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消費者翹首以盼着無線視 頻時代的到來，廣告裏的HD LCD電視通常只見機身懸掛在牆上卻看不到任何線纜。根據常識分析，LCD電視後面肯定有電源插座，但AV線是否也嵌在牆裏了呢？前幾年，平板電視並未普 及，這些電纜可能是嵌在牆裏的，但如今，HD平板電視早已在尋常人家登堂入室了，消費者也想達到無需改造房間即可擁有廣告裏顯示的效果。與各種AV連接方 案—HDMI、分量視頻、USB、VGA相比—整潔清爽的無線方案更值得青睞。
視頻壓縮的益處
高帶寬無線方案支持無線視頻，但這並不能解決所有問題。目前，由於帶寬限制，壓縮仍是不可或缺，信道中的誤差還會提高對帶寬的需求。
未經壓縮的720p視頻流需要帶寬1.485 Gbps，這還不包括音頻、加密和分組所需的帶寬。無線業務供應商一直致力於提高帶寬和無線信道的質量，未來幾年內無壓縮方案是否可行還是個問題。無壓縮視頻的好處主要有二：延時低、誤碼彈性(error resiliency)高。由於沒有壓縮視頻，造成延時的原因只有通信延時和處理延時，而這兩點在有線方案裏也存在。未壓縮視頻對比特誤差的彈性高，人眼會累積隨機誤差，在高噪聲環境下，大量隨機誤差會表現爲靜態現象。
儘管未壓縮無線視頻延時低，誤碼彈性高，視頻壓縮仍有兩點主要優勢。其一，壓縮視頻佔用帶寬低，這樣可充分利用節省的信道資源，如果其它應 用程序可以共享信道，可同時傳輸多個視頻流，或提高信道的範圍(將更多帶寬用於重發送)。其二，如果使用真正的可縮放視頻編解碼器，相同的壓縮視頻流可發 送到分辨率不同的多個顯示器，每個顯示器僅需將需要的部分解碼即可。而如果在分辨率不同的顯示器上顯示未壓縮視頻時，需要將信號源在顯示器上進行縮放，從 而會導致明顯提高手持器件的成本、延時和複雜度。
無線視頻的挑戰
無線視頻面臨着三大挑戰：如何在變化的信道帶寬條件下獲得理想的誤碼彈性、延時和圖像質量。
低延時性能對需要實時視頻壓縮的應用非常重要。玩遊戲當然需要實時進行，其實播放DVD也一樣，在按下快進按鈕時，總不希望視頻在2-3秒後才響應，同樣，用DVD菜單指令進行節目切換時，也需要指令快速完成。
在視頻中(DVD機或機頂盒中)加入菜單需要加載菜單前的節目源是未壓縮的。在視頻中加入菜單有很多好處—STB製造商可保留用戶接口，不 需要增加菜單側通道的傳輸，當按下遙控器上的按鈕後可縮短延時，這就需要實時壓縮輸出，或者在進行無線傳輸之間不能壓縮。對即將問世的HD-DVD和藍光 光碟，實時壓縮必須支持HD。儘管可以通過邊通道傳輸菜單命令，並無線傳輸預壓縮的DVD內容，這種方法仍存在一些問題。首先，電視必須具有渲染功能，圖 像渲染芯片比電視的更新速度快，這就意味着，電視機裏增加渲染功能將提高成本，但並不能增值，因爲這個功能是指望DVD機完成的。而且，HD-DVD和藍 光光盤預壓縮內容輸出速率可變-在30 Mbps和40 Mbps之間，這需要在電視機裏增加複雜的處理功能。
無線信道一般執行前向差錯糾正(FEC)和數據包重傳輸，雖然這樣會減少可見誤差，但由於需要大量緩存，從而增加了接收端的複雜度。此 外，由於重傳輸將隨誤差率的變化而變化，從而會增加延時，而且延時時間也是不斷變化的。因此，減少重傳輸可降低對存儲器的需求，縮短延時。降低FEC還有 助於增加可變帶寬，用於提高AV信道的範圍或數目。不同編解碼器表現誤差的方式也不同，誤碼彈性高的編解碼器對FEC和重傳輸的要求低，這樣可以實現質量 有保證的視頻節目。
圖像質量是視頻壓縮方案最終需要考慮的問題。理想情況下，壓縮處理不會在重建流中產生人爲效果，這種壓縮叫做無損壓縮。如果人體視覺系統 (HVS)觀察不到這些人爲現象，這種壓縮方式就叫做無損編碼。壓縮是控制輸出比特率，壓縮率通常是指未壓縮的內容與壓縮後內容的比特率的比例(如10: 1或20:1)。只要壓縮引擎的輸入視頻是相同的(相同濾波和分辨率)，而且相應的視頻質量近似，壓縮率可以用來快速而有效地比較各種編解碼器的效率。圖 像質量和效率對於無誤差(有線)和有噪聲(無線)信道是不同的；它們不能使用相同壓縮比，除非無線信道也沒有誤差。當信道質量降低，編解碼器能否改變輸出 比特率也是一個技術難題。如果輸出比特率是35 Mbps，信道僅支持30Mbps，編解碼器必須作出響應，否則將不再生成圖像。
用於無線視頻的JPEG2000
基於如上分析的各種挑戰，本文將研究JPEG2000如何用於無線視頻。
JPEG2000是可縮放的，它基於小波技術，在2004年已經被確立爲視頻壓縮標準，即ISO/IEC 15444-2和ITU-T Rec. T.800。壓縮僅在幀內進行，採用小波壓縮方法。使用小波可以實現按照質量和分辨率分級的編碼流，具體內容將在後文中涉及。分級代碼流的誤碼彈性高，首 先讓我們回顧一下代碼流的產生就能理解爲何具有該性質。
壓縮也被視作比特率控制。JPEG2000在比特率控制方面有兩種不同方法：小波傳輸過程和熵編碼。
小波傳輸
小波在每個幀的行和列中應用高通和低通濾波器，以形成四個子帶。
在”低低”即LL子帶(左上角)重複這一過程，兩個圖像分辨率可以被恢復，見圖1：所有四個子帶用於重現原始分辨率，LL子帶僅爲其分辨率的1/4。(該圖像由Arizona 大學Michael W. Marcellin和Ali Bilgin提供)
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圖1：2D轉換(兩種分辨率) |
下面的圖像顯示兩種轉換程度：一般使用五層或六層。
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圖2：兩級2D轉換(3個分辨率)
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LL子帶對重現圖像是最重要的，而其它子帶則用於提供附加細節和分辨率。這些子帶再進一步分爲不同質量等級。小波轉換將每個轉換等級和每個子帶的所有頻率分量進行量化，以實現2至3種壓縮。代碼流包可按照很多方式排序；下面的方法顯示了按照分辨率進行排序。
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圖3：小波轉換示例
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按照分辨率進行的方法支持分辨率縮放，這樣無需將整個視頻流解碼即可重現小分辨率的圖像。比如，手持器件僅需將代碼流的一部分解碼即可在小顯示屏上播放，相同的視頻流經完全解碼後可在HDTV展示。
熵編碼
小波轉換的輸出可進行熵編碼。用戶選擇期望的輸出比特率，由於子帶已經分成不同質量層，JPEG2000可自動創建相應的代碼流。熵編碼決定從每個質量層需要提取多少信息。
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圖4：熵編碼示例
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代碼流的輸出比特率可逐幀調整，以適應信道性能下降的情況，也可爲其它應用程序(或其它視頻流)增加帶寬，這樣僅會對圖像質量有輕微影響。 給定視頻流的實際帶寬取決於圖像分辨率、原始視頻流的質量和觀看者的主觀評價。如下爲相同圖像分別以20 Mbps和10 Mbps壓縮的效果。10Mbps圖像中的軟化效果是典型的JPEG2000壓縮帶來的人爲效果。
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圖5: 圖像軟化示例
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誤差表現
由於比特誤差的表現與誤差在代碼流中出現的位置相同，從而代碼流呈現出分級特性。
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圖6:頻率誤差圖
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Next: 前向差錯糾正
前向差錯糾正
很顯然LL子帶實現無誤差接收是最重要的，但人眼根本不會察覺高頻中出現的誤差。前向差錯糾正可用於低頻和中頻部分的數據包。
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圖7: 前向差錯糾正
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在數據包頭和LL子帶中必須運用性能最穩定的FEC，它們通常佔代碼流的20%。
JPEG2000規範的第11部分(稱爲JPWL，即用於無線的JPEG2000)定義了在無線產品中的JPEG2000傳輸，並詳細解釋了在代碼流不同部分使用FEC的類型和數量。
下圖將基於小波的方法和其它壓縮方案進行了比較。("視頻處理中的移動JPEG2000, "碩士論文, Wei Yu, 華盛頓大學 2002年7月)
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圖8: 不同壓縮方案的示例
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圖像分塊是基於離散餘弦轉換(DCT)壓縮方案的典型特徵。MPEG和H.264都是基於空間的DCT壓縮方案，這表明它們可以壓縮參考幀 (I幀)和後續幀(P和B幀)。由於P幀和B幀僅包括delta信息，因此壓縮比高，空間方案是通過增加P和B幀與I幀的比例來提高壓縮效率的。但是，I 幀出現的誤差將通過後續幀傳播(圖像組)直到出現新的I幀。這就是電視中許多幀表現爲塊狀的原因。由於經典的空間方案是通過估計運動提高壓縮效率的，這樣 壓縮效率在空間壓縮不涉及的單純I幀模式中會大大降低。
壓縮效率
JPEG2000可以實現無損視頻壓縮，這是2至3壓縮的經驗法則。720p HD視頻流(10位彩色色深，4:2:2時序)通常爲無壓縮1.48 Gbps；無損壓縮通常爲500 Mbps。對於沒有高頻內容的720p視頻流而言，JPEG2000將創建75 Mbps至150 Mbps視覺上無損視頻流，最終效果主要取決於節目源。但視頻流通常是預濾波的，就像電視廣播一樣。典型的720p HDTV視頻流可使用JPEG2000壓縮爲35Mbps至40 Mbps。35 Mbps顯然高於ATSC HDTV所用的15 Mbps至19 Mbps傳輸，(ATSC HD流爲19.2Mbps，但有些帶寬被包頭和音頻信息佔用了，僅有15 Mbps用於視頻)由於JPEG2000不重複發送包，所以帶寬的差別對效果的影響就減弱了，仍能獲得ATSC (基於MPEG)傳輸的與有線類似的圖像質量。
綜上所述，JPEG2000的低延時、高誤差彈性和可縮放等特性適合用於無線視頻產品，儘管低壓縮效率不能滿足很多有線和預壓縮視頻產品。
關於作者
Brooke Crossley是ADI公司高速信號處理部門的營銷主管，她加盟ADI公司已有十一餘年。她在混合信號視頻IC開發領域擁有各種技術職位。她持有UNC Charlotte電子工程的學士學問和Wake Forest大學MBA學校。您可以通過電子郵件和她聯繫[email protected]。
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