消费者翘首以盼着无线视 频时代的到来，广告里的HD LCD电视通常只见机身悬挂在墙上却看不到任何线缆。根据常识分析，LCD电视后面肯定有电源插座，但AV线是否也嵌在墙里了呢？前几年，平板电视并未普 及，这些电缆可能是嵌在墙里的，但如今，HD平板电视早已在寻常人家登堂入室了，消费者也想达到无需改造房间即可拥有广告里显示的效果。与各种AV连接方 案—HDMI、分量视频、USB、VGA相比—整洁清爽的无线方案更值得青睐。
视频压缩的益处
高带宽无线方案支持无线视频，但这并不能解决所有问题。目前，由于带宽限制，压缩仍是不可或缺，信道中的误差还会提高对带宽的需求。
未经压缩的720p视频流需要带宽1.485 Gbps，这还不包括音频、加密和分组所需的带宽。无线业务供应商一直致力于提高带宽和无线信道的质量，未来几年内无压缩方案是否可行还是个问题。无压缩视频的好处主要有二：延时低、误码弹性(error resiliency)高。由于没有压缩视频，造成延时的原因只有通信延时和处理延时，而这两点在有线方案里也存在。未压缩视频对比特误差的弹性高，人眼会累积随机误差，在高噪声环境下，大量随机误差会表现为静态现象。
尽管未压缩无线视频延时低，误码弹性高，视频压缩仍有两点主要优势。其一，压缩视频占用带宽低，这样可充分利用节省的信道资源，如果其它应 用程序可以共享信道，可同时传输多个视频流，或提高信道的范围(将更多带宽用于重发送)。其二，如果使用真正的可缩放视频编解码器，相同的压缩视频流可发 送到分辨率不同的多个显示器，每个显示器仅需将需要的部分解码即可。而如果在分辨率不同的显示器上显示未压缩视频时，需要将信号源在显示器上进行缩放，从 而会导致明显提高手持器件的成本、延时和复杂度。
无线视频的挑战
无线视频面临着三大挑战：如何在变化的信道带宽条件下获得理想的误码弹性、延时和图像质量。
低延时性能对需要实时视频压缩的应用非常重要。玩游戏当然需要实时进行，其实播放DVD也一样，在按下快进按钮时，总不希望视频在2-3秒后才响应，同样，用DVD菜单指令进行节目切换时，也需要指令快速完成。
在视频中(DVD机或机顶盒中)加入菜单需要加载菜单前的节目源是未压缩的。在视频中加入菜单有很多好处—STB制造商可保留用户接口，不 需要增加菜单侧通道的传输，当按下遥控器上的按钮后可缩短延时，这就需要实时压缩输出，或者在进行无线传输之间不能压缩。对即将问世的HD-DVD和蓝光 光碟，实时压缩必须支持HD。尽管可以通过边通道传输菜单命令，并无线传输预压缩的DVD内容，这种方法仍存在一些问题。首先，电视必须具有渲染功能，图 像渲染芯片比电视的更新速度快，这就意味着，电视机里增加渲染功能将提高成本，但并不能增值，因为这个功能是指望DVD机完成的。而且，HD-DVD和蓝 光光盘预压缩内容输出速率可变-在30 Mbps和40 Mbps之间，这需要在电视机里增加复杂的处理功能。
无线信道一般执行前向差错纠正(FEC)和数据包重传输，虽然这样会减少可见误差，但由于需要大量缓存，从而增加了接收端的复杂度。此 外，由于重传输将随误差率的变化而变化，从而会增加延时，而且延时时间也是不断变化的。因此，减少重传输可降低对存储器的需求，缩短延时。降低FEC还有 助于增加可变带宽，用于提高AV信道的范围或数目。不同编解码器表现误差的方式也不同，误码弹性高的编解码器对FEC和重传输的要求低，这样可以实现质量 有保证的视频节目。
图像质量是视频压缩方案最终需要考虑的问题。理想情况下，压缩处理不会在重建流中产生人为效果，这种压缩叫做无损压缩。如果人体视觉系统 (HVS)观察不到这些人为现象，这种压缩方式就叫做无损编码。压缩是控制输出比特率，压缩率通常是指未压缩的内容与压缩后内容的比特率的比例(如10: 1或20:1)。只要压缩引擎的输入视频是相同的(相同滤波和分辨率)，而且相应的视频质量近似，压缩率可以用来快速而有效地比较各种编解码器的效率。图 像质量和效率对于无误差(有线)和有噪声(无线)信道是不同的；它们不能使用相同压缩比，除非无线信道也没有误差。当信道质量降低，编解码器能否改变输出 比特率也是一个技术难题。如果输出比特率是35 Mbps，信道仅支持30Mbps，编解码器必须作出响应，否则将不再生成图像。
用于无线视频的JPEG2000
基于如上分析的各种挑战，本文将研究JPEG2000如何用于无线视频。
JPEG2000是可缩放的，它基于小波技术，在2004年已经被确立为视频压缩标准，即ISO/IEC 15444-2和ITU-T Rec. T.800。压缩仅在帧内进行，采用小波压缩方法。使用小波可以实现按照质量和分辨率分级的编码流，具体内容将在后文中涉及。分级代码流的误码弹性高，首 先让我们回顾一下代码流的产生就能理解为何具有该性质。
压缩也被视作比特率控制。JPEG2000在比特率控制方面有两种不同方法：小波传输过程和熵编码。
小波传输
小波在每个帧的行和列中应用高通和低通滤波器，以形成四个子带。
在”低低”即LL子带(左上角)重复这一过程，两个图像分辨率可以被恢复，见图1：所有四个子带用于重现原始分辨率，LL子带仅为其分辨率的1/4。(该图像由Arizona 大学Michael W. Marcellin和Ali Bilgin提供)
图1：2D转换(两种分辨率)
下面的图像显示两种转换程度：一般使用五层或六层。
图2：两级2D转换(3个分辨率)
LL子带对重现图像是最重要的，而其它子带则用于提供附加细节和分辨率。这些子带再进一步分为不同质量等级。小波转换将每个转换等级和每个子带的所有频率分量进行量化，以实现2至3种压缩。代码流包可按照很多方式排序；下面的方法显示了按照分辨率进行排序。
图3：小波转换示例
按照分辨率进行的方法支持分辨率缩放，这样无需将整个视频流解码即可重现小分辨率的图像。比如，手持器件仅需将代码流的一部分解码即可在小显示屏上播放，相同的视频流经完全解码后可在HDTV展示。
熵编码
小波转换的输出可进行熵编码。用户选择期望的输出比特率，由于子带已经分成不同质量层，JPEG2000可自动创建相应的代码流。熵编码决定从每个质量层需要提取多少信息。
图4：熵编码示例
代码流的输出比特率可逐帧调整，以适应信道性能下降的情况，也可为其它应用程序(或其它视频流)增加带宽，这样仅会对图像质量有轻微影响。 给定视频流的实际带宽取决于图像分辨率、原始视频流的质量和观看者的主观评价。如下为相同图像分别以20 Mbps和10 Mbps压缩的效果。10Mbps图像中的软化效果是典型的JPEG2000压缩带来的人为效果。
图5: 图像软化示例
误差表现
由于比特误差的表现与误差在代码流中出现的位置相同，从而代码流呈现出分级特性。
图6:频率误差图
Next: 前向差错纠正
前向差错纠正
很显然LL子带实现无误差接收是最重要的，但人眼根本不会察觉高频中出现的误差。前向差错纠正可用于低频和中频部分的数据包。
图7: 前向差错纠正
在数据包头和LL子带中必须运用性能最稳定的FEC，它们通常占代码流的20%。
JPEG2000规范的第11部分(称为JPWL，即用于无线的JPEG2000)定义了在无线产品中的JPEG2000传输，并详细解释了在代码流不同部分使用FEC的类型和数量。
下图将基于小波的方法和其它压缩方案进行了比较。("视频处理中的移动JPEG2000, "硕士论文, Wei Yu, 华盛顿大学 2002年7月)
图8: 不同压缩方案的示例
图像分块是基于离散余弦转换(DCT)压缩方案的典型特征。MPEG和H.264都是基于空间的DCT压缩方案，这表明它们可以压缩参考帧 (I帧)和后续帧(P和B帧)。由于P帧和B帧仅包括delta信息，因此压缩比高，空间方案是通过增加P和B帧与I帧的比例来提高压缩效率的。但是，I 帧出现的误差将通过后续帧传播(图像组)直到出现新的I帧。这就是电视中许多帧表现为块状的原因。由于经典的空间方案是通过估计运动提高压缩效率的，这样 压缩效率在空间压缩不涉及的单纯I帧模式中会大大降低。
压缩效率
JPEG2000可以实现无损视频压缩，这是2至3压缩的经验法则。720p HD视频流(10位彩色色深，4:2:2时序)通常为无压缩1.48 Gbps；无损压缩通常为500 Mbps。对于没有高频内容的720p视频流而言，JPEG2000将创建75 Mbps至150 Mbps视觉上无损视频流，最终效果主要取决于节目源。但视频流通常是预滤波的，就像电视广播一样。典型的720p HDTV视频流可使用JPEG2000压缩为35Mbps至40 Mbps。35 Mbps显然高于ATSC HDTV所用的15 Mbps至19 Mbps传输，(ATSC HD流为19.2Mbps，但有些带宽被包头和音频信息占用了，仅有15 Mbps用于视频)由于JPEG2000不重复发送包，所以带宽的差别对效果的影响就减弱了，仍能获得ATSC (基于MPEG)传输的与有线类似的图像质量。
综上所述，JPEG2000的低延时、高误差弹性和可缩放等特性适合用于无线视频产品，尽管低压缩效率不能满足很多有线和预压缩视频产品。
关于作者
Brooke Crossley是ADI公司高速信号处理部门的营销主管，她加盟ADI公司已有十一余年。她在混合信号视频IC开发领域拥有各种技术职位。她持有UNC Charlotte电子工程的学士学问和Wake Forest大学MBA学校。您可以通过电子邮件和她联系brooke.crossley@analog.com。
