值脉冲编码后,发现前后像素幅度差值小的概率大,而差值大的概率小,因此可用短码表示 概率大的信号,而用长码来代表概率小的信号,从而达到压缩码率的目的。
    4.2 差值脉冲编码
     电视图像基本上是由面积较大的像块(如蓝天、大地、服装等)组成。虽然每个像块的幅值各 不相同,但像块内各样值的幅度是相近的或相同的,幅值跃变部分相应于像块的轮廓,只占整幅图像的很小一部分。帧间相同的概率就更大了,静止图像相邻帧间的相应位置的像素完 全一样,这意味着前后像素之差或前后帧间相应位置像素之差为零或差值小的概率大,差值 大的概率小。这就是差值编码的基本想法,其原理框图见图4-1(a)。发端将当前样值和前一 样值相减所得差值经量化后进行传输,收端将收到的差值与前一个样值相加得到当前样值。 在这个原理图中,输出的当前样值是输出的前一样值加上收到的差值,由于在当前差值中包 括当前的量化误差,而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差,这就造成了量化误差的 积累。因此实用电路为图4-1(b)。这时输入当前样值不是与输入的前一样值相减,而是与 输 出的前一样值相减,因此在差值中已经包含了前一样值的量化误差的负值,在与输出的前一 个样值相加时,这部分量化误差被抵消,只剩下当前的量化误差,这就避免了量化误差的积 累。
     

     SC表示有一个字符串在此位置,X代表构成串的字符,CC代表串的长度。
     游程编码和哈夫曼编码等属于统计编码。 
    4.8 霍夫曼编码
        霍夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。 Huffman于1952年提出一种编码方法,该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长 度最短的码字,有时称之为最佳编码,一般就叫作Huffman编码。下面引证一个定理,该定 理保证了按字符出现概率分配码长,可使平均码长最短。
     定理:在变字长编码中,如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列,则其平 均码字长度为最小。
     现在通过一个实例来说明上述定理的实现过程。设将信源符号按出现的概率大小顺序排列为 : 


    4.3 预测编码
     预测编码利用像素的相关性,可进一步减小差值。
     从前面的分析可以看出,如果差值编码中小幅度出现的机会增加,由于其对应的码长较短, 总数码率会进一步减小。如果能猜出下一个样值,那么差值就会是零,当然这种情况是没有 意义的,因为若预先知道下一样值,就不需要进行通信了。但可以肯定,如果我们不仅利用 前后样值的相关性,同时也利用其它行、其它帧的像素的相关性,用更接近当前样值的预测 值与当前样值相减,小幅度差值就会增加,总数码率就会减小,这就是预测编码的方法。预 测编码的电路与差值编码类似,或者说差值编码就是以前一样值为预测值的预测编码,又称为一维预测。如果用到以前行的像素或以前帧的像素,则称为二维或三维预测。在美国国际 电话电报公司(ITT)生产的数字电视机芯片中有一个视频存储控制器芯片VMC2260就用了二维 预测编码,预测器用了三个像素作为下一个像素的预测值,即预测值等于1/2前一像素加1/4 上一行相应像素再加上1/4上一行相应的前一像素。这样不仅利用了前一像素的相关性,也 利用了上一行相应像素的相关性,这样做要比差值编码有更大的码率压缩。如果再用上前一 帧的像素会进一步降低数码率。但为了得到前一帧的像素必须要使用帧存储器,造价比较高 。只用到帧内像素的处理称为帧编码(Intraframe Coding),用到前后帧像素的处理称为帧 间编码(Interframe Coding)。要得到较大的码率压缩就必须使用帧间编码。JPEG是典型的帧内编码方案,而MPEG是帧间编码方法。前者大多用于静止图像处理,而后者主要用于对运 动图像的处理。 
    4.4 哈达玛特变换
     这是一种有效地去除噪波的方法,噪波的存在往往容易和小幅度变化的信号相混淆,利用多帧平均的方法,对于静止图像,各帧相同,平均的结果其值不变,对于噪波,多帧平均趋于零。
     但如果图像中有运动,多帧平均就会造成运动模糊,故不能简单地进行平均,需要根据运动的大小来调节反馈量,即调节平均的程度,做到运动自适应降噪。
     大多数情况下是利用帧差信号来判断图像中是否有运动,如果帧差小于一定值,就可视为是因噪波引起的,可取较大的反馈量;如果帧差大于一定值,就可视为图像中有运动。
     但在许多情况下,仅从幅度的大小来判断是杂波还是图像是很困难的,如移动的云,近摄的 绿草地等图像信号所得到帧差信号也很小,所以BKU-904采用二维哈达玛特变换(Hadamard Transform)来区分是噪波还是图像信号。先将输入值按4×2分成小块,分别进行实时快速哈 达玛特变换(FHT)。
     图像经变换后,转换成相应成分的系数,这些系数分别代表直流分量;水平方向细节和色度 分量等;垂直方向细节;斜方向细节及色度分量等,而噪波变换后均匀散在各系数中。这样 就更有效地区分出信号和噪波,从而达到更有效地进行自适应降噪的目的。 
    4.5 离散余弦变换
       离散余弦变换(Discrete cosine Transform)简称DCT。任何连续的实对称函数的傅里叶变换 中只含余弦项,因此余弦变换与傅里叶变换一样有明确 的物理量意义。DCT是先将整体图像分成N×N像素块,然后对N×N像素块逐一进行DCT变换。 由于 大多数图像的高频分量较小,相应于图像高频成分的系数经常为零,加上人眼对高频成分的 失真不太敏感,所以可用更粗的量化,因此传送变换系数所用的数码率要大大小于传送图像 像素所用的数码率。到达接收端后再通过反离散余弦变换回到样值,虽然会有一定的失真 ,但人眼是可以接受的。
     N代表像素数,一般N=8,8×8的二维数据块经DCT后变成8×8个变换系数,这些系数都 有 明确的物理意义:U代表水平像素号,V代表垂直像素号。如当U=0,V=0时,F(0,0)是原 64个 样值的平均,相当于直流分量,随着U、V值增加,相应系数分别代表逐步增加的水平空间频 率分量和垂直空间频率分量的大小。
    4.6 量化(Q)
     严格说DCT本身并不能进行码率压缩,因为64个样值仍然得到64个系数,如图4-2所示。这 里 给出了一个8×8像块的具体例子,经DCT变换后,比特数增加了。在这个例子中样值是8比特 ,从0~225得到的即直流分量的最大值是原来256的64/8倍,即0~2047,交流分 量的范围是-1024~1023。只是在经过量化后,特别是按人眼的生理特征对低频分量和高频分 量设置不同的量化,会使大多数高频分量的系数变为零。一般说来,人眼对低频分量比较敏 感,而对高频分量不太敏感。因此对低频分量采用较细的量化,而对高频分量采用较粗的量 化。
     


     所谓量化,即根据不同的要求,设置不同的量化等级,从而降低数码率。
    4.7 游程长度编码
       
    读出数据和表示数据的方式也是减少码率的一个重要因素。读出的方式可以有多种选择 ,如 水平逐行读出、垂直逐列读出、之字型读出和交替读出等,其中之字型读出(Zig-Zag) 是最常用的一种。由于经DCT变换以后,系数大多数集中在左上角,即低频分量区,因此之 字型读出实际上是按二维频率的高低顺序读出系数的,这样一来就为游程长度编码(Runleng th Encoding)创造了条件。所谓游程长度编码是指一个码可同时表示码的值和前面几个零, 这样就可以把之字型读出的优点显示出来了。因为之字型读出在大多数情况下出现连零的机 会比较多,尤其在最后,如果都是零,在读到最后一个数后只要给出“块结束”(EOB)码, 就可以结束输出,因此节省了很多码率。
     游程长度指的是由字构成的数据流中各个字符连续重复出现而形成字符串的长度。 基本的游程编码就是在数据流中直接用三个字符来给出上述三种信息,其数据结构如图4-3 所示。
     

     

    U: ( a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 )
    0.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.10 0.01

     给概率最小的两个符号a6与a7分别指定为“1”与“0”,然后将它们的概率相加再与原来的 a1~a5组合并重新排序成新的原为:
     

    U′: ( a1 a2 a3 a4 a5 a6 )
    0.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.11


     对a5与a′6分别指定“1”与“0”后,再作概率相加并重新按概率排序得
    U″:(0.26 0.20 0.19 0.18 0.17)…
     直到最后得 U″″:(0.61 0.39)
     分别给以“0”,“1”为止,如图4-4所示。}
     霍夫曼编码的具体方法:先按出现的概率大小排队,把两个最小的概率相加,作为新的概率 和剩余的概率重新排队,再把最小的两个概率相加,再重新排队,直到最后变成1。每次相 加时都将“0”和“1”赋与相加的两个概率,读出时由该符号开始一直走到最后的“1”, 将路线上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好,就是该符号的霍夫曼编码。
     


     例如a7从左至右,由U至U″″,其码字为0000;
     a6按践线将所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好,其码字为0001…
     用霍夫曼编码所得的平均比特率为:Σ码长×出现概率
     上例为: 0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72 bit
     可以算出本例的信源熵为2.61bit,二者已经是很接近了。
    4.9 运动估计的运动补偿编码
       
    这是一种帧间编码的方法,其原理是利用帧间的空间相关性,减小空间冗余度。 帧间编码为什么可以减小冗余度,这是因为两帧之间有很大的相似性。如果将前后两帧相减 (移动物体作相应位移)得到的误差作编码所需比特要比帧内编码所需的比特少,帧间差集中 在零附近,可以用短的码字传送。
     实现帧间编码的方法是运动估计和运动补偿。用图4-5来说明这个过程。
     


    图4-7 运动估计的全局搜索块匹配 实际上,在做运动估计和运动补偿时,是以16×16的块(称宏块)逐个进行的,如图4-6所示 ,这是将当前帧划分为N×N(16×16)的块。对每一块在过去帧中范围为的范围内进行搜索,以求得最优匹配,从而得到运动矢量的估值(dx,dy)。衡量匹配好坏 的准则可以是均方误差最小准则。搜索方法可以是全局搜索法,即对搜索范围内的每一点都 计算均方误差,选最小值即对应最优匹配,如图4-7所示。

    5 JPEG标准

        JPEG是Joint Photographic Experts Group的缩写,主要用于计算机静止图像的压缩,在用 于活动图像时,其算法仅限于帧内,便于编辑。

      采用JPEG标准可以得到不同压缩比的图像,在使图像质量得到保证的情况下,可以从每个像 素24bit减到每个像素1bit甚至更小。

      JPEG标准所根据的算法是基于DCT(离散余弦变换)和可变长编码。系统框图如图4-8所示, 从图中可见,JPEG的关键技术有变换编码、量化、差分编码、运动补偿、霍夫曼编码和游程 编码等。

      图4-8 JPEG系统框图 6 H.261标准 JPEG算法的原理是利用单帧内的空间相关性,减小空间冗余度,这种方式称为帧内编码。我 们知道电视图像(包括各种活动图像)各个连续帧之间也有很大的相关性,称为时间相关性。

      为了进一步提高图像压缩比,要设法减小时间冗余度,这种编码方式称为帧间编码。H.261 是用于会议电视的国际标准,既采用了帧内编码,又采用了帧间编码,因此它的压缩比大致 是JPEG的三倍。 H.261标准用于音象业务的码率是p×64kbps(p=1,2…,30)。用于电视电话时p=1或2,用 于电视会议时p≥6。这种标准具有最小延迟实时对话的能力。

      图4-9是H.261编码器的原理框图。从编码器中看到,它有一个和解码器一样的过程,解出 的图像放在运动补偿 预测器(存储器)中形成过去帧,它的输出和当前帧一起加到“运动估计”,求得的运动矢 量一方面经VLC送到复用器中去,另一方面加到运动补偿预测器中,使之产生估计帧(对当前 帧),它和当前帧相减即求得差值,这个差值经DCT和Q、VLC也送到复用器中去。

     图4-9 H.261编码器的原理框图 在进行帧间编码时,编码器和解码器必须使用相同的预测器,否则两者会脱轨。为了获得重 建图像,被量化以后的系数要用一个反量化器和反余弦变换(IDCT)来处理,为防止编码器和 解码器慢慢漂移分离,必须对误差的平均值加以严格规定,即使如此,仍然要周期地使用帧 内编码,使解码器处于一个已知状态。

      运动补偿单元使帧间差最小,从而减少所需传输码率。搜索窗的大小在水平和垂直方向上都 是±15个采样值。通常只对亮度信号作运动估计,但运动补偿不仅作用于亮度,也作用于色 度(亮度象素位移的一半)。

      图4-10画出了解码器的框图。被压缩的数据送入缓冲器,然后作可变长度解码,解码器余 下的 部分相似于编码器的后端,仅有的区别是不再需要运动估计。运动矢量和其它附带的信息是 直接从可变长解码器的输出得到的。

      在编码器的输出端有缓冲器(Buffer),这是因为编码过程产生的比特率不是 恒定的,它取决于运动序列中各点的图像统计特征。在图像的“简单”部分允许节省一些比 特,而在“复杂”的部分要多花一些比特。对于每一个编码图像,比特的数目也允许变更。 但是在传输网络中的数据的比特率又必须是恒定的,所以在视频编码器的输出端必须有数据 缓冲器来提供平滑的作用。相反的,在解码器要以非恒定的速率来利用接收到的信息,所以 也要包含一个解码器的缓冲器。 图4-10 H.261的解码器框图 在传输中,帧频的长期平均值是CIF的标准值,但是在短的时间间隔内帧频会有一定变化。

    表4-2 CIF和QCIF格式
    格 式 CIF QCIF
    信号分量 行数/帧 象素数/行 行数/帧 象素数/行
    亮度(Y) 288 360(352) 144 180(176)
    色度(Cb) 144 180(176) 72 90(88)
    色度(Cr) 144 180(176) 72 90(88)

    注:CIF和QCIF帧频是每秒30帧。
       
     


     当前帧在过去帧的窗口中寻找匹配部分,从中找到运动矢量;
     根据运动矢量,将过去帧位移,求得对当前帧的估计;
     将这个估计和当前帧相减,求得估计的误差值;
     将运动矢量和估计的误差值送到接收端去。
     接收端根据收到的运动矢量将过去帧作位移(也就是对当前帧的估计),再加上接收到的误差 值,就是当前帧了。
     

        

    H.261的一幅图像是由块(Block)组成宏块(Macroblock),宏块组成图像组(GO B),图像组组 成图像,如图4-11所示。 两种格式的码率为:CIF:15~2Mbps QCIF:128kbps 7 MPEG- 1和MPEG-2标准 MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是“运动图像专家组”。这个专家组的任务 是为了对数字存储媒质、电视广播、通信等方面的运动图像和伴音给出一种通用的编码 方法 。符合这种编码方法的运 MPEG用句法规定了一个层次性的结构,共分六层。这六层是图像序列(Video Sequence)-图像组(Group of Picture)-图像(Picture)-宏块条(Silce)- 宏块(Macroblock )-块(Block)。 一个图像包含亮度阵列和色度阵列。在MPEG- 1中亮度和色度的格式是4∶2∶0,而在MPEG-2 中,除这一格式外,还允许有4∶2∶2及4∶4∶4。
     六个层次有其不同的功能,如表4-3所示。

     

    表4-3 MPEG-1/-2规定的层次功能
    语法规定的层次 功 能 语法规定的层次 功 能
    序列层(Sequence layer) 随机存取段落 宏块条层(Slice layer) 重新同步单元
    图像组层(Group of picture layer) 随机存取视频单元 宏块层(Macroblock layer) 运动补偿单元
    图像层(Picture layer) 基本编码单元 块层(Block layer) DCT单元

    所谓4∶2∶0是指在垂直方向每隔一行去除一行色度信号。

    7.2 MPEG-1和MPEG-2中三种类型图像
    MPEG在利用块匹配运动补偿来减小时间冗余度时,不仅用上一帧的图像预测当前图像, 而且也使用下一帧图像预测当前图像,即双向预测,这是和H.261标准有重要区别的地方。 因此 ,MPEG-1和2中有三种类型图像,即I、B、P三种,如图4-12所示。
     


       I帧是帧内编码,P帧是正向预测,如图4-13所示,通过正向预测得到的图。B帧是双向预测图 ,如图4-14所示。由于B帧不能作其他图像的基准,所以对B帧编码校粗(步长较大),需要比特数比预测图P少。
     


    7.3 MPEG- 1的视频压缩编码
    MPEG-1中视频编码的关键压缩技术和H.261一样,仍是DCT、运动补偿和Huffman编码。编码 器和解码器的原理框图也和H.261没有区别。
     MPEG-1的信源输入格式是SIF(Source Input Format)。CCIR601格式的信源要转换成SIF后进 入MPEG- 1编码器,解码器输出也是SIF格式,显示时要经内插,扩充为CCIR601格式。PAL/NT SC都作如此处理。SIF格式如表4-4所示。

     

    表4-4 SIF(525/625)格式
    信号分量 行数/帧 象素数/行
    亮度(Y) 240/288 352
    色度(Cb) 120/144 176
    色度(Cr) 120/144 176


    图4-15所示为MPEG-1视频编码器。图中和H.261不同的部分是有二组运动补偿和存储器, 并有相应的转换开关。这是因为MPEG- 1有B图像要处理。开关有4种状态,‘0’是针对帧内 编码,“2”或“3”是用上一帧图像(经S2的虚线a/c)或用下一帧图像(经S2的实线 d/b) ,“4”是用了上一帧和下一帧两幅图像(经S2的实线b和实线c),这时候要相应产生2 个运 动矢量。
     


    7.4 MPEG- 2视频压缩编码
     研究制定MPEG标准是为了使应用于数字存储媒体、电视广播、通信等方面的运动图像和 伴音 有一种通用的编码方法。使用这个标准意味着运动图像可以作为一种计算机数据来处理 ,并且能够存储在各种各样的存储器中,也可以在现有的或未来的网络中传送和接收,还可以在现在的或将来的广播信道中广播。
     这个标准的应用很广泛,覆盖了从电视电话到高清晰度电视。
     (1)划分为不同的“Profile”和“Level”(“类”和“级”)。由于想使这个标准适用于各种不同的应用,而各种应用在码率、分辨力、图像质量和服务方面要求又各不相同,所以希望这个标准要有通用性。在这个标准产生的过程中,考虑了各种应用的不同要求,开发了必要的算法,并且把它们集中成为一种单一的句法。正因为如此,这个标准使得各种不同应用 的码 流之间可以灵活地相互改变。
     既要使句法有通用性,又不能要求具体的解码器全面满足整个句法的需要,那样具体的解码器就太复杂了。为了解决通用性和特殊性的矛盾,设想将整个ISO/IEC的句法分成子集,这样分的子集就称为Profile,我们称之为“类”。这个“类”规定的子集还觉得太大,有必要再分得细一些。例如图像的尽寸有小的,有大的,大的可大到,实际上不会有一个解码器能够处理这么大的动态范围的图像,因此,在Profile中又规定了“level”,称为级。
     ISO/IEC13818-2(即MPEG-2视频)规定了5个类和4个级如表4-5所示。
     

    表4-5 MPEG- 2的Profile和Level
    类级 Simple Profile Main

    Profile

    SNR

    Scalable

    Profile

    Spstially

    Scalable

    Profile

    High

    Profile

    High Level      
    High-1440 Level    
    Main Level  
    Low Level  

    注:Main Profile(主类):图像质量合乎一定要求,允许有一定损伤,不具有可分级性;
     Simple Profile (简化类):如Main Profile相同,只是不用B帧,这是为了节约RAM;
     SNR Scalable Profile(信噪比可选类):比Main Profile改进之处是信噪比可分级;
     Spatially Scalable Profile(空间尺寸可选类):空间分辨率方面也可分级;
     HIgh Profile(高质量类):支持4∶2∶2并全面可分级(宏块的组成是:4个Y块+2个Cb块 +2个Cr块);
     Low Level(低级):类似H.261中的CIF格式;
     Wain Level(主级):相应于普通电视;
     High 1440 Level(高1440级):大致相当于具有每行1440个采样的HDTV;
     High Level(高级):大致相当于每行1920个采样的HDTV。
     MPEG-2格式经常用级和类的缩写表示,如:MP@ML是指主类和主级,目前用于普通数字电视 、卫星、电缆、广播的DVB标准就是用这一格式。
     (2)MPEG-2的编解码器和MPEG-1的异同。
     ①MPEG-1只处理逐行扫描的电视图像而MPEG-2既处理逐行扫描也处理隔行扫描,因此编码器中要有场/帧决策的功能;
     ②DCT有二种: 帧DCT或场DCT;
     ③运动估计有四种:场预测、帧预测、双场预测和16×8的运动补偿;
     ④压缩编码方式均采用运动检测补偿、DCT、量化、霍夫曼编码、游程编码和VLC等。
    7.5 MPEG-2系统

     MPEG-2系统的作用如图4-16所示。它有以下几个任务:
     (1)对音频、视频、数据、控制等基本比特流起系统复用的作用。
     (2)提供用于恢复时间基准的时间标志,缓冲器初始化和管理,音频和视频的解码时间,显示时间。
     (3)给解码器提供一种信息(PSI),使之更容易和更迅速地找到所需节目。
     (4)给误差恢复,有条件接入,随机接入,数字存储控制提供支持。
     视频或音频编码器的输出被打成PES(Packetised Elementary Streanis),然后在PS复用器中被组合成PS(Program Stream)或在TS复用器中被组成成TS(Transport Strea m),前者用于相对无误差的环境,后者用于有噪声媒质。

     
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  • 声音信号的数字化

    万次阅读 2018-02-22 15:24:02
    声音的数字化需要经历三个阶段:采样,量化,编码 采样 采样是把时间上连续的模拟信号在时间轴上离散化的过程。这里有采样频率和采样周期的概念,采样周期即相邻两个采样点的时间间隔,采样频率是采样周期的倒数,...

    声音信号的数字化

    声音是一种模拟信号,想要用于计算机,就必须将模拟信号转化为数字信号,这样,我们就能在计算机上储存声音了,等待用户需要播放的时候,再将数字信号转化为模拟信号。

    声音的数字化需要经历三个阶段:采样,量化,编码

    采样
    采样是把时间上连续的模拟信号在时间轴上离散化的过程。这里有采样频率和采样周期的概念,采样周期即相邻两个采样点的时间间隔,采样频率是采样周期的倒数,理论上来说采样频率越高,声音的还原度就越高,声音就越真实。为了不失真,采样频率需要大于声音最高频率的两倍。

    量化
    量化的主要工作就是将幅度上连续取值的每一个样本转换为离散值表示。其量化过后的样本是用二进制表示的,此时可以理解为已经完成了模拟信号到二进制的转换。量化中又个概念叫精度,指的是每个样本占的二进制位数,反过来,二进制的位数反映了度量声音波形幅度的精度。精度越大,声音的质量就越好。通常的精度有8bit,16bit,32bit等,当然质量越好,需要的储存空间就越大。

    编码
    编码是整个声音数字化的最后一步,其实声音模拟信号经过采样,量化之后已经变为了数字形式,但是为了方便计算机的储存和处理,我们需要对它进行编码,以减少数据量。

    通过采样频率和精度可以计算声音的数据传输率:

    数据传输率(bps)= 采样频率 * 精度 * 声道数

    单声道一次可以产生一组声音波形数据,双声道一次可以产生两组波形数据。

    有了数据传输率我们就可以计算声音信号的数据量

    数据量(byte)= 数据传输率 * 持续时间 / 8

    例题:

    CD唱片上所存储的立体声高保真音乐的采样频率为44.1kHZ,量化精度为16位,双声道,计算一小时的数据量:
    根据公式:
    ​ 44.1kHZ * 16bit * 2 * 3600s /8 =6350400B ≈ 605.6MB

    看看这个数字,是非常大的了,所以,在编码的时候常常使用压缩的方式来减少储存空调提高传输效率

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  • 材料编码是基础中的基础

    #概述#
    为什么用编码标识材料
    工程涉及的材料类别繁杂,数量众多,每种材料具有特定的性质,包括类别、制造工艺及标准、尺寸标准和材质等。如果不对材料进行编码仅靠材料描述来识别材料,会存在很多缺点:

    1. 不方便统计和采购;由于工程师工作习惯的差别,对相同的材料可能写法不同,容易造成材料描述的二义性;
    2. 没有通用性;文字描述所依照的标准大部分是行业标准,材料的一种描述如果换到另一个领域有可能不被认可。导致材料不能被正确识别;
    3. 无法实现数据集成;文字描述从信息化角度来说无法作为关键字。

    材料编码体系是物料管理系统的基础和核心
    如果要建立物料管理系统,首先应该建立材料编码体系。材料编码最主要的作用是解决计算机识别材料的问题,计算机系统只有先识别出材料是什么,才能进行后面的动作,比如检索、批处理或者计算等。那么编码对于人来说有什么意义?意义当然有,我们可以用于检索,但更重要的,我们只需要知道一件事就够了:一个规格的材料只能有一个编码,一个编码只能表示一种规格的材料,我们称之为材料编码标识材料的唯一性

    材料编码特性
    为了有效的进行材料管理,每种类型的材料都必须有其特定的标识定义,以实现如下的特性。

    1. 方便利用特定的标识来识别材料而不会与其它材料弄混;
    2. 方便在计算机系统中存储;
    3. 此外材料编码还应该符合工程实践中的一些基本规律。

    #PRM材料编码体系#
    我们用PRM编码系统作为案例来学习材料编码系统的原理。PRM的编码系统设计十分巧妙,直到今天我依然认为PRM的编码实现方式是一种优秀的方案。PRM编码定义了两层结构:物资编码和采购编码。由短语列表和路由表一起组成物资编码规则的物理结构,通过路由表控制短语列表的游走顺序,并生成材料的物资编码,再生成采购编码。这种编码规则十分灵活,可以很方便的进行扩展。

    #关键词#
    提前声明几个概念

    Name Academy score
    短语列表 Phrase List 由短语代码和短语描述等字段组成,短语代码对应物资编码的某一位代码,短语描述是这个代码所表示的材料描述
    短语路由表 Route 记录短语列表的路由顺序,生成物资编码的时候,系统根据路由表来判断短语列表的跳转方向
    物资编码 Commodity Code 定义材料的属性,包括材料的类别、材质、尺寸标准、制造工艺、连接形式、压力磅级等信息。通过选择短语列表生成
    采购编码 Part No 由物资编码+尺寸描述,得到带口径的材料描述,表示一个真实材料元件实体,采购编码是材料唯一的标识名称

    #材料编码设计#
    ##物资编码##
    我们以管道大宗散材类型的材料作为示例,将材料的属性分解成多个字段,例如元件的名称、连接形式、材质标准及牌号、尺寸标准、压力磅级和制造工艺等等,每一个字段用一位字母来标识,由这些字母形成的编码,我们称之为物资编码,其结构如图1所示。
    这里写图片描述

    图1 物资编码结构图
    ##采购编码## 物资编码并不包含材料的口径,它指的是一类属性相同的材料,物资编码可以用来为材料选型,但采购的时候必须要给出材料的口径,我们用口径+物资编码的组合定义一个新的编码,这个编码我们称为**采购编码**(Part Number)。如图2所示。 ![这里写图片描述](https://img-blog.csdn.net/20171020215754734?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQveGlhbmdjbnM=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)
    图2采购编码示例图

    ##物资编码设计原则##
    在定义材料编码规则的时候我们会遇到一些实际问题,例如:如何确定哪些属性应该作为一个代码字段,哪些材料的属性应该分项描述等问题。这些都是影响编码规则制定工作的因素。

    以100mm STD Flange WN CL300 RF A105 Dims to ASME16.5为例,用逗号分隔开所有的属性为:100mm STD, Flange, WN ,CL300 ,RF ,A105 ,Dims to ASME16.5一共7个字段,如果任何一个字段缺失都会造成材料属性的不确定性,那么我们就应该确定这个字段是必选项。

    那么是否每个字段都只能表达一个属性意思呢,我们注意到100mm STD实际上就是材料的连接尺寸信息,那么100mm STD可以合并作为一个最小原子,只需要一个字母即可了,当然从实际情况出发,尺寸属性的规格很多,一个字母是很难满足需要的。

    A105是材质牌号,我们可以视他为不受外观尺寸影响的属性,同时材质也是工程师经常用于筛选条件的属性,所以把材质作为一个单独的属性是比较合适的。

    剩下的Flange, WN ,CL300 ,RF ,Dims to ASME16.5 主要描述的材料的外观尺寸,如何划分字段就可以根据实际情况处理,PDMS软件中将这串描述直接作为一个字段管理也是一种可取的方案,每个外观尺寸描述对应一个CATREF代码,这个代码则可以作为整个物资编码的一部分。如果你不考虑PDMS的数据结构,这个字段你也可以分项存储,每个字段给出相应的选项定义即可。

    综上,(管道大宗散材)材料编码所需要的核心字段类型最少需要三个:连接尺寸、外观尺寸、材质。

    ##物资编码中会引起混乱的字段##
    例如管子或者对焊管件是否是平口还是坡口,这个属性是否有必要单独列出,我在现场观察的情况是:因为现场的实际情况是,管子不论是平口还是坡口,在焊接预制时一般都会打成坡口,这样一来描述管子是平口还是坡口的价值就降低了,还会产生不期望的现象:

    1. 本来就是一种管子,因为标识了平口和坡口两种编码,成为了两种管子他们之间实际可以混用,但是因为不同的编码,导致识别和确认这个事情的成本变高,原本通过编码,只要是认字的人就可以识别,现在变成了只能由具备化工知识的专业材控工程师才能识别。
    2. 两种不同的管子打完坡口可能从外观上分别不出来了,没有丰富经验的工程师是不能判断出应该用哪一种管子的,说明这个编码有时并不能帮助我们分辨材料的规格。

    ##物资编码不需要的字段##
    不需要的字段往往出现在对材料备注或者补充性描述上,例如100%探伤,等,这种描述不属于材料的属性,而是对材料的一种处置方法或者可以理解为制造工艺,因此这种性质的字段是不应该出现在材料编码中的,不然的话就又会变成引起混乱的字段,同样的材料,因为一个要探伤,一个不探伤,就出现了两种材料编码;两种材料在现场施工过程中又是完全一样的材料,增加了施工阶段人员辨识材料的成本。
    ##采购编码的含义##
    物资编码是有逻辑含义的编码,每一位字母都代表特定的属性含义,而我们最终使用的材料编码则是通过采购编码前缀(两个能代表专业大类的字符)加数字流水号的组合而成。流水码比带有逻辑含义的代码更加简单,同时不会影响代码的唯一性,人不需要去记忆流水码的含义,而代码只要实现了唯一性,就不影响机器的自动识别。

    ##材料编码数据结构模型##
    MCAT_PART是描述材料编码的实体,他与材料的尺寸和采购包分组相关联。
    MCAT_PHRASE_TO_LIST_ROUTES(简称Route表)
    MCAT_LISTS(简称List表)
    MCAT_LST_INTERSECTS(简称Condition表)

    这几个实体描述材料编码的编码规则,其中MCAT_PHRASES记录每一个短语列表的短语代码和短语描述中Route表记录短语列表的路由顺序,它决定了编码规则的代码序列,用于规定编码的每一位的含义,,Condition表记录了编码规则中的条件约束,给材料编码规则提供了一个灵活的组合策略,可以控制短语列表的路由顺序,List表记录短语描述格式模板,短语列表最终是根据格式模板组合成一个完整的材料元件描述,这个描述就是MCAT_COMMODITY实体中的Description。

    ##材料编码问答机制模型##
    当用户开始执行编码选择的时候,首先向系统发送一个起始消息Start,在第一个Phrase List中选择了一个CODE,返回ID、CODE属性值和TEXT属性值。用ID作为条件参数向Route表询问路径,得到下一个Phrase List的ID值,通过对Phrase List数据表检索将指针指向下一个Phrase List表,到此完成了一个问答步骤。此时判断问答的循环是否结束,若没有结束则进行下一次问答步骤。当选择到ID为899的Phrase List时,他在Route表中记录的NEXT结点位置为结束标记(END),此时问答循环结束,退出编码选型操作,同时将物资编码和材料描述作为参数返回给用户:物资编码:ACCACAASB,材料描述:PIPE SMLS BE CS 20# GB/T8163。整个问答过程如图3所示。
    这里写图片描述

    图3编码的问答过程示意图
    ##生成材料编码的工作流程模型 ## 根据生成材料编码的工作流程,我们可以总结出该操作的工作流程图。在实际工作中,不是每一个物资编码都需要生成采购编码,物资编码生成之后需要业务人员校核。在生成采购编码之前,需要为物资编码指定尺寸范围,生成采购编码的工作流程图如图4所示。

    这里写图片描述

    图4生成材料编码工作流程图

    #总结#
    通过短语列表Phrase List来记录所有的编码描述,最大限度的简化了对编码表的查询操作,避免了针对不同材料要访问不同数据表的情况发生,特别是在进行批处理操作时,效率有很大提升。通过路由表Route记录材料编码规则的应答顺序,材料元件根据这个顺序,生成属性描述。采用跳转表可以保证route结构的灵活性,方便地实现编码规则路径的变更。改变链表结构的同时,可以保留原来的结点,因此原来存在的编码都不会受到影响,Phrase list结构可以任意的扩展,只需要将新增加的Phrase list code加入到路由表中即可。

    根据这套思路,就可以自主开发材料编码系统了,这套设计扩展性非常好,不同专业的材料,字段的顺序,结构,内容都可以不一样,物资编码可长可短,采购编码结构统一简洁,适合在单据填写和材料上标识、喷涂。
    法兰

    大小头

    弯头

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空空如也

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信息的数字化编码是指