图像信号系统原理第7章

1、第七章第七章 数字电视与高清晰度电视数字电视与高清晰度电视 7-1 概述概述 7.1.1 数字电视的概念数字电视的概念数字电视：数字电视：将电视信号数字化后进行传输、处理和存储将电视信号数字化后进行传输、处理和存储的系统。的系统。7.1.2 数字电视的优点数字电视的优点(1) 数字电视抗干扰能力强数字电视抗干扰能力强 数字电视采用二进制，在传输过程中在一定程度数字电视采用二进制，在传输过程中在一定程度的失真和受干扰后，并不影响所带的信息。的失真和受干扰后，并不影响所带的信息。(2) 数字电视信号容易进行存储数字电视信号容易进行存储 数字信号可以存储在半导体存储器中，存取速度数字信号可以存储在半

2、导体存储器中，存取速度很高，进行反复的存取后不会失真。很高，进行反复的存取后不会失真。(3) 数字电视稳定可靠数字电视稳定可靠数字电路采用超大规模集成电路，性能稳定可靠。数字电路采用超大规模集成电路，性能稳定可靠。(4) 数字信号易于与其它信号链接数字信号易于与其它信号链接 数字电视信号可以通过计算机网络传送，容易数字电视信号可以通过计算机网络传送，容易进行处理。进行处理。7.1.3 数字电视的发展数字电视的发展1、 模拟彩色电视的问题模拟彩色电视的问题 三大彩色电视制式三大彩色电视制式NTSC制：美国、加拿大、中美州、南美州、日本等制：美国、加拿大、中美州、南美州、日本等PAL制：英国、西欧

3、国家、中国等制：英国、西欧国家、中国等SECAM制：法国、中欧国家、俄罗斯等制：法国、中欧国家、俄罗斯等(1) 模拟电视制式的相似性模拟电视制式的相似性 都使用隔行扫描方式，两场构成一帧都使用隔行扫描方式，两场构成一帧广播图像信号都使用幅度调制方式广播图像信号都使用幅度调制方式声音载波偏置高于图像载波频率，大多使用频率调制声音载波偏置高于图像载波频率，大多使用频率调制都采用残留下边带调制方式都采用残留下边带调制方式都从红绿蓝分量中取得亮度和两个色差信号都从红绿蓝分量中取得亮度和两个色差信号(2) 三大制式的不兼容性三大制式的不兼容性射频信号带宽不同射频信号带宽不同NTSC制使用制使用6MHz

4、带宽带宽 SECAM使用使用8MHz 带宽带宽PAL制有制有6MHz、7MHz、8MHz几种带宽几种带宽视频信号带宽不同视频信号带宽不同NTSC制使用制使用4.2MHz 带宽带宽PAL制有制有4.2MHz、5MHz、 5.5MHz、 6MHz几种带宽几种带宽 SECAM使用使用6MHz 带宽带宽信号的结构不同信号的结构不同色副载波不同色副载波不同NTSC制使用制使用525行，每秒行，每秒30帧帧 PAL、SECAM制使用制使用625行，每秒行，每秒25帧帧 NTSC用用3.57954506MHz PAL用用4.43361875MHz SECAM用用4.40625MHz 和和4.250MHz两个

5、副载波两个副载波声音载波的偏置不同声音载波的偏置不同NTSC偏置偏置4.5MHz PAL偏置偏置5.5MHz 、6MHz 、 6.5MHzSECAM偏置偏置6.5MHz(3) 模拟电视制式的缺陷模拟电视制式的缺陷亮度分解力不足亮度分解力不足 垂直分解力受每帧行数的限制，水平分解力受图像垂直分解力受每帧行数的限制，水平分解力受图像信号带宽的限制。信号带宽的限制。色度分解力不足色度分解力不足 在亮色频谱间置后，亮色信号不能很好地分离，在亮色频谱间置后，亮色信号不能很好地分离，因而会造成相互的干扰。因而会造成相互的干扰。由于利用了大面积着色原理，使色度分解力降低。由于利用了大面积着色原理，使色度分解

6、力降低。亮色串扰亮色串扰亮色增益差亮色增益差 亮度信号的能量主要分布在整个频带的低、中频亮度信号的能量主要分布在整个频带的低、中频部分，而色度信号的能量分布在频带的高频部分。部分，而色度信号的能量分布在频带的高频部分。 由于信道的线性不是很好，导致亮色信号的增由于信道的线性不是很好，导致亮色信号的增益不一直，产生色饱和度失真。益不一直，产生色饱和度失真。 亮色信号通道的带宽不同，产生传输延时不同，亮色信号通道的带宽不同，产生传输延时不同，虽然进行了补偿，但仍有差异，造成亮度和彩色图像虽然进行了补偿，但仍有差异，造成亮度和彩色图像位置的不重合，形成彩色镶边图像。位置的不重合，形成彩色镶边图像。

7、亮色延时差亮色延时差信号传送中时间利用率不充分信号传送中时间利用率不充分 行消隐占行消隐占18.75%，场消隐占，场消隐占8%，有效信息传送率不高。，有效信息传送率不高。通道动态范围利用不充分通道动态范围利用不充分图像信号占用图像信号占用75%的幅度，同步信号占用的幅度，同步信号占用25%的幅度。的幅度。 声音信号只有单声道声音信号只有单声道模拟电视采用的是单声道制式模拟电视采用的是单声道制式不适合磁带、磁盘的多次复制不适合磁带、磁盘的多次复制 对模拟信号，在对信号的复制和处理过程中，噪声功率对模拟信号，在对信号的复制和处理过程中，噪声功率会不断累加，播出节目一般不使用复制四代以上的磁带。会不

8、断累加，播出节目一般不使用复制四代以上的磁带。宽高比不适合人眼的视觉特性宽高比不适合人眼的视觉特性 制定模拟电视制式时，采用了制定模拟电视制式时，采用了35mm电影的电影的4:3宽高比，宽高比，而人眼适合的宽高比是而人眼适合的宽高比是16:9。(4) 改良彩色电视制式改良彩色电视制式 在接收端将视频基带信号进行在接收端将视频基带信号进行A/D转换，使用帧存储器，转换，使用帧存储器，利用数字信号处理技术实现逐行扫描，以提高图像的垂直利用数字信号处理技术实现逐行扫描，以提高图像的垂直分解力。分解力。 EDTV： 在在 IDTV的基础上，在消隐期间加入消除重影基准信号，的基础上，在消隐期间加入消除重

9、影基准信号，并将宽高比改成并将宽高比改成16:9，使用数字梳状滤波器，使图像质量得，使用数字梳状滤波器，使图像质量得到较大的改善。到较大的改善。IDTV：Multiplexed Analogue Components 制式制式MAC是一种亮色时分复用的模拟电视制式是一种亮色时分复用的模拟电视制式 利用数字技术将亮度信号按利用数字技术将亮度信号按3:2进行时间压缩，将色度进行时间压缩，将色度信号按信号按3:1进行时间压缩。进行时间压缩。 在一行时间中，前在一行时间中，前1/3轮流传送两个色差信号，后轮流传送两个色差信号，后2/3传传送亮度信号，完全避免了亮色信号共用频带的各种缺陷。送亮度信号，完

10、全避免了亮色信号共用频带的各种缺陷。 在行消隐期间内以数字方式传送在行消隐期间内以数字方式传送4 路准瞬时压缩编码路准瞬时压缩编码的声音信号。的声音信号。MAC仅用于卫星传送，与现行模拟制式不兼容。仅用于卫星传送，与现行模拟制式不兼容。(5) Hivision高清晰度电视高清晰度电视 将每帧扫描行数提高到将每帧扫描行数提高到1125行行/60场场/2:1(隔行扫描隔行扫描)/画面宽高为画面宽高为16:9，亮度信号带宽为，亮度信号带宽为20MHz，色差信号带，色差信号带宽为宽为7.5MHz或或5.5MHz，用，用PAL制的编码方式，总带宽制的编码方式，总带宽30MHz。声音为前。声音为前3后后1

11、。在。在1985年定名为年定名为HDTV。由于带宽太宽，无法在现行制式的电视频道中传送。由于带宽太宽，无法在现行制式的电视频道中传送。 将亮度信号经将亮度信号经4:3时间压缩后，成为时间压缩后，成为30MHz带宽；将带宽；将两个色度信号经两个色度信号经4:1时间压缩后，也成为时间压缩后，也成为30MHz的带宽；的带宽；然后用然后用MUSE(多重亚取样编码多重亚取样编码)技术实现技术实现4:1的压缩，亮的压缩，亮度和两个色差信号的带宽都是度和两个色差信号的带宽都是8.1MHz的带宽。的带宽。 由此构成的电视广播制式称为由此构成的电视广播制式称为Hivision制式，在制式，在24MHz带宽的卫星

12、频道中调频广播。带宽的卫星频道中调频广播。7-2 数字电视信号的产生与信源编码数字电视信号的产生与信源编码7.2.1、电视信号的数字化、电视信号的数字化数字电视的编码过程：数字电视的编码过程：A/D转换转换数字电视的解码过程：数字电视的解码过程：D/A转换转换1、模拟电视信号的数字化、模拟电视信号的数字化PCM (脉冲编码调制脉冲编码调制) 编码和解码编码和解码模拟信号模拟信号取样脉冲取样脉冲脉冲幅度调制信号脉冲幅度调制信号PAM不归零串行数字信号不归零串行数字信号NRZ取样序列取样序列量化序列量化序列编码序列编码序列频谱频谱电视信号频谱电视信号频谱抽样脉冲频谱抽样脉冲频谱理想抽样理想抽样PA

13、M信号频谱信号频谱滤波器特性滤波器特性抽样定理：抽样定理：fs2fm2、 视频信号的编码方案与参数确定视频信号的编码方案与参数确定1)、全电视信号编码、全电视信号编码将全电视信号转变成将全电视信号转变成PCM数字信号数字信号(1) 取样结构取样结构正交结构正交结构行交叉结构行交叉结构(2) 取样频率取样频率 fS满足抽样定理：满足抽样定理：fS2 fm =16MHz满足正交结构：满足正交结构：fS= n fH 有利于帧内和帧间的信号处理有利于帧内和帧间的信号处理满足与色度信号副载波的差拍满足与色度信号副载波的差拍 | fS q fSC|=0对对PAL制有制有 fSC= (283+3/4) fH

14、+25 = (283+3/4+25/ fH) fH取取q = 4，则有：，则有：fS =4 fSC=(1135+100/fH) fH =(1135+4/625) fHn=1135.0064 1135 满足正交结构满足正交结构fS = (1135+4/625) fH=17.734475MHz 满足抽样定理满足抽样定理(3) 编码位数编码位数 对于现行的电视图像，编码位数取对于现行的电视图像，编码位数取8位，有位，有256个个量化层就够了。量化层就够了。则数字信号的码率为：则数字信号的码率为： fS 8bit =4 fSC 8bit =4 4.43 106 8bit=141.76 106bit /

15、s=16.9MBps一帧的数据量为：一帧的数据量为：5.67 106 bit=692KByte2)、分量信号编码、分量信号编码将将Y、U、V信号或信号或R、G、B信号进行编码信号进行编码(1) 亮度信号取样频率亮度信号取样频率兼顾不同国际格式：兼顾不同国际格式：满足抽样定理：满足抽样定理：fY2fm=12MHz满足正交结构：满足正交结构：fY= n fH625行行/50场格式：场格式： fH=15625Hz525行行/59.94格式：格式： fH=15734.25Hz最小公倍数是最小公倍数是2.25MHz，因此，因此 fY = m 2.25MHz国际无线电咨询委员会国际无线电咨询委员会(CCI

16、R)建议：建议：m =6则则 fY = 13.5MHz(2) 色度格式色度格式86415625105 .136对对625行行/50场格式的亮度信号，每行取样点数为场格式的亮度信号，每行取样点数为对对525行行/60场格式的亮度信号，每行取样点数为场格式的亮度信号，每行取样点数为85825.15734105 .136对两个色差信号的取样有如下格式：对两个色差信号的取样有如下格式：4:2:2格式：格式：fY: fR: fB= 4:2:2 即即fR= fB=6.75MHz4:1:1格式：格式：fY: fR: fB= 4:1:1 即即fR= fB=3.375MHz(3) 数字有效行数字有效行图像信号在

17、扫描的正程，因此只有在扫描正程的取图像信号在扫描的正程，因此只有在扫描正程的取样信号才是有效的，是应该进行存储和处理的。样信号才是有效的，是应该进行存储和处理的。规定：规定：对两种图像格式，亮度信号在正程中取对两种图像格式，亮度信号在正程中取720个点，个点，色度信号取色度信号取360个点。个点。(4) 编码位数和排列编码位数和排列亮度信号归一化为：亮度信号归一化为：0到到1间间色差信号归一化为：色差信号归一化为：-0.5到到+0.5间间对两个色差信号需要进行压缩，结果为对两个色差信号需要进行压缩，结果为亮度信号：亮度信号：Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B红差信号：红差信号：R

18、Y = 0.5R 0.42G 0.08B蓝差信号：蓝差信号：BY = 0.17R 0.33G + 0.5B 编码编码亮度信号为亮度信号为8位自然二进制码位自然二进制码色差信号为色差信号为8位偏移二进制码：位偏移二进制码：-0.5对应对应00对应对应128+0.5对应对应255传输顺序传输顺序(4:2:2)(B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y) 其中其中(B-Y)Y(R-Y)是同一取样点的数据，而是同一取样点的数据，而(Y)是只有亮度的取样点数据。是只有亮度的取样点数据。7.2.2 频带压缩编码频带压缩编码将电视信号数字化后产生的问题：将电视信号数字化后产生的问题：海量的数据造

19、成存储和传输上的困难。海量的数据造成存储和传输上的困难。例：例：4:2:2分量编码的码率为分量编码的码率为(13.5 +2 6.75) 8=216Mbps如果用如果用1.5bit/Hz进行调制，需要带宽进行调制，需要带宽144MHz。解决海量的数据困难的方法：采用压缩编码解决海量的数据困难的方法：采用压缩编码1、概述、概述压缩编码的基础压缩编码的基础1)、图像数据的冗余、图像数据的冗余(1) 空间冗余空间冗余在图像序列中相邻行和相邻帧有较大的相关性。在图像序列中相邻行和相邻帧有较大的相关性。在一幅图像中规则的物体和规则的背景有较大的相关性。在一幅图像中规则的物体和规则的背景有较大的相关性。(2

20、) 时间冗余时间冗余(3) 结构冗余结构冗余图像从大面积上看，存在着纹理结构。图像从大面积上看，存在着纹理结构。(4) 视觉冗余视觉冗余人眼视觉分辨能力的限制使有些信息是不必要的。人眼视觉分辨能力的限制使有些信息是不必要的。2)、人眼视觉限制、人眼视觉限制(1) 亮度辨别阈值亮度辨别阈值当景物的亮度在背景亮度的基础上增加很少当景物的亮度在背景亮度的基础上增加很少时，人眼是辨别不出来的，只有当亮度增加到某时，人眼是辨别不出来的，只有当亮度增加到某一数值时，人眼才能感觉亮度有变化。人眼刚刚一数值时，人眼才能感觉亮度有变化。人眼刚刚能察觉亮度变化的值称为亮度辨别阈值能察觉亮度变化的值称为亮度辨别阈值

21、(2) 视觉阈值视觉阈值视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值，低于它就察觉不出来，高于它才能看得门限值，低于它就察觉不出来，高于它才能看得出来，这是一个统计值。出来，这是一个统计值。(3) 空间分辨力空间分辨力空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。对于静止图像或变化缓慢的图像，在适当的亮度下，对于静止图像或变化缓慢的图像，在适当的亮度下，视觉具有较高的空间分辨力；而对于活动图像，视觉视觉具有较高的空间分辨力；而对

22、于活动图像，视觉的空间分辨力减低，并随目标运动速度的增大而迅速的空间分辨力减低，并随目标运动速度的增大而迅速下降。下降。(4) 掩盖效应掩盖效应“掩盖效应掩盖效应”是指人眼对图像中量化误差的敏感程是指人眼对图像中量化误差的敏感程度，与图像信号变化的剧烈程度有关。人眼对图像中度，与图像信号变化的剧烈程度有关。人眼对图像中误差的辨别能力受误差的辨别能力受“掩盖效应掩盖效应”的影响，亮度变化越的影响，亮度变化越剧烈，在轮廓和边沿处的量化误差越容易被掩盖；相剧烈，在轮廓和边沿处的量化误差越容易被掩盖；相反则越容易被察觉。反则越容易被察觉。2、图像编码技术、图像编码技术(1) 基于图像信源统计特性的压缩

23、方法基于图像信源统计特性的压缩方法(2) 基于人眼视觉特性的压缩方法基于人眼视觉特性的压缩方法有预测编码、变换编码、矢量量化编码、有预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带子带-小波编码和神经网络编码等。小波编码和神经网络编码等。有方向滤波图像编码和图像轮廓有方向滤波图像编码和图像轮廓-纹理编码纹理编码法等。法等。(3) 基于图像景物特征的压缩方法基于图像景物特征的压缩方法有分形编码法和模型编码法等。有分形编码法和模型编码法等。1) 预测编码预测编码niininxax1减小空间和时间冗余信息的编码方法减小空间和时间冗余信息的编码方法取样序列取样序列量化后的序列量化后的序列预测值预测值:预测系数预

24、测系数nnnexx量化后的预测误差量化后的预测误差仅对预测误差编码，码率将下降仅对预测误差编码，码率将下降预测误差预测误差线性预测线性预测以前各点量化值的线性组合以前各点量化值的线性组合DPCM 编码编码 采用线性预测，由于减小了信号的动态范围，使编采用线性预测，由于减小了信号的动态范围，使编码后的码率下降，但编码的方法将决定压缩的程度。码后的码率下降，但编码的方法将决定压缩的程度。(1) 预测误差的统计特性预测误差的统计特性 预测统计误差的概率分布预测统计误差的概率分布集中在集中在 0 附近的一个小范围内，附近的一个小范围内，近似满足近似满足Laplace分布分布|)|2exp(21)(ne

25、eneep实验表明：用实验表明：用8bit量化，分层数为量化，分层数为M=256，预测误差，预测误差的绝对值在的绝对值在1618以下的像素占以下的像素占(80%90%)以上。以上。(1) 非均匀量化编码非均匀量化编码 对幅值小的范围，量化间距小；对大幅值的范围，对幅值小的范围，量化间距小；对大幅值的范围，量化间距大。量化间距大。非均匀量化用非均匀量化用5位编码可达到均匀量化位编码可达到均匀量化8位编码的效果。位编码的效果。(2) 可变字长编码可变字长编码iipCn2log用均匀量化编码，对出现概率大的小差值信号的用均匀量化编码，对出现概率大的小差值信号的编码位数编码位数 n 小；对出现概率小的

26、大差值信号的编码位小；对出现概率小的大差值信号的编码位数数n大。大。编码位数编码位数 n 随信号出现的概率而变化，取随信号出现的概率而变化，取Pi 是第是第 i 个数字信号出现的概率，个数字信号出现的概率，C是负常数。是负常数。平均码长：平均码长：kiiikiiipCpnpn121log2) 变换编码变换编码编码原理：编码原理：将图像中的像素按区域分成一些包括将图像中的像素按区域分成一些包括MN个像素个像素的许多方块，这些像素点的取样值构成一个矩阵。的许多方块，这些像素点的取样值构成一个矩阵。将数值矩阵进行正交变换，将变换后的数值进将数值矩阵进行正交变换，将变换后的数值进行编码后再发送出去。行

27、编码后再发送出去。在变换后，对幅度大的部分用高位数编码，对幅在变换后，对幅度大的部分用高位数编码，对幅度小的部分用低位数编码，根据统计规律，平均字长度小的部分用低位数编码，根据统计规律，平均字长和总码长都会下降。和总码长都会下降。3) 其他压缩码率的措施其他压缩码率的措施 (1)、亚奈奎斯特取样、亚奈奎斯特取样 fs = 2 fm称为奈奎斯特频率，大于此频率的取样称为奈奎斯特频率，大于此频率的取样称为奈奎斯特取样。在取样时若小于此频率，将产称为奈奎斯特取样。在取样时若小于此频率，将产生频谱混叠失真。生频谱混叠失真。 在特殊情况下，如果频谱混叠可以用特殊的滤波在特殊情况下，如果频谱混叠可以用特殊

28、的滤波器分开器分开(如亮度信号的频谱交错如亮度信号的频谱交错)，则取样频率可以小，则取样频率可以小于奈奎斯特频率于奈奎斯特频率 由于取样频率降低，编码数据率也随之降低，由于取样频率降低，编码数据率也随之降低，实现对数据压缩的目的。实现对数据压缩的目的。(2)、同步信号的编码、同步信号的编码 在电视信号的逆程中，只有同步信号和消隐信号、在电视信号的逆程中，只有同步信号和消隐信号、色同步信号。色同步信号。 由于信息量很少，没有必要对波形进行取样编码，由于信息量很少，没有必要对波形进行取样编码，也不必逐场逐行地传送这些信息。也不必逐场逐行地传送这些信息。 每行只要用每行只要用2030bit传送定时信

29、号，每场只要在传送定时信号，每场只要在12行中传送色同步信号。行中传送色同步信号。7-3 电视信号的数字处理电视信号的数字处理 7.3.1概述概述 数字信号处理的特点数字信号处理的特点 容易进行算术运算、逻辑运算，以实现信号容易进行算术运算、逻辑运算，以实现信号的放大、衰减、叠加、限幅、箝位等。的放大、衰减、叠加、限幅、箝位等。 容易进行存储和延时，信号的延时可以完全容易进行存储和延时，信号的延时可以完全由外部定时信号来确定，有很好的精度，无失真。由外部定时信号来确定，有很好的精度，无失真。 能够实现对图像的各种显示特殊效果的处理，能够实现对图像的各种显示特殊效果的处理，如几何变换、细化、粗化

30、、图像增强等等。如几何变换、细化、粗化、图像增强等等。7.3.2 数字滤波器数字滤波器 1、数字滤波器的作用、数字滤波器的作用 数字滤波器可以实现模拟滤波器的各种功能，并具数字滤波器可以实现模拟滤波器的各种功能，并具有更好的性能。有更好的性能。 频带限制、高频提升、高低频信号提取、信号分离频带限制、高频提升、高低频信号提取、信号分离和解调、动态信道均衡、消除重影等。和解调、动态信道均衡、消除重影等。例如：例如：2、数字滤波器的基本结构和原理、数字滤波器的基本结构和原理 常用数字滤波器常用数字滤波器(FIR)结构如下：结构如下：)()()()(10NTnTxCTnTxCnTxCnTySNSSS延迟电路延迟电路 延迟时间延迟时间T 可以是取样周期可以是取样周期TS、行周期、行周期TH等，等，C0、C1、C2、C3、CN为加权系数。为加权系数。设设T=TS 则则NkkTknxCnTy0)()()()(mTmTx10()00mmTm如果输入为单位脉冲序列，如果输入为单位脉冲序列，则输出为则输出为NkkTknCnT