第二章信息革命的火山大爆发

　　——数字技术及其在视频领域中的应用

　　不管别人怎样来分析信息革命的成因，我都坚持认为信息革命是由两个过程组成的，一个是先行的数字技术的进步，另一个是后来的网络技术的普及。没有数字技术为基础和铺垫，就没有网络技术，也无所谓什么信息革命。可以这样做个比喻：数字技术是这场信息革命的前半程的火山爆发，它直接诱发了后半程的网络技术的大地震，火山大爆发和随之产生的大地震共同组成了这场产业大革命。

　　为了便于我们对视频领域的变革进行讨论，也便于读者理解本书，我们有必要简单地介绍一下数字技术在视频领域的应用。现在我们就先看看数字技术是一座怎样的火山。

　　数字信号，人类用文字代替岩画后的又一伟大进步

　　最初电视都是采用模拟信号(Analog Signal)，所谓模拟信号就是把我们看到的事物用一系列连续变化的电磁波来表示。也可以说是使一个连续的电磁波根据事物的色彩、明暗、大小、动静等特点的变化而变化。

　　用数字信号（Digital Signal）可不是这么刻板，它要灵活得多。它是用一系列断续变化的电压脉冲（如我们可用恒定的正电压表示二进制数的1，用恒定的负电压表示二进制数的0），或光脉冲来表示事物的色彩、明暗、大小、动静等特点。当然，不可能仅用一位数，0或1，来表示复杂的事物，如果仅用0或1，只能表示黑或白这种两极性的内容。要表现丰富的大千世界，我们必须用多位数来表示，例如采用8位编码，从00000000、00000001、00000010、00000011，依次数下去，直到11111111，共有256个数字，如果我们用它们来表示亮度，那么从白到灰，再到黑，我们可以表现出256个量级。比如，我们用00000000表示纯白，比它稍微灰一点点，就用00000001表示，再暗一点，我们用00000010表示，依次下去，到了纯黑的时候我们就用最大的数字11111111来表示。这就形成了一套记录事物从白到灰、再到黑的数字符号体系。摄像机在记录时，白的部分就记下一些00000000，黑的部分就记下一些11111111，灰的部分记下在它们之间的对应的数字。电视机在显示时，收到一个00000000就显示一个白点，收到11111111就显示一个黑点，其他的数字显示不同的灰点。这些白点、灰点、黑点组织在一起就构成了一幅画面。可别小看了这些由1和0组成的数字串，这种记录再现方式的变革绝对是革命性的，其革命性不亚于人类用文字符号取代岩画！

　　人类开始是用绘画来记录和表现这个世界的，绘画是人类记录世界的第一种模拟信号。古代人类在岩壁上画出野兽、粮食和自己的生存状态，但是这种方式只有记录者本人最清楚。在信息的传播过程中，理解和认知这些绘画的人，往往会因为自己的理解能力、认识水平的不同而对绘画内容产生完全不同的理解。另外，绘画者受自己的绘画能力、观察事物的角度所限，在其所绘制的图画中也会存在一些歧义性内容。比如，他画了一只鸡，别人却可能误以为是只鸟。但有了抽象的文字“鸡”的出现，传播中的理解的错误就会大大减少。多数文字笔画轻微的变化，不会影响别人的阅读理解。

　　事实上，模拟的电视信号就如同人类早期的岩画，把要表现的事物一个像素一个像素地用一支电子的笔临摹出来，而数字信号记下的是一大堆有固定含义的数字串，就像人类不再往岩石上画小人儿了，而是用“人”字来表示，这种方式首先产生的就是简洁准确的效果。

　　一方面，由于我们可以采用24位或32位，甚至更多的位数来进行编码，可以把事物的内容分解得更加细腻，同样用这种编码还原出来的事物也就更加准确。另一方面，由于数字信号传递的都是由0和1组成的数字组合，而0和1在传输过程中非常利于识别，不容易出错。因此，数字信号拥有清晰、准确、不易受干扰的特点。

　　模拟信号却不是这样，它显得十分娇气，一点点干扰都受不了。因为模拟信号的不同电压就代表了所表达的事物本身，比如：我们用0.8伏的电压表示一个灰点，当日常生活中的0.4伏的干扰电波叠加在它上面时，就会变成1.2伏，那么电视机就会把这个灰点显示成白点。而日常生活中这些可能产生干扰的电磁波实在太多了，尤其是在我们所处的电器无处不在的时代。

　　而数字信号却要“皮实”很多。比如：我们用0101这四个数字串起来表示灰点，其中的“1”对应的是正0.8伏，“0”对应的是负0.8伏，这样日常生活中的电磁波要想对它产生干扰就会困难很多。即使一个干扰信号叠加在用来表示1的恒定正电压上，把它从0.8伏变为1.6伏，甚至2.6伏，在信号的接收端也依然把它当做1，在它的“字典”里只有0和1，只要不是负电压都是1。除非干扰信号把它减小为负电压，但日常生活中如此大幅度的干扰情况是较少的。

　　所谓的数字电视，就是用这种数字信息记录和再现画面的。

　　把金箍棒塞进耳朵眼儿里

　　虽然数字信号为视频带来了这么多的好处，然而，也正应验了那句老话：有一得则必有一失。

　　数字信号有很多优点，但它的致命缺点是信号占的频率带宽比模拟信号要宽很多。我们知道，传递信号的电视电缆或无线传输系统（天上的卫星转发器、地上的微波中继站）就像是运输石油或自来水的管道，人们常说的带宽其实就是这个管道的口径。而如果人们为了更清晰地表现事物，用高清数字信号来记录、传递图像，其数码率将高达1.18Gbps！即使我们不去追求高清效果，只是把我们现在在电视上看到的标清信号转化为数字信号，其频带也会大大加宽。一路6MHz的普通电视信号数字化后，其数码率将高达167Mbps，不仅对储存器容量要求很大，占有的带宽也将高达80MHz左右，这样将使数字信号失去实用价值。

　　这里又应验了那句老话的下半句：有一失则还会有一得。

　　这就是数字信号可以压缩。大家都知道，电视是通过每秒24幅画面的连续播放，利用人类的视觉暂歇原理形成画面移动感觉的，可以说电视的内容是由一幅幅图片组成的。

　　图片的表示技术目前有两种，一种是矢量图技术，就是通过一些命令或公式，并通过电脑赋值产生图片。由于它无需、也无法压缩，我们不展开谈。另一种是位图技术，我们生活中接触较多的，如数码照片、扫描进电脑的图片都是位图。就是把我们要记录、再现的画面按照横竖的坐标进行切割，切割得越小，清晰度越大。由于它被切割得太小，我们把它称为点阵。电视的画面就是用这种方式一个点一个点组成的点阵。如果我们根据每一个小点的亮度和色彩赋予其一个二进制的数字，那么这个数字就是数字信号了。一幅画面有几十万上百万甚至上千万的这样的数字，我们怎样来压缩他们呢？

　　无损压缩

　　这是一种可以无损还原的压缩。为了便于理解，请你在脑海里勾画一幅蓝天白云的图片，它是由成千上万的白点、灰点和蓝点组成的。对于成千上万的单调重复的蓝色小点而言，与其一个一个地用24位二进制码定义“蓝、蓝、蓝……”，还不如告诉电脑“从这个位置开始存储1117个蓝色小点”来得简洁，而且还能大大节约存储空间。这种方法被称为冗余度压缩方法，也称无损压缩。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。

　　有损压缩

　　这是一种有损失的不可还原的压缩。你可以想象：在辽阔美丽的大地上，夕阳西下，一辆汽车飞奔而来……这样一幅美丽的画面，你在欣赏它的时候，会关心这辆车的车牌号码是多少吗？除非这是一个侦探片，要看清罪犯的作案交通工具，可是这也完全可以通过近景和特写来实现，没有必要达到全景画面也能看清车牌号码的“过分”的高清晰度。也就是说在这样的画面里，丢失个别的数据不会造成太大的影响，这就是有损压缩。有损压缩广泛应用于动画、声音和图像文件的处理，网上好多图片、视频清楚度很低，就是被这种技术压缩的结果。

　　MPEG技术

　　你再想象这样一个情景：一条路上，一个人从远处走来。

　　我们知道，我们看到的这个动态过程其实是每秒24幅画面的连续播放。在1/24秒的短暂时间里，前一幅画面和后一幅画面的变化会很小，也就是说这个人身边的楼房、树木、街道可能根本就没有变化，只是这个人在1/24秒的时间里，胳膊略微动了一点，腿略微动了一点。可以说，只有这点变化是有用的，其他的没有任何变化的信息都是冗余信息。降低电视图像这种时间冗余的有效方法就是只传送相邻帧之间的差值，这样所需传送的信息就会远远小于一帧图像的数据量，这种技术被称为MPEG技术。它是一种软件压缩和硬件辅助的压缩技术，其压缩比较大，有利于降低数据率，节省存储空间和传输带宽。

　　总之，压缩方法有多种多样，目前，压缩技术已经基本满足了压缩比高（有几倍，甚至上千倍）；压缩与解压缩快；算法简单，硬件实现容易；解压缩的图像质量好等实际应用中的基本要求，这些都在动摇着单向广播式的传统电视的优势。

　　待续......

责任编辑：李楠