现代通信网络课件2

1、现代通信网络现代通信网络 Modern Telecommunication NetworkLecture 2IPTV 原理与技术原理与技术北邮软件学院：陈候武北邮软件学院：陈候武C电话：电话ommunication Networks 【通信网络的分类通信网络的分类】Communication NetworkSwitchedCommunication NetworkVirtual Circuit Network: MPLSBroadcastCommunication Network 广播，电视，卫星广播，电视，卫星Packet Switch(PS) - 分组交换分组交换

2、Datagram Network: Internet: IP因特网因特网Circuit-Switched(CS) - 电话电话三网融合之三网融合之 NGBNext Generation Broadcasting Network NGB -下一代广播电视网下一代广播电视网 lNGB以有线电视网数字化整体转换和移动多媒体以有线电视网数字化整体转换和移动多媒体广播（广播（China Mobile Multimedia Broadcasting，简称简称CMMB）的成果为基础；）的成果为基础；l以以“高性能宽带信息网高性能宽带信息网”（3TNet）自主创新的）自主创新的核心技术为支撑；核心技术为支撑；

3、l将电信网、计算机网和有线电视网三网融合，有将电信网、计算机网和有线电视网三网融合，有线线/无线相结合，全程全网的下一代广播电视网无线相结合，全程全网的下一代广播电视网 高性能宽带信息网高性能宽带信息网 - 3TNetl 3TNet：Terabit【兆位兆位】p T比特的路由、比特的路由、p T比特的交换比特的交换p T比特的传输比特的传输 l NGB具备“T级骨干、千兆进楼、百兆到户”的网络承载能力；l 能轻松实现高速宽带、高清互动电视、多媒体通讯、家庭金融、远程互动教育、电视游戏、智能家庭等三网融合全业务运营;l 满足未来每个家庭“出门就上高速路”的信息服务需求 Televisions D

4、evelopment Historyl1930 Black and White TVl1950 Cable TV (CATV -有线电视 ) l1954 Color TV broadcastingl1973 Giant-screen projection color TV (背投）l1982 Surround sound is introducedl1986 Satellite TV broadcastingl1994 Digital Satellite TV l1996 Web TVl1998 Digital TV/HDTV广播电视节目分类：广播电视节目分类：l 有线电视广播（有线电视广播（

5、CATV-Cable TV）：）：p 模拟信号（模拟信号（PAL, NTSC）p 数字信号数字信号 （DVB-C）p 信道有限：信道有限：“定点发送、群点接收定点发送、群点接收”的通信方式的通信方式 - 只有分配，不只有分配，不存在交换存在交换，因而，限制了网络容量的扩展。，因而，限制了网络容量的扩展。 IPTV：p在数据信道传输信号（在数据信道传输信号（MPEG，AVS）p 信道无限信道无限 组成组成 IP网络的节点采用网络的节点采用IP选路和交换，使得选路和交换，使得IP网络的网络的容量理论上可以无限扩容。其上的容量理论上可以无限扩容。其上的IP业务也是不受限制。业务也是不受限制。电视电视

6、TV基本构成基本构成 - TVl 数字电视分为三个部分数字电视分为三个部分:1. 视频源的采集，例如用摄像机录下图像；视频源的采集，例如用摄像机录下图像；2. 视频信号压缩编码视频信号压缩编码/通过线路通过线路(有线有线/无线的无线的)传到用户家中传到用户家中3. 信号在用户家中的数字电视上解码并重现信号在用户家中的数字电视上解码并重现到用户眼前到用户眼前 DVB数字电视：编数字电视：编/解码器在网络中的位置解码器在网络中的位置 广播电视：模拟信号（广播电视：模拟信号（PAL：NTSC）Composite Video Standards(复合视频标准)lNTSC National Televi

7、sion Standards CommitteelPAL Phase Alternating LinelSECAM Sequential Color And MemoryBroadcast TV: Source Modell Source model:lEach scene is scanned periodically, clocked by a sync pulse. lThe result is a composite signal, with a digital sync and an analog signal for the video framelBetween one scan

8、 and the next (may be a full frame， or interlacing 间行), the display CRT is turned off (binary blanking interval）p 30 frames per sec, 60 fields per secsync pulse present for each line, plus for each screen (2 fields) - i.e. horizontal and vertical.l p Bandwidth 6Mhzp video carrier 1.25Mhz +/- 1000 Hz

9、p audio carrier 4.5 Mhzp Aspect (外表外表) ratio 4:3 ( horizon:vertical)USA: 北美标准北美标准广播电视信道：广播电视信道：NTSC频谱分配频谱分配 l6MHz (U.S.A) NTSC 标准l6MHz channel can support about 20-30Mbps data rate using sophisticated modulation techniques (e.g.,QAM or VBS)lTo broadcast digital HDTV over 6MHz channel, we need about

10、663.5:20 = 34:1 compressionlA single 6MHz TV channel can support：p4 or 5 standard resolution digital TV programs p 每个节目：(at 4 - 5 Mbps each)中国中国广播电视信号频谱结构广播电视信号频谱结构：8MHzl 中国广播电视信号：每一路电视节目所占的频带为8MHl 电视信号在通过无线广播发射或有线传输时，调制原理：p图像信号采用残留边带调幅；p对伴音信号采用调频的发送方式。中国电视信道：中国电视信道：PAL 频谱分配频谱分配 l中国：采用欧洲PAL标准标准：每一路

11、电视节目- 频带8MHzl无线电视频谱：4 958 MHz 范围内 划分5个频段：pI 频段：电视广播 【1 5】 频道pII频段：调频广播和通信专用 【中国移动 800MHz GSM】pIII频段：电视广播 6 12 频道pIV频段：电视广播 13 24 频道pV频段：电视广播 25 68 频道l1 -12 频道为VHF 甚高频段l13 68 频道：UHF 特高频道l开路广播电视： Wireless TVl有线广播电视：CATV - Cable TV ：闭路广播电视Electromagnetic Spectrum 电磁频谱图电磁频谱图 欧洲：欧洲：8 MHz (Europe) PAL标准标准

12、lDVB-C(Cable)规定了在有线电视网中传播数字电视的调制标准，工作频率在10GHz以下l它具有16、32、64QAM三种调制方式，其传输数据率高，误码率低，l在HFC（光纤同轴混合电缆）中采用64QAM调制方式，一个标准的【8M电视频道】传数据率可达40Mbps，l使原来传送一套【PAL制制】节目的频道可以传播四至六套数字电视节目，广播电视：扫描成像原理广播电视：扫描成像原理Progressive Scan (P - 逐行扫描逐行扫描: 720p)lEach frame is made up of lines (vertical sampling)lHorizontal retrace

13、: Vertical retraceInterlaced Scan (I - 隔行扫描: 1080i)l A frame is split into two fields;l a tradeoff between temporal 时间 and vertical resolutionVideo Interlaced ScanningInterlaced Scan (i - 隔行扫描: 1080i) lWish to go from 625 line to twice resolution (approx 35mm film)laspect ratio change too to 16:9 in

14、stead of 4:3llots of proposalsldeployment costs (esp. digital) very highlmay include data muxing on channel (at quite high rate, even compared to CATV.lCATV Cable TVlHDTV的高清晰主要表现在它支持的高清晰主要表现在它支持1280720，19201080和和19201080三种显示模式三种显示模式lHDTV的视频信号采用的视频信号采用MPEG-2进行压缩。进行压缩。 高清晰度电视高清晰度电视 HDTV：分类：分类l（美国电影电视工

15、程协会）将（美国电影电视工程协会）将数字高清信号，数字电视扫描线的不同分数字高清信号，数字电视扫描线的不同分为：为：l：【 19201080 p】l：【 19201080 i】l：【 1280720 】l是，隔行扫描是，隔行扫描l是，逐行扫描是，逐行扫描高清晰度电视高清晰度电视 HDTV （2）l1080i和和720p同是国际认可的数字高清晰同是国际认可的数字高清晰度电视标准度电视标准 l原原NTSC国家采用的是国家采用的是 1080i/60 Hz格式，格式，同同NTSC模拟电视场频相同。模拟电视场频相同。l而欧洲以及中国等一些原而欧洲以及中国等一些原PAL制国家则采制国家则采用了用了1080

16、i/50 Hz模式，场频同模式，场频同PAL模拟电模拟电视相同。视相同。l中国的彩电已从：中国的彩电已从：1080i到到720p再到再到1080p 1080i 和和 720P：lI - 隔行就像百叶窗，是不完整的图像，隔行就像百叶窗，是不完整的图像，lP - 逐行才是一次显示一幅完整的画面。逐行才是一次显示一幅完整的画面。l而而1080、720则代表垂直方向所能达到的则代表垂直方向所能达到的分辨率分辨率l尽管尽管1080i 可以提供更高的象素（可以提供更高的象素（207万），万），比比720p的的92万高出不少，但是画面稳定度万高出不少，但是画面稳定度则则720P更具有优势。更具有优势。前沿技

17、术：前沿技术：1080Pl是美国电影电视工程师协会是美国电影电视工程师协会（）制定的最高等级高清数字（）制定的最高等级高清数字电视的格式标准，有效显示格式为：电视的格式标准，有效显示格式为：l，l像素数达到万。像素数达到万。l是一种在逐行扫描下达到是一种在逐行扫描下达到的分辨率的显示格式。是的分辨率的显示格式。是数字电影成像技术和计算机技术的完美融数字电影成像技术和计算机技术的完美融合。合。 广播电视：数字信号（广播电视：数字信号（DVB - C）Digital Video Broadcasting - CableDVB Overview 【1】l DVB（Digital Video Broa

18、dcasting）数字视频广播，是一种新型的电视广播系统，l DVB的所有标准和蓝皮书都是由欧洲的一个法定标准化组织：欧洲电信标准协会（ETSI）颁布的。l DVB组织认为要以市场的商业需求指导标准制订，设计一个通用的数字电视系统，此系统与各种传输方式之间的转接有最简单的方式，尽可能的增加通用性；l DVB组织选定MPEG-2作为音频及视频的编码压缩方式，对信号源进行统一编码;l 经压缩后的 MPEG-2 码流再打包形成传输流(TS)，进行多个传输流复用；DVB Overview 【2】l DVB信道传输部分则根据信道不同而分为信道传输部分则根据信道不同而分为:卫星卫星 (DVB-S) - S

19、atellite 有线电视有线电视 (DVB-C) - Cable 开路电视开路电视 (DVB-T) 手持移动终端（手持移动终端（DVB-H）、）、 卫星共用天线（卫星共用天线（DVB-SMATV）、）、 多点分配系统（多点分配系统（DVB-MS）和）和 DVB-MCDVB-C：数字电视系统的工作原理：数字电视系统的工作原理DVB-C【发射机发射机】端：信号流程端：信号流程1. 信源编码信源编码：l对输入的模拟音对输入的模拟音/视频信号及数据信号进行采样、视频信号及数据信号进行采样、量化、编码的量化、编码的A/D转换处理；转换处理；l再按照再按照MPEG-2标准进行压缩编码及数字化处标准进行压

20、缩编码及数字化处理过程；理过程；l信源编码通过各种编码方式尽可能地去除信号信源编码通过各种编码方式尽可能地去除信号中的冗余信息，提高数字通信的传输效率中的冗余信息，提高数字通信的传输效率 2. 基本流：基本流：ES - Elementary Stream lMPEG-2 标准可分为三部分：视频、音频和系统；标准可分为三部分：视频、音频和系统；lMPEG-2 视频、音频编码是针对每一路电视信号的图像视频、音频编码是针对每一路电视信号的图像和伴音进行的和伴音进行的l其中：某一路节目的视频、音频或其他数据经过其中：某一路节目的视频、音频或其他数据经过MPEG-2信源编码后即形成音、视频和数据基本码流

21、信源编码后即形成音、视频和数据基本码流ES；l系统层再将不同的系统层再将不同的ES流加包头（含有包标识符流加包头（含有包标识符PID）打）打包（即分组）成为分组基本码流包（即分组）成为分组基本码流PESlES - Elementary StreamlPES - Packetized Elementary Stream2.1 MPEG-2 系统传输层结构系统传输层结构 2.2 MPEG-2 码流码流l PES流的包长度可变的，包括：流的包长度可变的，包括：p视频通常是一帧（即一幅图像）一个包；视频通常是一帧（即一幅图像）一个包；p音频包长度通常为一个音频帧，不超过音频包长度通常为一个音频帧，不超

22、过64KB l 打包的视频、音频基本码流再经过复用打包，可打包的视频、音频基本码流再经过复用打包，可形成两种不同的码流，即：形成两种不同的码流，即：p节目流节目流PS（Program Stream）p传送流传送流TS（Transport Stream）。）。3. 节目复用节目复用：l将属于某一路节目的所有视频将属于某一路节目的所有视频PES包、音频包、音频PES包和其他辅助数据的包和其他辅助数据的PES包按照包按照MPEG-2编编码规范，按一定的比特率复合成为码规范，按一定的比特率复合成为【单路单路】的的节目传输流（节目传输流（SPTS）即称为节目复用；）即称为节目复用；lSPTS中包含了某一

23、路节目的所有音、视频信息中包含了某一路节目的所有音、视频信息和辅助信息。和辅助信息。lSPTS - Single Program Transport Stream 4. 系统复用原理：系统复用原理：- 【1】l在在DVB-C数字电视广播中，一路模拟电视信号信道中可数字电视广播中，一路模拟电视信号信道中可传输多路数字电视节目；传输多路数字电视节目；l在数字电视信号调制前要将多路数字电视节目的传输流在数字电视信号调制前要将多路数字电视节目的传输流TS 进行再复用；进行再复用；l将多路节目传输流（将多路节目传输流（MPTS）复合为一路单一的）复合为一路单一的【传输传输码流：码流：TS】的过程称为的过

24、程称为【系统复用系统复用】l通常一个通常一个【TS TS 流流】由多个节目及业务组成；由多个节目及业务组成；l在在TSTS流中如果没有引导信息，数字电视的终端设备将无流中如果没有引导信息，数字电视的终端设备将无法找到需要的码流法找到需要的码流 - -（用户看那个台的节目）（用户看那个台的节目）lMPTS - Multi Programs Transport Stream 4.1 单路传输码流（单路传输码流（SP-TS）帧结构）帧结构 4.2 传输码流（传输码流（TS）的帧结构）的帧结构 -【1】l 传输码流TS的帧长度定义为 188个字节（204字节的格式仅仅是在188字节的Packet后部加

25、上16字节的CRC数据,其他格式是一样的)l 每个传输流的前4个字节为字头（Header）： 其中：13位的 PID是用来辨别码流信息性质的关键 PID （Packet Identifier）标识特定的电视节目和服务信息（SI）l 字头后面就是需要传送的有用信息，包括音频、视频或数据信息，通常是 184个字节长度4.3 PSI: Program Specific Information节目节目l 在MPEG-2中，专门定义了4个PSI（Program Specific Information）【节目专用信息节目专用信息】，包括：p 节目关联表节目关联表 PAT (Program Associa

26、tion Table)，p 条件访问表条件访问表 CAT (Conditional Access Table)，p 节目映射表节目映射表 PMT (Program Map Table)，p 网络信息表网络信息表 NIT (Network Information Table)，l 这些PSI包含了进行多路解调和显示节目的必要的和足够的信息，其作用是自动设置和引导【接收机接收机】进行解码；l PSI信息在复用时通过复用器插入到TS流中，并用特定的包标识符PID（Packet Identifier）进行标识l PSI的数据包必须周期性的出现在传输流中，PSI数据的完整性十分重要，因此在每个PSI段中

27、均需要加校验码。4.4 PSI信息的内在逻辑关系信息的内在逻辑关系 l 包标识符PID（Packet Identifier）的【PID 0】是： 节目节目关联表关联表 PAT (Program Association Table)p节目节目 【0 | 16 】: 指向指向 NIT 网络信息表网络信息表p节目节目 【1 | 22 】: 指向指向 PMT 节目映射表节目映射表 p节目节目 【3 | 33 】: 指向指向 PMT 节目映射表节目映射表 l 包标识符PID（Packet Identifier）的【PID 1】是：条件条件访问表访问表 CAT (Conditional Access Ta

28、ble)p l END包标识符包标识符PID4.5 MP-TS多路节目传输流多路节目传输流: 系统复用原理：系统复用原理：5. 加扰：加扰：l基于数字比特流中的基于数字比特流中的“0”和和“1”的概率相等的假的概率相等的假设，传输系统首先采用随机化电路对输入的设，传输系统首先采用随机化电路对输入的TS流流进行随机化扰乱；进行随机化扰乱；l使传输流中传输的使传输流中传输的“0”和和“1”不再按照原始不再按照原始TS流流中信息（可能出现一长串的中信息（可能出现一长串的“0”或或“1”）中的顺）中的顺序传输，以实现对传输功率频谱的分散；序传输，以实现对传输功率频谱的分散；l 实现了信号的能量扩散，即

29、加扰，也叫随机化。实现了信号的能量扩散，即加扰，也叫随机化。6. 信道编码信道编码 - （1）l 信道编码：信道编码：也叫纠错编码纠错编码，是为了增强数字信号对在长距离传输过程中产生的码元失真（误码）和传输信道受各种噪声干扰的抵抗能力，提高数字通信传输的可靠性而采取的措施；p 信道编码是通过牺牲信息传输效率传输效率来换取传输可靠性的提高；p 基本思想是：在所要传输的信息序列上附加一些码元，附加码元与信号的信息码元之间以某种确定的规则（各种纠错码的编码方式）相关联。p 接收端按照这种关联规则对接收的码元进行校验，一旦确定码元之间的确定关系受到破坏，便按照既定规则来恢复原有的码元间关系，从而达到纠

30、正误码的目的。6. 信道编码信道编码 - （2）l 数字电视通常采用前向纠错编码数字电视通常采用前向纠错编码FEC方式，包括四个部分：方式，包括四个部分：能量扩散、能量扩散、 RS编码、编码、 交织和交织和 卷积编码卷积编码l 这种纠错方式中，接收端能够根据接收到的码元自动检出这种纠错方式中，接收端能够根据接收到的码元自动检出错误并纠正错误；错误并纠正错误；l 由于纠错编码时在原有的由于纠错编码时在原有的TS包中加入了纠错码，因此经包中加入了纠错码，因此经信道编码后信道编码后TS包的固定长度由包的固定长度由188字节增加为字节增加为204字节字节。7. 数字调制：数字调制：l 数字调制是指为了

31、提高频谱利用率，把数字调制是指为了提高频谱利用率，把【宽带宽带】的基带数的基带数字信号变换成字信号变换成【窄带窄带】的高频载波信号的过程；的高频载波信号的过程；l 由于数字调制是由时间上离散和幅度上离散的数字信号去由于数字调制是由时间上离散和幅度上离散的数字信号去改变高频载波信号的某个参量（频率、相位或幅度），使改变高频载波信号的某个参量（频率、相位或幅度），使载波信号作相应的离散变化，被认为是载波信号是受到了载波信号作相应的离散变化，被认为是载波信号是受到了键控，所以数字调制信号也称为键控信号。键控，所以数字调制信号也称为键控信号。l 数字调制可以对载波的幅度、频率和相位三个特征分量进数字调

32、制可以对载波的幅度、频率和相位三个特征分量进行单独调制，或进行三者之间的联合调制，相应的得到：行单独调制，或进行三者之间的联合调制，相应的得到：p 幅移键控幅移键控 ASKp 频移键控频移键控FSKp 相移键控相移键控PSK，p 幅度相位联合键控或称为正交幅度调制幅度相位联合键控或称为正交幅度调制QAM。l 目前在数字电视传输系统，常用的数字调制方式是目前在数字电视传输系统，常用的数字调制方式是 PSK 和和QAM 方式：方式：p正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输；信噪比高，适合有线电视电缆传输；p 四相

33、相移键控调制（四相相移键控调制（QPSK）：调制效率高，要求传送）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星（途径的信噪比低，适合卫星（DVB-S）广播；）广播；p 残留边带调制（残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好（即消除重）：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播；影效果好），适合地面广播；p 编码正交频分调制（编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。频干扰好，适合地面广播和同频网广播。 DVB常用的数字调制方式常用的数字调制方式数字调制技术基本原理数字调制技术基本原理模拟传输和数字传输模拟传输和数字传

34、输话音话音电电话话模拟模拟数字数字Modem模拟模拟模模拟拟CODEC数数字字数字数字数字传输数字传输数字数字模拟数据模拟数据, 模拟信号模拟信号Analog data, analog signal数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号Digital data, analog signal数字数据，数字信号数字数据，数字信号Digital data, digital signal模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号Analog data, digital signalEncoderDecoderModulatorDemodulator编码和调制基本原理：编码和调制基本原理：l 无论是模拟信息还是

35、数字信息都能编码成模拟信号或数字信号。无论是模拟信息还是数字信息都能编码成模拟信号或数字信号。l 具体选择何种编码方式则取决于需要满足的特殊要求以及可提具体选择何种编码方式则取决于需要满足的特殊要求以及可提供的媒体与通信设施。供的媒体与通信设施。相移键控调制（相移键控调制（PSK）- 原理原理l Phase Shift Keying (PSK) - Phase of carrier signal is shifted to represent dataBinary - PSK Constellation (星座星座)l Binary PSK: 【二相键控调制二相键控调制】pTwo phases

36、 represent two binary digitsDVB-C【接受机接受机】端：信号流程端：信号流程l接收端设备对信号的处理流程正好与广播接收端设备对信号的处理流程正好与广播系统对信号的处理流程相反，即：系统对信号的处理流程相反，即：l数字调谐数字调谐解调制解调制解纠错解纠错解扰解扰解复解复用用MPEG解码解码D/A转换转换音、视频信号。音、视频信号。 DVB-C：关键技术：关键技术MPEG-1/2/4 压缩编码基本原理压缩编码基本原理MPEG：数字电视通信技术标准：数字电视通信技术标准lMPEG, which stands for Moving Picture Experts Grou

37、p, is used for coding audio-visual information in a digital compressed format. lThe MPEG family of standards includes:pMPEG-1 已经过时已经过时pMPEG-2pMPEG-4Video Compression - ClassificationlBroadcast (high bit rate):MPEG-1MPEG-2lVideo Conferencing (low bit rate):H.261H.623lInteractive (full range of bit ra

38、tes):pMPEG-4History of Related StandardsMPEG-1 standardVideo Compression: MPEG-1lMPEG-1 (which includes MP3) was approved in November 1992. lDesigned for storage/retrieval of VHS quality video on CD-ROMlBit rate: 【1.5Mbps】lSimilar Coding scheme to H.261 with:p Random access supportp Fast forward/bac

39、kward supportMPEG-1 standard is composed lPart 1: Systems: addresses the problem of combining one or more data streams from the video and audio parts lPart 2: Video: specifies a coded representation that can be used for compressing video sequenceslPart 3: Audio: specifies a coded representation that

40、 can be used for compressing audio sequencesMPEG-2 standardMPEG-2 标准标准lMPEG-2全称为“运动图像及其伴音的编码”；l其功能：主要针对高清晰度电视( HDTV)所需要的视频及伴音信号；l传输速率为10Mpbs；l适用于1.5 60Mbps甚至更高的编码范围，是为高级工业标准的图像质量以及更高的传输率而设计的，力争获得更高的分辨率( 720*486) ，提供广播级视频和CD级的音频。l它是高质量视频音频编码标准，在常规电视的数字化、高清晰电视H DTV和交互式电视等各个领域都是核心的技术之一l用于【IP网络网络】方面而则需要

41、较高的网络带宽。MPEG-2 系统传输层结构系统传输层结构 p 节目流PS（Program Stream）p 传送流TS（Transport Stream）MPEG-2 标准技术标准技术lMPEG-2 编码技术编码技术 包括：包括：p MPEG-2 视频流层结构p MPEG-2 帧间编码结构p MPEG-2 的类p MPEG-2 运动估值, MPEG-2 【视频视频】流层结构流层结构 - 【1】l 为了便利于误码处理、随机搜索及编辑，MPEG-2用句法定义了1个层次性层次性结构，用于表示视频编码数据，将MPEG-2视频流分为： p图像序列层(VSL)、p图像组层 (GOPL)、p图像层(PL)

42、、p宏块条层(SL)、p宏块层(ML)、p块层(BL)共6个部分l每层都有确定的功能与其对应每层都有确定的功能与其对应 MPEG-2 【视频视频】流层结构流层结构 - 【2】VSL: Video Sequence Layer 图像序列层GOP: Group of Picture Layer 图像组层MPEG-2 【视频视频】帧间编码结构帧间编码结构 - 【1】l 为了在高效压缩编码的条件下、获得可随机存取的高压缩比、高质量图像，MPEG定义了I、P、B三种图像格式，用于表示1/30s时间间隔的帧序列画面pI 图图 - 帧内图帧内图pP 图图 - 预测图预测图pB 图图 - 双向图双向图l 要满

43、足随机存取的要求，仅利用I图本身信息进行帧内编码就可以了；l 要满足高压缩比和高质量图像的要求，单靠I图帧内编码还不行，还要加上由P图和B图参与的帧间编码，以及块匹配运动补偿预测:p因果预测因果预测 - 用前一帧图像预测当前图像用前一帧图像预测当前图像p内插预测内插预测 - 用后一帧图像预测当前图像用后一帧图像预测当前图像l 这就要求帧内编码与帧间编码平衡，因果预测与内插预测间的平衡。平衡的结果是随机存取的高压缩比、高质量图像的统一MPEG-2 帧间编码结构帧间编码结构 - 【2】帧内编码图（帧内编码图（ICP） l（I）图为不要基准图像编码作为基准所产生的图像，称为帧内编码图（ICP-Int

44、ra Coded Pictures），特点是： 数据量最大；数据量最大； 帧内中等程度压缩；帧内中等程度压缩；l无运动预测，无运动预测，可采用自相关性自相关性，即帧内相邻像素、相邻行的亮度、色度信号都具有渐变的空间相关性，可作静止图静止图像处理像处理，无条件传送；l图像可随机进入压缩图像数据序列，进行编码。预测编码图（预测编码图（PCP） lP图是以最近的上一个I图或P图为基准进行运动补偿运动补偿预测所产生的图像，称为预测编码图（PCP-Predictive Coded Pictures）lP图的特点是：本身是前I图或P图的前向预测（FP-Forward Prediction）结果，也是产生下

45、一个P图的基准图像；高编码效率，与I图相较，可提供更大的压缩比；l前一个P图是下一个P图补偿预测的基准，如果 前者存在误码，则后者会将编码误差积累起来、传播下去。双向预测编码图（双向预测编码图（BPCP）- 两种理解两种理解 l其一，B图是同时以前面的I图或P图和后面的P图或I图为基准进行运动补偿预测所产生的图像，称为双向预测编码图 （BPCP-Bidirectional Predictive Coded Picture）。前面的I图或P图代表“过去信息”，后面的P图或I图代表“未来信息”，由于同时使用了“过去”和“未来”两种信息，所以称为双向预测。l其二，利用帧序列相邻帧画面间的运动部分具有

46、连续的时间相关性：前向预测（前向预测（FP）- 将当前画面看成是前一画面某一时刻图像的位移，当然位移方向及幅值在帧内各处未必相同，只要用前面最近时刻的I图或P图及代表运动的位移信息，便可预测出当前图像后向预测（后向预测（BP-Backword Prediction）- 根据某时刻的图像及反映位移信息的运动矢量，预测出某时刻以前的图像，以便预测出前一帧中没有显露没有显露而现在出现的信息B图是将前向预测（FP）与后向预测（BP）同时使用并取其平均值后所产生的图像，称为双向预测图或平均值预测图。MPEG-2 【码率压缩码率压缩】原理原理l 码率压缩要从视觉对象、视觉生理、视觉心理3个方面入手，研究符

47、合于人类视觉规律的视觉模型。l 由于视觉心理是1个很复杂的问题，难以得到其规律。因此，码率压缩只能在利用图像信号的统计特性和人类眼睛的视觉特性的基础上来进行。MPEG-2 【码率压缩码率压缩】编码方式编码方式 l为了提高压缩比及图像质量，MPEG-2视频编码采用【运动补偿预测运动补偿预测】（时间预测+内插）消除时间冗余和不随时间变化的图像细节；l采用二维DCT（图像像素+量化传输系数）分解相邻像素，消除观众不可见、不重要的图像细节；l采用熵值编码（已量化参数+编码参数的熵），使bit数减少到理论上的最小值；lDCT - discrete cosine transformMPEG-4：运动视频对

48、象编码原理运动视频对象编码原理MPEG-4支持高效压缩，仍然采用了支持高效压缩，仍然采用了MPEG1、MPEG2中的变换、中的变换、预测混合编码框架预测混合编码框架MPEG-2【型型/级级】概念概念 (1)l 为适应不同场合的需要，MPEG-2引进型（Profile）和级(Level)的概念，为【定义句法子集定义句法子集】提供了方法。l 在单个句法的基础上，按压缩编码算法的复杂度及不同应用，定义了6个句法子集，每个句法子集就是1种型。l MPEG-2的型有:p简单型简单型(SP Simple Profile)p主型主型(MP Main Profile)pMPEG-2 4:2:2 型型(后增加的

49、后增加的)p信噪比可分级型信噪比可分级型(SNRP)p空间可分级型空间可分级型(SSP)p高型高型(HP)MPEG-2【型型/级级】概念概念 (2)l 在同1种型里，需要处理的图像参数，如图像尺寸、帧率、码率，也有不同。MPEG-2还定义了4个级,以示对同1个型内不同参数的区别:p低级低级(LL)、p主级主级(ML)、p高高1440级级(H14L)、p高级高级(HL)l 型型 - 定义了数据流可分级性和彩色空间分解力；定义了数据流可分级性和彩色空间分解力；l 级 - 定义了图像分辨力和每个型的最大码率。l 即每个型定义了1组新的算法，如：型的性质，彩色格式、有否双向帧等，不同的组合有不同的算法

50、。l 在同一型内的每个级定义了参加运算的参数的取值范围，如：每帧图像行数、每行像素数、帧率、码率。Video Compression: Deficiencies of existing standardslDesigned for specific usagep H.263 cannot be stored (no random access)p MPEG-1 & MPEG-2: not optimized for IP transportlNo universal file format for both local storage and network streaminglOut

51、put cannot be reused efficiently after composition - encoded once, no versatilityThe solution: MPEG-4 standardThe solution: MPEG-4l Internet in the futureNot only text and graphics, but also audio and videol Fast and versatile (多功能 ) interactivityZoom in, zoom out (remote monitoring)Fast forward and

52、 fast backward (video on demand)Change viewing point (online shopping, sports)Trigger a series of events (distance learning)On the fly compositionVirtual environmentsl Support both low bandwidth connections (wireless/mobile) and high bit rates (fixed/wireline)MPEG-4l1999-2000: MPEG-4 Standardp Flexi

53、ble Multimedia Communicationsp 5kbps - 50Mbpsp Video object Compressionp Audio object compressionp Synthetic(合成) Audio/Speech and Videop Systems: multiplexing and flexible compositionWhat is MPEG-4l Scene: 场景场景p Audio Objectsp Visual Objectsl“A coded, streamable representation of audio-visual object

54、s and their associated time-variant data along with a description of how they are combined.”MPEG4: 场景场景(Scene) 如何构成如何构成MPEG-4: Scene Composition 【场景组合场景组合】MPEG-4：Composition of Scenes 【场景组合场景组合】Audio-Visual Objects (AVOs)l AV (Audio/Visual Objects ) - MPEG4技术的标准是对运动图像中的内容进行编码，其具体的编码对象就是图像中的音频和视频，术语称

55、为“AV对象”l 而连续的AV对象组合在一起又可以形成AV场景。l MPEG4标准就是围绕着AV对象的编码、存储、传输和组合而制定的，高效率地编码、组织、存储、传输AV对象是MPEG4标准的基本内容。 MPEG：数字：数字【AVO对象对象】描述描述SDIntegration of Natural and Synthetic ContentMPEG-4: SD - Scene Descriptionl A compositor composes objects in a scene (A&V, 2&3D) creating a composite scenel A scene d

56、escription defines how AVOs appear on End User screen (composition view)l With the scene description an End User canchange the position of individual video objectZoom in/out interesting objectChoose different audio track (language, music)Turn on/off individual objectl Binary Format for Scene Descrip

57、tion : BIFSMPEG-4: Object Streams 【目标码流目标码流】MPEG-4：Decoder Model 【解码模式解码模式】MPEG-4 StandardlPart 1: SystemlPart 2: VisuallPart 3: AudiolPart 4: Conformance TestinglPart 5: Reference SoftwarelPart 6: Delivery Multimedia Integration Framework (DMIF)MPEG4 - systems part:Addresses the description of the

58、relationship between the audio-visual (AVs)components that constitute a scene. The relationship is described at two main levels:p Binary Format for Scenes (BIFS)p Object Descriptors (ODs)Binary Format for Scenes (BIFS)l BIFS describes the spatio-temporal (时空的) arrangements of the objects in the scen

59、e. l Viewers may have the possibility of interacting with the objects, e.g. by rearranging them on the scene or by changing their own point of view in a 3D virtual environment. l The scene description provides a rich set of nodes for 2-D and 3-D composition operators and graphics primitives.Object D

60、escriptor (OD)l At a lower level, ODs define the relationship between the Elementary Streams pertinent to each object (e.g the audio and the video stream of a participant to a videoconference) l Entity - Groups a set of Elementary streams (ESs) associated with a particular object as a single entityl