1.数字电视视频信号压缩的必要性

模拟电视视频信号数字化后的数据量非常大，按照4∶2∶2标准进行分量编码，亮度信号的数据传输速率（码率）为108Mbit/s，两个色差信号的码率为108Mbit/s，如果传输信道每赫兹带宽能传输的最高码率是2bit/s，则传输一路数字电视信号则要求（216/2）MHz=108MHz的带宽。为了提高传输效率，一般将数字化的视频信号先进行压缩编码，从数字视频信号中移去自然存在的冗余度，尽量减少图像各符号的相关性，提高图像的传输效率。这个过程就好像将牛奶中水分去掉制成奶粉，在需要时将水倒进去又做成牛奶一样，在接收端则通过解码将图像信号恢复。

【知识要诀】

视频信号数字化，不经压缩码率大，

传输、存储不方便，实际应用压缩码。

【知识链接】

信源编码就是在原始图像或声音信号中移去自然存在的冗余度，以达到用尽可能少的数码来有效地表示图像或声音信号，从而降低码率、压缩频带，所以信源编码又称压缩编码。一般来讲，信源编码分为无损编码和有损编码。无损编码往往称为熵编码。熵编码又称为变字长统计编码，它利用信息源产生的统计性质，对经常出现的符号应用短码，对不常出现的符号应用长码，从而不造成图像损伤。有损编码是研究人的视觉特性，以便对人眼能看见的信息编码，有效地减少信源的冗余度。例如人眼对图像的细节分辨率、运动分辨率、对比度分辨率的要求都有一定的限度，而且对图像的某种分辨率要求很高时，对其他的分辨率则降低了要求，利用这一特点，可在不损伤图像主观质量的条件下压缩码率，也就是用客观失真换取码率压缩。

2.数字电视视频信号压缩的可行性

视频信号可以压缩的根据主要有两点：一是视频信号中存在大量的冗余度可供压缩，包括图像结构和编码统计方面的冗余度，这种冗余度在解码后可无失真地恢复；另一点是利用人的视觉特性，通过减少表示视频信号的精度，以一定的客观失真换取视频数据压缩。

图1-6 图像空间相关冗余

视频信号结构上的冗余度表现为很强的空间（帧内的）和时间（帧间的）相关性，如图1-6、图1-7所示。一幅图像在不同行、不同场、不同像素之间存在着许多相同的信息可供压缩。一般情况下，电视画面中的大部分区域信号变化缓慢，尤其是背景部分几乎不变，正如观看电影胶带，可以发现连续几十张画面变化甚小。据统计，不同类型的彩色电视节目，在一帧时间内，亮度信号平均只有7.5%的像素有变化，而色度信号平均只有6.5%的像素有变化，这样就有大量的时间或空间的冗余信息可进行压缩。

图1-7 图像的时间相关冗余

视频信号在编码过程中，被编码视频信号的概率密度分布是不均匀的。例如，在预测编码中，需要编码的信号是预测误差信号E，而这种预测误差信号的概率P（E）高度集中分布在0附近，形成如图1-8所示的预测误差信号概率分布曲线。对这种极不均匀的概率分布的信息，可采用变字长编码，即出现概率低、预测误差大的用长码，出现概率高、预测误差信号为0或小误差的用短码，这样总的平均码长要比用固定码长编码短得多，可消除编码信息所含的统计冗余度。

图1-8 预测误差信号概率分布曲线

【知识要诀】

一幅图像的组成，空间像素相关性，(www.daowen.com)

除去相同的像素，数据压缩实可行。

活动图像相邻画，内容相差并不大，

相同背景可去掉，帧间压缩受人夸。

编码数据有不同，出现概率似山峰，

具体应用长短码，压缩数据也有用。

3.数字电视音频信号压缩的可行性

音频压缩是降低音频信号中的冗余和丢掉音频信号中不相关部分（凡不能被人耳感觉到的信号），使数字音频的信息量减少到最小程度，但同时又能精确地再现原始的声音信号。随着人们对音频信号特性和人耳特性的不断研究，音频编码技术得到很大的发展。

（1）阈值特性。阈值特性是指人耳对不同频率的声音具有不同的听觉灵敏度，而人耳感觉不到的声级便称为阈值。如人耳对100Hz以下的信号或18kHz以上的信号灵敏度降低，可觉察的声级明显低于1～5kHz的中音频段。如果我们把可闻频段的信号保留，而把不敏感频段的信号只反映其强信号，对人耳难以觉察的弱信号则可以忽略，就可以使信息量大大减少，如图1-9所示。从阈值特性曲线可以看出，在界限以下的便舍去，其结果对实际的听音效果毫无影响，而使信息量大大减少，达到了压缩声音的目的。

图1-9 阈值特性与掩蔽效应

a）掩蔽后效果图 b）未掩蔽频率分布

（2）掩蔽效应。掩蔽效应是指当某一频率段附近如果存在着两个声音信号，而其中一个信号的幅度远大于另一个信号的幅度，则人耳的听觉阈值将提高，使大音量频率附近的小音量变得不可闻，像是小音量信号被大音量信号所掩盖；如果与大音量信号不在同一频率附近的小音量信号，其可闻阈值不受影响，一样听得见。这样，可以将大音量频率附近的小音量舍去，仍不影响实际听音效果，但信息量却大大减少，达到压缩声音的目的。

在现代数字音响设备中，如DVD音频播放器、MP3播放器等，就是充分利用了人耳的听觉阈值特性。如果把可闻频段的信号保留，而把不敏感频段的信号只反映其强信号，对人耳难以觉察的弱信号则可以忽略，这样就可以使信息量大大减少，从而达到了压缩声音信息量的目的。

【知识要诀】

人耳听觉有阈值，阈值大小随频率，

八百五千零分贝，十八千赫听觉低。

掩蔽特性有一点，它随频率变曲线，

多个频率共存时，曲线下面听不见。