視頻圖像編碼的現狀與發展

鄒坤英

【摘 要】本文介紹了靜態和運動圖像壓縮編碼國際標準的發展過程中出現的一系列標準，特別是JPEG2000、MPEG-4以及H.264，總結了這些國際標準的壓縮效果、應用場合及相應的壓縮編碼算法，分析討論了這些新標準的特點和優越性。

【關鍵詞】圖像編碼；JPEG2000；MPEG-4；H.264

0 前言

數字圖像的信息量大，而且采用數字式通信制時占用的頻帶寬，所以作為多媒體關鍵技術的圖像壓縮編碼技術一直深為人們重視。為了促進多媒體技術的發展，通過標準化實現多媒體技術在各國間的統一、合作、交流和應用，20世紀90年代，制定了一些重要的國際標準，取得了輝煌的業績，特別是MPEG4視頻編碼標準和JPEG～2000靜態圖像編碼標準引進了基于對象（內容）等編碼模式，明顯具有新的時代特征。它們的制定既凝結了圖像、視頻編碼在過去幾十年研究成果的結晶。又不斷吸收新的研究成果和提出新的研究內容，對圖像和多媒體事業的高速發展起到了巨大推動作用。

1 圖像編碼標準化的發展與現狀

1.1 靜態圖像壓縮技術標準

靜態圖像壓縮的國際標準已涵蓋了從二值、灰度到彩色的圖像，如表1所示。

對二值圖像的壓縮標準有G3，G4和JBIG。JBIG由于采用了自適應技術，其編碼效率要比G3和G4高的多。對于灰度和彩色圖像有JPEG和新出臺的JPEG2000。JPEG是為單幀彩色圖像的壓縮標準而制定的。采用這一標準可以將每像素24bit的彩色圖像壓縮至每像素2bit而仍然具有較好的圖像質量。其核心算法為離散余弦變換。JPEG針對不同的應用，定義了44種操作模式，但不具有通用性。針對JPEG標準的不足，如：低比特率壓縮性能差、不能在單一編碼流中提供較好的無損和有損壓縮、壓縮算法不支持大于64k×64k的圖像以及在噪聲環境中傳送能力差等，提出了JPEG2000。

JPEG2000用以離散小波變換算法為主的多解析編碼方式，其優勢主要集中在四個方面：

1）高壓縮率

JPEG2000格式的圖片可在現在JPEG的基礎上再提高l0%～30%，而且壓縮后的圖像顯得更細膩平滑；

2）無損壓縮

預測法作為對圖像進行無損壓縮編碼的成熟方法被集成到JPEG2000中。此外，其誤差穩定性也較好，能更好地保證圖像的質量；

3）實現漸進傳輸

這是JPEG2000的一個重要特征。即在傳輸過程中，先傳輸圖像的輪廓數據，然后再逐步傳輸其他數據來不斷提高圖像質量，實現圖像由朦朧到清晰。即不斷地向圖像中插人像素以不斷提高圖像的分辨率；

4）支持“感興趣區域”

可以對圖片上感興趣的區域在壓縮時指定這些區域的壓縮質量，或在解壓時指定某些區域的解壓要求，這樣，就結合了接收方對壓縮的主觀需求，實現了交互式壓縮 ，另外，JPEG2000還具有對比特錯誤具有魯棒性（即能保證在噪聲環境中傳輸發生比特錯誤時，解碼器依然能解碼，而且具有較好的圖像質量）、將彩色圖像和二值圖像的編碼方式統一起來等特點。同時還對圖像安全保護、圖像交換等方面做了考慮。

1.2 運動圖像壓縮技術標準

運動圖像標準包括MPEG-1，2，4、 H.261，3，4以及正在制定當中的MPEG-7和MPEG-21，如表2所示。但MPEG7和MPEG2l并不是壓縮標準。

MPEG-7全稱為“多媒體內容描述接口”，要解決的是如何在多如繁星的資料中找到用戶需要的資料。MPEG21可以描述成一些關鍵技術的集成，這些技術可以通過訪問全球網絡和設備實現對多媒體資源透明和增強地使用，標準將討論是否需要和如何將協議、標準、技術等不同的組件有機地結合起來，是否需要新的規范，及在具備上述兩個條件的前提下如何將不同的標準集成在一起。

1.2.1 MPEG 系列標準

MPEG，這是ISO組織運動圖像專家組的簡稱，多年來一直致力于制定與有關研制視頻壓縮、音頻壓縮及多種壓縮數據流復合及同步方面的國際標準。

MPEG-1是為11.5Mb/s數字聲像信息的存儲而制定，沒有指定具體的編碼程序，只確定了一個標準的編碼碼流和對應的一個標準的解碼器。MPEG-2是為數字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、數字視盤（DVD）等制定的運動圖像及其伴音編碼標準，綜合采用了利用運動補償的幀間預測、空間域DCT、自適應量化和可變字長編碼的混合算法。為了適應不同碼率和不同場合，該標準僅對比特流語法和相應的解碼方法作了規定，而在編碼器的設計上留有很大自由度，如運動估計的搜索算法和匹配函數的選擇，利用人視覺特性的自適應量化等。

MPEG-2技術綜合采用了3大基本編碼技術，即預測編碼、變換編碼和統計編碼。壓縮技術采用多種編碼手段消除系統的冗余信息，歸納起來將有以下四個方面：

1）利用二維DCT減少圖像的空間冗余度；

2）利用運動補償預測減少圖像的時間域冗余度；

3）利用視覺加權量化減少圖像的“灰度域”冗余度；

4）利用熵編碼來減少圖像“頻率域”上統計特性方面的冗余度。

此外，MPEG-2在MPEG-1的基礎之上擴充了“可伸縮性”和“可分級性”兩個概念，所謂“可伸縮性”指的是對碼流的一部分進行編碼和對碼流的全部解碼獲得的圖像分辨率（或信噪比等）要低。MPEG-2所支持的可伸縮的視頻編碼方式共有時間、空間、信噪比及數據分割等四種?！翱煞旨壭浴眲t是指在MPEG-2中用范疇以及層次兩個定義來描述不同的編碼參數集。每個范疇是前一個的合集，層次則規定了空間和時間分辨率的上限。

MPEG-4已經不再是個單純的視頻音頻編解碼標準，它更多定義的是一種格式和框架，而不是具體的算法，從而為多媒體數據壓縮提供了一個更廣泛的平臺。對于靜止對象，MPEG-4采用零樹小波算法，并提供高壓縮比。同時提供多達11級的空間分辨率和質量可伸縮性。MPEG-4為了支持基于對象的編碼，引入了形狀編碼模型；為了支持高效壓縮，MPEG-4仍然采用了MPEG-1、MPEG-2中的變換、預測混合編碼框架。

【摘 要】隨著社會的發展、技術的進步，城市排水管道系統規劃也在不斷的發展。在本文中，筆者提出需要從本地的自然條件、人文條件、經濟發展的條件等基礎出發，進行適應性的、

系統性的、經濟性的規劃設計。

【關鍵詞】地域；排水管道系統；規劃設計；排水系統

1 地域性規劃設計的概念

地域意指一定的區域空間。其主要包含三個層次的內容：其一，指征一定的區間范圍；其二，特定范圍之內的地理特征與時空特征；其三，基于地理環境特征所產生的人文特點。這是地理學中的一個重要概念。所謂的地域性，則是指基于該地域所具備的一切自然環境、人工環境特性，是一個自然要素與人文要素有機契合的功能性界定。

在規劃設計發展的歷史進程中，在功能主義的現代規劃理念之前，各個地方的規劃都是基于地方性的自然條件、人們的生活習慣而進行各種地方性的規劃。即：在前現代時期，因地制宜的地域性規劃是規劃設計的普遍存在。然而，隨著工業革命的推動，標準化、批量化的生產方式深入人心，追求生產、施工方便的一致性的現代規劃設計理念收到社會、企業的認同。不同地區的規劃設計方案趨于雷同，其中排水管道的規劃設計也是如此。然而，這種規劃設計通過強硬的、暴力式的對地理自然環境進行千篇一律的改造方式因為地域條件的不同所帶來了諸多施工的麻煩。這種弊端也逐漸被人們所認知。人們也重新考慮到排水管道的規劃設計與當地自然環境、人文環境的關系。也及時地域性的規劃設計理念得以提出與實踐。

2 排水管道規劃設計的要素

城市排水管道系統既能保障城市生活環境的安全舒適，又能保證城市生態系統的平衡，使城市水系統的物質與能量正常循環，達到可持續發展的目的。在排水管道規劃設計中，需要充分考慮以下要素：

1）根據城市總體規劃分為近期和長遠規劃兩種情況。規劃年限太長則設計參數誤差大，安全系數過高。規劃年限太短，會馬上出現流量過飽和的情況，再重新規劃建設新的管道，是一種極大的浪費。

2）在合理規劃年限的基礎上，充分考慮人口因素，能大大提高設計參數精度。

3）精確估算人均每天污水排放額度，并根據城市規劃的給水定額，刨掉跑冒滴漏和管道地下水深入量之差，合理推測排水總量。

4）城市排放污染負荷會隨著的發展而增加，但也不能估量太過夸大。

5）現代工業生產加工水平提高，無論是排水量和污染物含量都會大幅度降低，并不是成正比的線性增長。

6）現代城市地面鋪裝理念也會不斷變化，重視地面滲透，因此應合理評估地面徑流的變化。

7）合理估量溢流周期，要平衡排水量過飽和與建設及維護成本問題，根據人口密集程度綜合考慮，區別對待。

3 地域特色的排水系統規劃

地域化規劃設計的基本思路是：按照本區域的自然環境、經濟發展和社會發展水平進行綜合的系統規劃。如：新城區應盡量采用雨污分流，雨水管道可直接排出進入自然水體，減輕污水管網的排除壓力。對老城區中歷史遺留的合流制管網，應在合流的基礎上逐步進行改造。對發展潛力不大的小城鎮應盡量采用合流制，免除不必要的財政負擔。對重點污染企業或者產業聚集區，如化工區，屠宰場等特殊單位，應在企業或區域內就地處理，水質達標后再排入市政管網，或者作為中水循環利用。

排水管網的系統規劃。應充分考慮地域性特點，綜合考量地域自然條件、經濟條件、發展潛力等因素，平衡短期需求與中長期發展規劃之間的矛盾，從而達到城市的發展容量與當地自然環境保護相協調的規劃策略，不盲目擴大容量，造成浪費。在新建雨污分流管道的規劃上，應該因地制宜，不能先集中后排放，應根據當地地理環境，以最短的路徑分散排除。

應該轉變用水觀念，將污水視為傳統水源的有效補充，污水是珍貴的第二水源。凈化后的城市污水可用作工業冷卻水、市政用水、補充河道景觀用水。

在具體的規劃設計中，需要根據地理條件具體的進行方案制定：

3.1 排水管線的布置

1）排水管道應巧妙利用地勢條件、順勢排水，盡可能減少排澇泵站的建設；

2）管道排水負荷，應與區域規劃和居民區實際需求吻合；

3）合理排布管網密度，做到排除路徑最短，平衡功能與經濟性問題；

4）盡可能分散的排除污水和雨水，防止匯流集中；

5）截流式合流制污水收集池，應盡量規劃在考進河流等自然水體附近，方便在雨季流量猛增時，合理溢出。

3.2 排水路徑的選擇

1）盡量利用自然排水通道或舊有排水干管作為主要的排放的出路；

2）要在合理利用地勢高差保證排水系統的高程和排水效率，保證雨、污水順利排除。

3.3 合理劃分匯水區域的面積

1）合理考慮區域規劃及自然地勢條件，劃分雨水、污水的匯流區域，估算匯流面積；

2）污水和雨水的匯流面積應該合適，過大會造成內澇，過小會造成管網密度過高，增加建設成本和規劃難度；

3）根據地理條件，地勢變化，盡可能使匯流區域形狀規則；

4）充分考慮相鄰匯水區域的雨水及污水規劃。

3.4 排水線路的選擇

1）排水管道系統的規劃應與城市整體排水系統規劃保持一致性；

2）排水管道應盡量避開不容易穿越的地帶及構筑物。

3.5 排水管道系統的控制高程的確定

1）充分考慮當地水體的洪水位、常水位、排水干管的內底高來確定管道出口的控制高程；

2）充分考慮管道未來計劃向上游延伸的趨勢和低洼地帶、有排水要求的地下空間；

3）根據當地城市規劃和已建成管線，系統考慮支管的接入問題以及與其他系統的管網的交叉問題。