数字电视体系及有线数字电视传输技术(一)课件

1、数字电视体系及有线数字电视传输技术 唐明光电子科技大学Jan.6, 2006内容安排 一、数字电视基本概念 二、数字电视系统组成及关键技术 三、数字电视标准 四、有线数字电视技术基础 五、信源编码技术-压缩编码技术 六、信道编码和调制 七、有线数字电视传输技术 八、条件接收（CA）系统 九、有线电视传输系统对数字电视信号质量的影响 十、机顶盒的应用要求 十一、数字电视参数的测量 1.什么是数字电视 数字电视是一个系统。它指一个从节目摄 制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号 接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视 系统。一、数字电视基本概念2.数字电视实现的意义 数字电视系统建成后将成为一

2、个数字信号传输平台：它使整个广播电视节目制作和传输质量显著改善 信道资源利用率大大提高 提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电视购物， 为“三网融合”提供了技术上的可能性。 3. 数字电视分类 HDTV：图像分辨率19201080（16：9） SDTV：图像分辨率720756（PAL） 720480（NTSC） LDTV：VCD级图像分辨率4. 数字电视的优点 数字传输，信号质量高彩色逼真 可实现不同分辨率等级接收（HDTV， SDTV）可移动接收，无重影增加节目频道 应实现加解密和加解扰，便于展开CA业务 准交互和交互 其它增值业务二.数字电视系统组成及关键技术1、系统

3、组成 从横向看：（硬件系统） 节目制作 数字信号处理 传输 接收 显示 从纵向看：（软件系统） 物理层传输协议 中间件标准 信息表示 信息使 用 内容保护 节目制作设备：数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑 机、数字字幕机、非线性编辑系统数字处理设备及技术：压缩编/解码设备及技术、数据加/解扰设备及技术、加/解密设备及技术信号传输：地面、有线、卫星接收设备：数字电视接收机（卫星、有线）显示：CRT、LCD、PDP、投影显示等2.关键技术1)信源编码技术 视频压缩编码 MPEG-2 音频压缩编码 MPEG-2 （欧洲、日本） AC-3 (美国) 我国标准： GB/T17975.2 200

4、0 “信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范 第2部分：视频” GB/T17975.3 2000 “信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范 第部分：音频”2) 传输复用技术 数据打包：N个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组 传输流复用：将N个打包的数据复合成单路串行传输流 标准：国际 MPEG-2 我国 GB/T17975.1 2000 “信息技术运动图像及其伴音信号通用编码 第1部分：系统” 传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传输，从而 使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。3)信道编码和调制 经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有 线

5、、卫星）中传输，必须经过某种处理，使之变成适合在 规定的信道中传输的形式。在通信原理中把这种处理称为 信道编码和调制。 信道编码包括：纠错编码、网格编码、均衡等。 信道编码目的：提高传输信号在信道中的抗干扰能力 标准：GY/T1702001 “有线数字电视广播系统信道编码与调制规范” 4) 有条件接收（CA）CA只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用 户不能使用这一业务。CA涉及技术：前端的加密和加扰技术 接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术标准：GY/Z175-2001 “数字电视广播条件接收系统规范”5) 软件平台中间件机顶盒中硬件功能：接收RF信号、信道解码、解调。MPEG-2

6、码流解 码，模拟视/音频输出。机顶盒中软件功能：电视节目内容显示、EPG节目信息、操作界面的实现等。中间件：是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来 的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统。中间件构成：Java虚拟机、Java Script 虚拟机、HTML虚拟机等。 三.数字电视标准1.国际：三大标准 DVB-S 欧洲：DVB （数字视频广播） DVB-T DVB-C 美国：ATSC （高级电视制式） 日本：ISDB （综合业务数字广播）2.中国：数字电视演播室参数标准 数字电视广播标准 GY/T170-2001 有线数

7、字电视广播信道编码与调制规范 GY/T106-1999 有线电视广播系统技术规范 GY/Z174-2001 数字电视广播业务信息规范 GY/Z175-2001 数字电视广播条件接收系统规范 GY/T148-2000 卫星数字电视接收机技术要求 GY/T158-2000 演播室数字音频信号接口 GY/T160-2000 数字分量演播室接口中的附属数据信号格式 GY/T161-2000 数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范 GY/T163-2000 数字电视附属数据空间内时间码和控制码的传输格式 GY/T164-2000 演播室串行数字光纤传输系统 GY/T167-2000 数字分量

8、演播室的同步基准信号 GY/T180-2001 HFC网络上行传输物理通道技术规范 GB/T16694-1996 智能卡接口规范 GB/T17975.1-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码第1部分系统 GB/T17975.2-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码第2部分视频 GB/T17975.3-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码第3部分音频 GB/T17881-1999 广播电视光缆干线同步数字体系(SDH)传输接口技术规范 GB/T17953-2000 4：2：2数字分量图像信号接口 ISO7816 智能卡接口规范 符合2003年4月1日国家

9、广电总局科技司发行的 有线数字电视暂行技术要求文件汇编用户管理系统监管平台数据交换接口要求(暂行)运动图像及其伴音信号的通用编码系统、视频和音频部分的实施指南 (暂行)有线数字电视条件接收系统应用指南 (暂行)有线数字电视广播业务信息应用指南 (暂行)有线数字电视电子节目指南指导性意见(暂行)有线数字电视中间件指导性意见(暂行)有线数字电视机顶盒和遥控器功能实施指导性意见(暂行)节目订购单和用户结账单格式基本要求(暂行)有线数字电视广播条件接收系统入网技术要求和评测方法 (暂行)有线数字电视广播用户管理系统入网技术要求和评测方法 (暂行) EN 300 429 DVB系统中的帧结构、信道编码和

10、调制(DVB-C) EN 300 428 DVB系统中服务信息(SI)规范(DVB-SI) ETR 211 DVB服务信息(SI)的使用和执行指南(DVB-SI) EN 300 472 DVB的比特流中传送图文信息和规范(DVB-TXT) EN 301 192 数据广播的DVB规范(DVB-DATA) EN 50083-9 CATV/SMATV前端和DVB/MPEG-2传输流同类专业设备和接口(DVB-PI) EN 50221 关于条件接收和其它DVB解码器运营的通用接口规范(DVB-CI) TS 102 201 DVB IRD的接口技术规范(DBVB-IRD) TS 101 197 DVB系

11、统中同时加密(simulcrypt)的技术规范(DVB-SIM) TS 103 197.V1.1.1 同密接口 ETR 289 通用加扰系统描述(DVB-CS) ETR 154 MPEG-2系统、视频和音频在卫星、有线和地面广播应用中的实现指南(DVB-MPEG) ETS 300 743 DVB字幕系统(DVB-SUB) ETS 300 802 DVB交互服务独立网络协议(DVB-NIP) ETS/EN300 429 DVB系统中的帧结构、信道编码和调制(DVB-C) 四.有线数字电视技术基础 1.有线数字电视信号传输等级及传输系统模式 1）传输等级 LDTV，SDTV，HDTV 2)传输系统

12、模式 电缆传输PCM方式 光纤传输SDH方式 光纤 同轴混合传输HFC数字调制方式 2有线数字电视的主流标准与方式 1) 标准：DVB-C ATSC-16VSB，ATSC-64QAM ISDB-C 2)四种方式： DVB-C ATSC-64QAM ATSC-16VSB ISDB-C传送方式 16-64QAM 64QAM 16VSB 64QAM频带宽度 8MHz 6MHz 6MHz 6MHz传输速率 31.64Mb/s 41.34Mb/s 43.05Mb/s 30.31Mb/s接收滚降 15% 15% 11.5% 18%纠错率 RS(204,188) RS(128,122) RS(207,187

13、) RS(204,188)压缩方式 MPEG-23数字电视信号的产生 直接产生：字幕机，数字摄像机等 转换生产：电影胶片电视电影机 模拟-数字（A/D转换）信号数字化1) 信号数字化过程 取样：取样频率，Nyquist定理 连续信号变换成离散信号 量化：将离散信号样值进行离散化处理 离散化的量化级 量化噪声 编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用 n比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。 每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列 起来，就得到基带数字信息流。 传输速率：传输速率=取样频率fs量化比特数2）音频信号的数字化 取样频率：40KHz。 常用11.02

14、5KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。 量化比特数：8bit，12bit，16bit。 声道：单声道，双声道（立体声） 取样频率量化比特数声道数 数字音存储量： （字节） 8bit例：CD标准取样频率44.1KHz，量化比特数16bit，立体声，存储 一分钟数字音乐的容量为10,584,000字节或84,672,000比特。3）视频信号的数字化 编码方式：复合编码将彩色全电视信息直接 编成PCM码 分量编码将亮度信号Y，色差信 号R- Y和B-Y分别编码 或PCM码 二者比较： “复合编码”与电视制式有关 “分量编码”与电视制式无关 在节目后期制作中： “复合”需解码 “分量

15、”无需解码 传输时：“复合”由于频分复用，产生亮，色串扰 “分量”采用时分复用，无亮，色串扰 分量编码取样频率 亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声fs=（2.22.7）fm fm =5.8-6 MHz fs12.7613.2 MHz 满足行锁相采样 fs=mfH, m为整数 使525/652行兼容（525行/60场 625行/50场） 要采用同一取样频率 在13.2MHz附近，只有 13.5MHz=15625Hz864 (625/50) =15734.264 Hz858 (525/60) 亮度信号取样频率取样13.5MHz 色差信号取样频率： 需要满足与亮度信号同样的三个要求 取为fS=6.7

16、5MHz 分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求 Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz： 13.5MHz：13.5MHz =4：4：4 Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz =4：2：2 （ 演播室图像质量标准） Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz =4：1：1（4：2：0） 4：4：4，4：2：2和4：2：0三种是可以相互兼容，相互转换的 由高档转为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。 4：4：4 4：2：2 4：2：0 视频取样示例4 ： 2 ： 24 ：2 ：04

17、 ： 4 ： 4 像素：在理想情况下可用“1份亮度+2份彩色差的样品”来描述： 表示1份亮度样品(Y) 重合的亮度、色度样品 表示2个色度样品(R-Y ，B-Y) 4为13.5MHz、2为6.75MHz 和1为3.75MHz的取样频率4）量化比特数和量化级 量化比特： Y，B-Y，R-Y都采用 8bit 均匀量化 未经较正的信号采用10bit均匀量化 量化级： 亮度信号 8bit ，256个量化级，0-255 为防止过载 上端留20级 下端留16级 量化级 16 表示黑电平 量化级235表示白电平 5）ITU-R601建议编码主要参数（4：4：4格式） 参 数 625行50场/s制式 525行

18、60场/s制式 1，编码信号 经过校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB 2，各信号的全行样点数 864 858 3，取样结构 正交，按场，行，帧重复，并与此4：2：2标准的亮度样点重合 4，每种信号的取样频率 13.5MHz 5，编码方式 每样值至少8比特均匀量化PCM 6，用样点表示的数字 有效行长度 至少 720 7，视频信号电平每样值 共220量化级，黑电平对应于第16量化级； 8比特的最高有效位 峰值白电平相应于第235量化级 （MSB）量化级之间的 在量化等级中部共分224级，零电平对应128级 对应值（范围：0255） ITU-R601建议演播室分量编码主要参数

19、(422格式) 参 数 625行50场/s制式 525行60场/s制式1、编码信号 Y、R-Y、B-Y2、全行样点数 亮度信号(Y) 864 858 每个色差信号(R-Y、B-Y) 432 429 3、取样结构 正交，场、行、帧重复，R-Y和B-Y的样点同位，并和每行第奇数个(1，3，5.) Y样点同位4、取样频率 亮度信号 13.5MHz 每个色差信号 6.75MHz5、编码方式线性PCM、8比特量化/每个取样值6、每数字有效行数样点数 亮度信号 720 每个色差信号 3607、视频信号电平与量化级间的对应值 亮度信号 每个色差信号 共22个量化级，黑电平对应量化级16；峰值白电平对应量化级

20、235 在量化等级中间部，共分224级，零电平对应于128级 数字电视信号的码率1）标准清晰度数字电视（SDTV）： 在ITU-R601标准中，采用10bit量化时， 亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数 = 13.5MHz X 10bit = 135Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 6.75MHz X 10bit = 135Mbps SDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 135Mbps + 135Mbps = 270Mbps 2）高清晰度电视（HDTV）： 在SMPTE274M数字电视标准中，采用10bit量化时， 亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数

21、 = 74.25MHz X 10bit = 742.5Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 37.125MHz X 10bit = 742.5Mbps HDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 742.5Mbps + 742.5Mbps = 1485Mbps数字电视信号的有效码率 有效码率（视频有效码率）： 1）标准清晰度数字电视信号的有效码率 是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的60%-80%。 在ITU-R601标准中，8bit量化时， NTSC（480/60i）亮度信号的有效码率为： 每行

22、的取样点数 X 有效扫描行数 X 量化比特数 X 帧频 = 720 X 480 X 8 X 30 = 82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为： 2 X 360 X 480 X 8 X30 = 82.944 Mbps 总有效码率为： 亮度信号有效码率 + 2个色差信号有效码率 = 82.944 Mbps + 82.944 Mbps = 165.888 Mbps（480/60i） PAL（576/50i）亮度信号的有效码率为： 每行的取样点数 X 有效扫描行数 X 量化比特数 X 帧频 = 720 X 576 X 8 X 25 = 82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为： 2

23、X 360 X 576 X 8 X25 = 82.944 Mbps 总有效码率为： 亮度信号有效码率 + 2个色差信号有效码率 = 82.944 Mbps + 82.944 Mbps = 165.888 Mbps（576/50i） 2）高清晰度数字电视信号的有效码率 在SMPTE274M数字电视标准中，采用8bits量化时1080/60i信 号格式量度信号的有效码率为 每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频 =1920X1080X8X30=497.664Mbps 2个色差信号的有效码率为 2X960X1080X8X30=497.664Mbps 总有效码率为 2X497.664=995.

24、328Mbps（1080/60i） 1080/50i信号格式的有效码率为 1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i） 数字电视技术中电视系统的表示方法示例1080/60i：1080表示每帧有效扫描行数， 60表示帧频或场频， i表示隔行扫描。 720/50P： 720表示每帧有效扫描行数， 50表示帧频或场频， P表示逐行扫描。 NTSC制可表示为：480/60i PAL制可表示为：576/50i 1080/60i还可表示为：1080/60/2 ：1 720/50P还可表示为：720/50/1 ：1 1080/60i还可表示为：108060i 720/50P还可

25、表示为：72050P五.信源编码技术压缩编码技术1数字视频压缩的必要性 HDTV 1920 1080 显示格式 数字化后传输速率 995 Mb/S SDTV 复合编码 135 Mb/S 分量编码 4：2：2 216 Mb/S 存储 ： 2小时HDTV，存储量 7164 Gbit/S 2小时SDTV，存储量 972 Gbit/S 复合编码 1555 Gbit/S 分量编码 传输： HDTV 需 1Gb/S 信道 SDTV 需 12个 155 Mb/S 信道 无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。 2压缩编码方法 1) 利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩 电视图象中相继各帧对应象素点的值

26、往往相近或相同，具有时间相关性，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。 2) 利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩 一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。 3)利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩 对经常出现的数据用短码组表，对不经常 出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。从而实现与统计冗余有关的压缩。 4)利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩 人眼的视觉特性：对亮度信号比对色度信号敏感 对低频信号比对高频信号敏感 对静止图象比对运动图象敏感 对图象中水平和垂直线条比对斜

27、线条敏感 包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。 压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。 3基本的图象压缩编码技术 1) 分类 冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。即它是可还原的。 信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。即它是不可还原的。2) 图象压缩技术优劣评估条件 信息压缩比：压缩前后所需的信息存储量之比 重现图象精度：重现的图象与原图象相比有多大失真 执行速度：压缩算法要多少时间完成 压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。 电视节目制

28、作：压缩比2：1至8：1 Sony数字Betacam 录象机 2.37：1 模拟分量录象机Betacam SP 8：1 VCD母盘，压缩比12：1 采用帧内压缩方式，JPEG标准。 电视广播： 压缩比15：120：1 采用帧间预测编码，MPEG 2 标准 有线数字电视压缩比可加大至30：1， MPEG 2 标准3)基本压缩编码方法 预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制 DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。 这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测）。利用象素的相关性还可进一步减小差值。 DPCM系统原理图 D

29、PCM系统原理框图+ 量化器 编码器 预测器+ 解码器 预测器 信道 +输入XN输出XNeN eN+-XNEN+XN (X N ：是通过预测公式从DPCM的输入XN和已传出去的几个邻近样值计算出来的。)X N + + + + 离散余弦变换（DCT） DCT(Discrete Cosine Transform)是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。DCT是先将整体图像分成NN 像素块，然后对NN 像素块逐一进行DCT变换。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达接

30、收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受的。DCT系数Y0 ： (0 2407) Y1-7：(-1024 1023+y0y1y2y3y4y5y6y7恢复成的图像信号 (0255)DCT系数Y0 、Y1-7 与各像元信号相乘 后恢复原图像信号 水平一行数据的变换示意图F2.0F4.0F5.0原始图像信号 (0255)图像信号分解 为各种余弦成分DCT基底直流成分低频成分高频成分F0.0F1.0F3.0F6.0F7.0 89 101 114 125 126 115 105 96 97 115 131 147 149 135 123 113 114 134 159 178 175

31、 164 149 137 121 143 177 196 201 189 165 150 119 141 175 201 207 186 162 144 107 130 165 189 192 171 144 125 97 119 149 171 172 145 117 96 89 107 136 156 155 129 97 75 图像信号采样数据1152 -32 -185 -7 2 -1 -2 2 -32 -16 45 -3 -2 0 -2 -2 -165 32 17 9 5 1 -3 0 -7 -4 0 2 2 -1 -1 2 -2 0 0 3 0 0 2 1 3 1 1 -1 -2 0

32、 2 0 0 0 2 -1 -1 2 1 -1 0 3 1 -1 2 1 -2 0DCT DCT系数量化 281 -8 -46 -1 0 0 0 0 -5 -4 11 0 0 0 0 0 -41 8 4 2 1 0 0 0 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 “之”字读出 (扫描)281，-8， -5，-41，-4，-46，-1，11，8，-1，0，-1，4 ，0，0，0，0，2，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，

33、0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0 编码281， -8， -5， -41， -4， -46 ，-1，11，8，-1， 1*0， -1， 4 ，4*0，2， 7*0， 1， EOB DCT变换实例 游程长度编码（Runlength Encoding） 是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。在用之字形读出方式情况下，出现连零的机会较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只要给出“块结束”（EOB）码，就可以结束输出，从而节省很多码率。 通常，DCT系数量化之后，都采用之字形方式读出。 霍夫曼（Hoffman）编码 霍夫曼(Hof

34、fman)编码(属于统计编码)是可变字长编码(VLC: Variable-Length Coding)的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。 符号 A B C D E F G H 概率 0.10 0.18 0.40 0.05 0.06 0.10 0.07 0.04 码 011 001 1 00010 0101 0000 0100 00011C 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.60 B 0.18 0.18 0.18 0.19 0.23 0.37 0.40A 0.10 0.10 0.13 0.18 0.19 0.23F 0.10 0.10 0.1

35、0 0.13 0.18 G 0.07 0.09 0.10 0.10E 0.06 0.07 0.09D 0.05 0.06H 0.041.00 霍夫曼编码4视频压缩编解码标准 1）H.261标准 1980年CCITT通过为国际标准 用于可视电话，P 64Kb/S， P=130可变，（64 1920)Kb/S 用于会议电视，P36 H.261(又称P64)是最早的一个码率压缩标准。 2）JPEG标准 1986年提出，1992年公布为国际标准。 属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。 压缩比：32 5.3 接近原始图象质量 5.311 图象很好,满足绝大多数应用 1116

36、 图象好,满足多数应用 1532 图象较好,满足某些应用3）MPEG 1 标准 1988年提出，1992年公布为国际标准 典型应用如VCD等家用数字音象产品。最高编码速率1.8 Mb/S 实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码 信源输入格式为SIF（Source Inpnt Format），如为 CCIR 601 格式的信源要转换成SIF格式才能输入 MPEG 1 编码器。 a） MPEG-1标准于1992年出版，目标是“对当比特率为1.5Mb/s时，用于数字存储媒体的动态图像及其伴音的编码”。它首先提出了流（Sequence）数据结构，使视频数据的描述更加完善。 b）为了解决随机访问和高效压

37、缩的要求冲突，在MPEG-1中定义了四种主要的图像类型：I帧、P帧、B帧和D图像。 I帧只使用帧内编码，必须传递， P帧用于前向预测， B帧用于双向预测， D图像用于甚低频图像的浏览。 c） MPEG-1视频压缩中主要用到两项基本技术： 1、基于1616块运动补偿：适用于预测编码和插补编码，用于减少帧序列的时间冗余度； 2、基于变换域(DCT)的压缩技术：用于减少空间冗余度。在MPEG-1中，DCT不仅用于帧内压缩，而且对帧间预测误差，也可再作DCT变换，以达到进一步压缩的目的。 MPEG-1中的帧内编码：像素点的DCT编码与JPEG相似，先进行DCT变换，然后通过量化和零行程等混合编码达到压

38、缩。但在系数量化阶段，MPEG的量化器考虑到运动信息和视觉质量提出了若干改进，如视觉权量化，即以视觉域值作为量化矩阵的步长；帧内块和非帧内块区别量化，对帧内的宏块和非帧内块采取两种不同的量化器；可调整量化器，在块与块的基础上对量化步长作自适应调整。 d）MPEG-1中用到帧间编码： 视频压缩标准中，几乎都用到了运动补偿技术(简称MC技术)，一般为“简单帧间预测+运动补偿”框架。MC技术通常由以下几个方面组成： 1、图像分割：将视频图像分割成静止和运动两部分； 2、运动检测和估值：检测运动类型(平移、旋转和缩放等)，估计运动物体的位移值； 3、运动补偿：用位移估值(即运动矢量)进行运动补偿预测；

39、 4、预测信息编码：对预测信息进行编码，作为边信息传送给接收端。 图像分割（它是MC技术的基础），采用了两种方法：块匹配法(BMA)和像素递归法(PRA)。 1、BMA是把图像分成若干矩形子块，适当选择子块大小，把子块分成静止和运动两类，估计出运动子块的位移，进行预测编码。 2、PRA则是对每个像素的位移进行递归估计,其精度相对来说较高，对多运动图像适应能力强，但跟综能力较弱，且实现复杂。BMA虽精度较低，但位移跟综能力较强，且实现简单，很有实用性。 e）在MPEG-1中，帧间预测后宏块被送入DCT变换，而运动矢量则用DPCM编码，再经VLC量化和霍夫曼编码后完成压缩过程。 4）MPEG 2

40、标准 1988年提出，1994年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括SDTV和HDTV）的信源编码标准。 MPEG是运动图像专家组(Moving Pictures Expert Group)的缩写，成立于1988年，以建立活动图像及相应音频的编码标准。MPEG-2的主级和主类提供720576(PAL)25帧的ITUR 601建议图像质量。在压缩比为301或更小时，MPEG-2可以提供广播质量的编码图像，MPEG-2也可工作在大压缩比如2001下，效果与MPEG1相差不大（即与MPEG-1兼容）。 a） MPEG 2 是一个系统，它的作用是： 对音频、视频、数据、控制等基本比特流实现复用 提

41、供各种定时及初始化 经解码器提供PSI（节目特定信息） 支持有条件接收（CA），随机接入，数字存储和纠错b）MPEG-2系统输出两个数码流： 节目比特流PS，用于相对无误差的环境 传输比特流TS，用于有噪声媒质 c）MPEG-2的类与级 1、MPEG-2有4种输入格式，称为级(Levels或等级)。从有限清晰度的VHS(家用录像系统)质量图像直到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。 除了在源格式提供这种灵活性之外，MPEG-2还有不同的处理方法，称为类(profiles或层面)，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。 2、MPEG2共

42、分类，较高的类编码更精细，而且每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具。 甲）简单类(SP) 乙）主类(MP) 丙）信噪比可分级类SNRP 丁）空间可分级类SSP 戊）高级类(HP) 己）：格式 在主类上的类是信噪比可分级类(SNRP)、空间可分级类(SSP)、高级类和4:2:2格式。这允许将编码的视频数据分为基本层和另一个或更多的上层信号。基本层表示编码图像的基本数据但代表的图像质量较低。上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。 d）图像的4个级别： 甲）低级(LL：Low Level)的输入格式的像素是ITU-R 601格式的1/4，即35224030或35228825，相应编码最大输出码率为

43、4M b/s。 乙）主级(ML：Main level)：输入格式完全符合ITU-R Rec.601格式，72048030或72057625，输出最大码率除高级类和4:2:2外是15Mb/s，高级类主级是20Mb/s，4:2:2 是50Mb/s。 丙）高1440级(H14L：High1440 Level)：是每行1440有效像素的高清晰度格式。除高级类 外，最大输出码率为60Mb/s，相应的高级类输出码率为80Mb/s。 丁）高级(HL)：输入是每行1920有效像素的高清晰度格式，输出最大码率为80Mb/s，相应的高类输出码率为100Mb/s。 e）MPEG-2的类和级的组合如下图(常用缩写表示

44、如MPML主类主级、MP HL主类高级等)。MPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，4Mb级 (Levels)高级(HIGH)1440高级(HIGH-1440)MPHL 19201152 60Hz 80Mb/s，128MbMPH14L 14401152 60Hz 60Mb/s，64MbSSP H14L 14401152 60Hz 60Mb/s，128MbHPH1 14401152 60Hz 80Mb/s，128MbHPHL 19201152 60Hz 100Mb/s，256MbHPM 352 288 30Hz 20Mb/s，32Mb SPM L 720 x 576 15Mb/s，8Mb

45、MPML 720 576 30Hz 15Mb/s，16MbSNRPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，8MbSNRP MM 720 576 30Hz 15Mb/s，30Mb主级(MAIN)低级(LOW) MPEG-2的类和级简单类信噪比可分级类主类(MAIN)高类(MAIN)(SIMPLE)（SNRSCL)空间可分级类（SPA）类(Profiles)专业类(4: 2: 2) 720 608 30Hz 50Mb/s,16Mb 在24个所选组合中有12个是获准通过的。图中显示了每种组合的最大分辨率(水平垂直)、最大帧速、最高码速和解码器必须的缓存容量。 最广泛采用的类和级是MPML和SPM

46、L。 4:2:2是对主类的修改，它用4:2:2色度格式代替了MPEG-2标准中其它类所共用的4:2:0格式。由于色差数据量增加，故规定了比主类更高的数据率。4:2:2主要用于演播室设备，故又称演播室类或专业类。 MPEG-2的色度格式除专业类外，都是4:2:0(或4:1:1)，图像类型(除简单类为I、P外)都是I、P、B。在所有MPEG-2实际实现中应指明所选用的组合，由于MPML最普及，通常说MPEG-2，就意味着MPML。 f）系统结构及基本码流结构 甲） MPEG-2标准的系统部分： 它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，使之便于存贮和传输。 定义了一套系

47、统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。 系统层中的信息流通方式如下： 首先，数据从视频、音频编码器而来，称为基本码流(ES)， 然后，ES被分别打包，形成两个打包的基本码流(PES)， 再后，PES被复接成一个节目码流(PS)和一个传输码流(TS)， 附图给出了MPEG-2系统的简化总体结构。 两种比特流的区别： 节目码流（PS）用于误码比较小的传输或存贮媒介，节目码流可以是固定码率也可以是可变码率，其数值在系统时钟参考(SCR)中定义，为本地应用相对于无误码的环境设计； 传输码流（TS）用于误码比较大的传输或存贮媒介，其码率可以是固定的或不固定的，其数值在节目时钟参考(PCR)

48、中定义。它是为广播应用而设计，即TS是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的，那里往往需要把几个信道集合成一束数据。TS用在广播系统和长距离网络中。在TS中可以包括多个节目。因此接收TS时首先要解复用。 PS和TS是各针对一类应用而设计的。都以数据包为基础。PS的包长可变，通常较长；TS的包长固定为188字节，包头4个字节，184个净荷字节。并可与ATM适配。 MPEG-2系统简化结构视频PES音频PES系统规定的扩展PS复用TS复用节目 码流PS传送 码流TS打 包 器打 包 器视频 编码视频 数据音频 数据音频 编码视频ES音频ES MPEG-2系统作用如下： a）对音频、视频

49、、数据、控制等基本比特流起系统复用的作用。 b）提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始化和管理，音频和视频的解码时间、显示时间。 c）给解码器提供PSI信息，使之更容易和更迅速的找到所需要的节目。 d）给误差恢复、有条件接收（CA）、随机接入以及数字存储控制提供支持。 乙）视频基本码流(ES)层次结构： 如附图所示。不管那一种码流，都可以分成6个层次： 视频序列层(Sequence)， 图像组层（GOP）， 图像层， 像条层， 宏块层， 像块层， 除了宏块和像块层，上四层都从相应的起始码(SC：Start Code)开始。这种码是专门预留的，从来不出现在码流中，因此可以作为同步识别用。一旦

50、因误码或其他原因收发失去同步时，重新同步的过程首先就是从比特流中寻找相应的起始码。一旦在正确的间隔上发现有效的起始码时，解码就可以重新开始。 视频序列层： 在起始码后是序列头，包括了图像尺寸，宽高比，图像速率等信息。在序列头后面总是跟着包含附加数据的序列扩展数据。为了确保能在不同的时间随时进入视频序列，MPEG-2允许重复发送序列头。序列层结束在序列结束码(SEQ EC)。 图像组层：图像组是指相互间有预测和生成关系的一组图像。在起始码后面是可选的GOP头，包括了时间信息，但这一信息并不是解码中实际使用的信息，即便丢失，解码也可以继续进行。分成图像组的一个目的是在同一序列内可随时进入不同的图像。 图像层：它包括了不同种类编码的图像。在MPEG2中图像分成三种编码类型： 帧内编码的图像(Intra Coded Picture)称为I帧； 双向