数字电视基础课件

1、第6章 数字电视基础 6.1 概述6.2 信源编码与压缩技术6.3 信道编码与调制技术模拟电视制式的缺陷采用复合信号传输采用窄带传送色度信号采用隔行扫描选用的行场频率低6.1 数字电视概念及系统组成数字电视的产生：20世纪60年代数字电视定义： 从节目拍摄、编辑、制作、播出、传输、接收等电视信号播出和接收的全过程都使用数字技术的电视系统。 数字电视系统组成信源编码 复用系统 信道编码 信号调制与传输 数字电视信号接收数字电视信号的产生脉冲编码调制PCM 信号数字化需要完成采样、量化、编码三步。采样(取样）：用每隔一定时间间隔的信号样本序列代替原来在时间上连续的信号。即将模拟信号离散化。1、采样

2、在数字电视中取样频率的选择应该从以下方面考虑：（1）满足奈奎斯特取样定理：即抽样频率应该大于视频带宽的两倍。亮度信号带宽 最大是6MHz，因此有： （2）为了保证取样结构是固定正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍 (3)在制订国际统一的编码标准时亮度信号的取样频率的选择还必须兼顾不同的扫描制式。 分量编码标准的亮度信号抽样频率fs为13.5 MHz：对于625行/50场扫描制式的亮度信号，每行的取样点数为：对于525行/60场扫描制式的亮度信号，每行的取样点数为： 2、量化所谓量化就是把幅度连续变化的信号变为幅度离散的数字信号。量化过程不可避免地引起量化误差。 由于量化误差会在接收端恢复图象

3、的画面上出现颗粒状的细斑，量化误差又称为颗粒噪声或量化噪声。 取整时有舍有入 取整时只舍不入量化误差的绝对值最大,误差较小 量化分类：1、均匀量化：量化间隔相同。2、非均匀量化： 小信号量化间隔小 大信号量化间隔大：量化级数n：量化比特数，（码源位数）是指要区分所有量化级所需几位二进制码位数 M=2n3、编码定义： 按照一定规律，把量化后的离散值用二进制数字表示。取样时刻 取样值 量化值 编码 t1 2.9 3 0011 t2 12.6 13 1101 t3 14 14 1110 t4 3.3 3 0011 t5 4.5 5 0101 图像信号的编码方案全信号编码 (Y/C) 电视接收机中的数

4、字化处理分量编码（Y / R-Y、B-Y） 对Y、R-Y、B-Y或三个基色分量R、G、B分别编码，进行并行传输或时分复用传输。单位时间内系统所能达到的最大数据量称为所传输数字信号的码率。总码率：抽样频率与量化比特数的积 。标清：(13.5+26.75)8（或10）216（或270）Mb/s高清：(74.25+237.125）10=1485 Mb/s4:2:2分量编码总码率：有效码率：单位时间内与视频信号有关的数据量。每行取样点有效扫描行数量化比特数帧频CCIR的分量编码国际标准图像采样如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。

5、 1、使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样；2、对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。4:4:4 YCbCr格式在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本 4:4:4子采样格式 表示全像素点阵,用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。 YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整。（每个分量通常8比特 )4:4:4 YCbCr格式4:2:2 YCbCr格式是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式。在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样

6、本和2个蓝色差Cb样本每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。 下面的四个像素为：Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3映射出像素点为：Y0 U0 V1 Y1 U0 V1 Y2 U2 V3 Y3 U2 V34:2:2 YCbCr格式数字电视扫描制式表示方法1080/50i 720/60P 1080/50/2:11125/60i 75060P1080i/506.2 信源编码与压缩技术一、信源压缩编码的目的： 压缩数字电视图像的数据量，降低信号传输的数码率，减少

7、传输带宽，提高信道利用率。 二、如何进行压缩消除电视信号中的冗余成分： 空间冗余：相邻象素、行变化小 时间冗余：相邻帧变化小 符号冗余：编码表示码长不同 视觉冗余：视觉阈值不同三、视频压缩编码的分类1、无损压缩编码（熵编码） 霍夫曼编码 算术编码 2、有损压缩编码（熵压缩） 预测编码 正交变换编码1、熵编码熵：描述信源符号信息所需的最小比特数。信息熵：信源X发出任意一个符号的平均信息量，单位：比特/符号编码过程中不丢失信息量，即要求保存信息熵，也叫信息保持编码，是根据消息出现概率的分布特性而进行的，是无损压缩编码。 符号xi出现的概率p(xi)m霍夫曼（Huffman）编码霍夫曼编码是可变字长

8、编码(VLC)的一种。 定理：在变字长编码中，如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列，则其平均码字长度最小。 霍夫曼（Huffman）编码步骤按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率 和剩余的概率重新排队。继续第一步，直到最后变成1。将“0”和“1”赋与相加的两个概率。读出时由该符号开始一直走到最后的“1”， 将路线上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的霍夫曼编码。 例 一X：a1a2a3a4a50.50.250.1250.06250.0625a为出现的概率例 二X：a1a2a3a4a5a6a70.200.180.170.160.150.1

9、00.04a为出现的概率0.380.330.290110010.141001010.621.02 0 1 a1 0.202 0 0 a2 0.183 1 1 1 a3 0.173 1 1 0 a4 0.163 1 0 1 a5 0.154 1 0 0 1 a6 0.104 1 0 0 0 a7 0.04出现概率信源符号码 长码 字平均码字长度 K= 0.22+0.192+0.183+0.173+0.153+0.14+0.014=2.72 bit/符号信息熵H为：mKi7=2.61bit/符号注意事项（1）Huffman方法的构造出来的码不是唯一的。但对于同一信源而言，其平均码长是相同的，其编码

10、效率一样。（2）只有当信源概率分布很不均匀的时，Huffman码才会收到显著效果。 （3）信源符号概率分布为2-n时，编码效果达到100%算术编码算术编码不是按符号编码，而是按符号序列的发展，对序列进行编码。步骤：初始状态，编码指针C=0，子区间长度L=1.0编码状态，C=C+Lpi ; L=Lpi取最后一个编码指针小数值作为整个序列的编码结果。例设有一个信源具有4个可能出现的信号：x1、x2、x3、x4 ，其出现的概率分别为0.5、0.25、0.125、0.125，信源符号序列为x2 x3 x1 x4 x1 x1,解释其编码过程。x1x2x3x400.10.110.1111解得符号序列算术编

11、码为101100111，继续对符号x1 x1进行编码，着编码码字不变，码长不变。2、 预测编码 在图像预测编码中， 根据图像或信息所存在的相关性，推测未来图像或象素的可能值, 减小空间和时间冗余 。一维预测二维预测三维预测帧内编码帧间编码二维预测：X9=1/2X8+1/4 X4+1/8 X3+1/8X5X1 X2 X3 X4 X5前一行当前行隔场行X6 X7 X8 X9帧内编码：对一帧内的信息进行编码。帧 间编码：对相邻的时间帧间的差值信号进行编码。JPEG是典型的帧内编码方案大多用于静止图像处理，而MPEG是帧间编码方法，主要用于对运 动图像的处理。 预测编码的原理 利用图像数据的相关性，用

12、已传输的像素值对当前像素值进行预测，然后对当前像素的实际值与预测值的差值进行编码传输，在接收端将收到的预测误差解码后再与预测值相加，得到当前像素值。差分脉冲编码调制(DPCM)待编码取样序列预测值XX运动补偿预测编码在视频帧序列中设置参照帧。对于当前的编码帧，首先在该帧的前一帧和（或）后一帧中寻找与该帧的一个图像方块最优匹配的图像方块。如果找到这样的最优匹配块，则计算：当前块的像素值与参照帧中最优匹配块的像素值之间的差值，即预测误差；当前块相对于参照块在X和Y两个方向上的位移，即运动矢量。只需对当前块的运动矢量和预测误差进行编码传输，以压缩时间冗余。如果找不到最优匹配块，则进行帧内编码。运动补

13、偿预测编码类型单向运动补偿预测双向运动补偿预测：使用前后两帧计算各块的运动矢量，只选用具有最小匹配误差的相关运动矢量。插值运动补偿预测：取前后两帧的预测值的平均值，需要对两个运动矢量分别进行编码传输。运动估值像素递归法（PRA)块匹配法（BMA)全搜索匹配N+2dmdmdmdmdmACB最大计算量（N+2dm）*（N+2dm）N=8或16三步搜索法以原点为中心，以L1=ent(d/2+0.5)为步长构造9点点阵。（d：最大位移,ent：取整）。计算各点的误差值，找出误差最小的点，以此为中心，构造新的以ent(L1/2+0.5)为步长的9点点阵。重复第2步，直到搜索步长为1，则误差值最小的点为匹

14、配点。三步搜索法1112221121233323232333111-770-7703、变换编码压缩数据的原理 图像空间存在相关性,在变换域中,各空间频率分量是不均匀的,即空间频率低的区域信号幅度大,高频区域信号幅度小。低频部分细量化，高频部分粗量化，则平均码长和总的码率都会下降，达到压缩码率的目的。 3、变换编码过程 将图像中的像素按区域分成一些包括MN个像素的许多方块。这些像素点的取样值构成一空间(设为X,Y二维)的数字阵列,然后将它们变换到由正交矢量构成的变换域中,再对这些变换域中的阵列系数进行编码发送,接收端通过逆变换恢复原数据。将整幅图像分解出数个用于DCT的子块DCT系数中绝对值较大

15、的集中在矩阵的左上角。将一些绝对值很小的系数或区块置零便于丢弃串并转换舍去零系数量化矩阵复原恢复DCT系数图像子块重建整幅图像重建传输或存储离散余弦变换（DCT）编码压缩方框图DCTIDCT其中：例：88亮度子块的DCT编码压缩和解码88亮度子块DCDCT第一步：DCT变换 DCT编码压缩JPEG亮度量化矩阵表 第二步：量化处理降低每个DCT系数的比特数 Q(u,v)为量化矩阵（四舍五入）量化结果第三步：Z扫描并串转换第四步：编码传输游程编码：本例为（39，-3，2，1， -1，1，0，0，0，0，0， -1，EOB）。EOB表示块结束，接收端收到EOB后自动将64个元素中余下的元素补零。DC

16、T解码复原第一步：恢复量化矩阵将EOB后的元素自动补零第二步：反量化（IQ）（619）第三步：IDCT重建后的信号与原信号相差很小 预测编码与变换编码的区别相同点：都能解除信源间的相关性，进行压缩编码。不同点：1、 预测编码可完全解除序列相关性，但须知序列的概率特性，有较高压缩比。2、变换编码可解除空间相关性，无须知序列相关性。图像压缩编码标准H.261、H.263（会议电视）JPEG、JPEG2000（静止图像）MPEG-1（VCD）MPEG-2（数字电视）MPEG-4（多媒体通信）JPEGJPEG是联合图像专家组的缩写（Joint Photographic Experts Group ）主

17、要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于帧内，便于编辑。 JPEG标准的算法是基于DCT(离散余弦变换)和可变字长编码。 JEPG压缩编码算法的计算步骤 1、 正交离散余弦变换。2、 量化。3、Z字形编码。4、 使用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系数DC进行编码。5、 使用游程编码对交流系数（AC）进行编码。6、 熵编码。JPEG2000特点高压缩比，其压缩率比JPEG 高约30%左右连续色调图像压缩和二值图像压缩无失真压缩和有失真压缩渐进传输：先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要。固定比特率、固定尺寸对码流的随机访问和随机处理误码鲁棒性

18、（Robust） JPEG2000特点MPEG的基本理论MPEG “活动图像专家组” （Moving Picture Expert Group） 包括三个部分：系统：视频：音频： 特点 （1）在图象和声音的质量上高于可视电话和会议电视的声象质量，至少应达到VHS家用录象机的声象质量。（2）压缩后的数码率能存储在光盘、数字录音带或可写磁盘等媒体中。 （3）压缩后的码率与目前的计算机网络传输码率相适配。（4）在通信网络上它能适应多种通信网络的传输。MPEG和JPEG的主要差别 JPEG和MPEG都采用DCT帧内图像数据压缩编码。 JPEG针对静态图像压缩。MPEG视频压缩技术是针对运动图像的数据压

19、缩技术。帧内和帧间压缩技术同时使用。 MPEG采用了三种图像，帧内预测图、前向预测图和双向预测图,有效地减少了冗余信息。一、MPEG中的三种图像类型与码流组成 三种图像类型MPEG使用三种类型的图像，即I帧、P帧和B帧。I帧是帧内压缩，是随机存取的插入点，同时是解码中的基准帧。 一个图像组总是以I帧开头，I帧压缩可以得到6:1的压缩比。P帧根据前面的I帧或P帧进行预测(向前预测)，使用运动补偿算法进行压缩，因而压缩比要比I帧高，数据量平均达到I帧的1/3左右。P帧是对前后的B帧和后继的P帧进行解码的基准帧。P帧本身是有误差的，会造成误差传播。B帧基于前后的两个I、P帧或P、P帧，它使用双向预测

20、，数据量平均可以达到I帧的1/9左右。B帧本身不作为基准，因此不传播误差。 码流组成 一个GOP由一串I、B、P帧组成，起始为I帧。GOP的长度是一个I帧到下一个I 帧的间隔，一般是一秒内有两个I帧，用来作为随机存取的入口。 在MPEG-2中没有规定GOP的结构，帧重复方式可以是多个I帧，甚至全部是I帧。 在MPEG-1中，一个典型GOP由1个I帧、 3个P帧、 8个B帧组成。二、MPEG的视频数据流结构 图像序列层（Video Sequence layer） 图像组层（Group of Picture） 图像层（Picture） 宏块条/片层 （Slice） 宏块层（Macro block）

21、 像块层（Block layer）MPEG的视频数据流结构 图像序列：是构成某路节目的连续图像，作为节目的随机存取单元，是由图像组构成的，它包含序列起始码、序列头、若干个图像组层的数据以及序列终止符。 序列SC序列头GOPGOP结束码图像组(GOP) ：图像组是为方便随机存取而加的，其结构和长度均为可变的，图像组是随机存取、编辑基本单位，它由定义的一组或多组帧内编码帧（I帧）或非帧内编码帧（P帧或B帧）图像构成。每组包括组头，图像层数据，时间信息。 GOP SCGOP头图像图像 图像：图像是独立的显示单位，也是基本编码单位，由图像头和宏块条层数据组成。在MPEG-2中，图像可以是逐行的，或隔行

22、的。图像sc图像头宏块条宏块条 宏块条：包含若干个连续的宏块，是重新同步单位。宏块条的设置是防止误码的扩散。宏块条sc宏块条头宏块宏块宏块 宏块：宏块层由宏块头加块层数据组成，图像以亮度数据矩阵为基准分为1616像素的宏块，宏块是进行运动补偿的基本单位。一个宏块包含个8 8的亮度块，不同的色度块。 像块：是MPEG码流的最底层，是进行DCT运算的单位，每个块是一个8 8 像素的数据矩阵。每个像块中只含有一种信号元素。宏块在进行DCT运算之前要被分成若干个像块。DCT系数EOB三、MPEG-2的压缩编码步骤1、 离散余弦变换。2、 量化器。3、Z字形扫描与游程编码。4、熵编码。5、 运动估值6、

23、运动补偿特点MPEG-2后向兼容MPEG-1，支持不同分辨率格式之间的兼容。 MPEG-2提供空间和时间可分级方法 MPEG-2图象格式还包括了SDTV和HDTV数字演播室图象格式。四、MPEG-2的特点 五、视频序列分层结构 基本层和增强层基本层提供了视频序列的基本信息，可以单独传输和解码。增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节，必须与基本层一起传输和解码。 四级Low Level(低级)： 像素是ITU-R 601格式的1/4，即 35228825 ； Wain Level(主级)： 应用于普通电视：72057625 High 1440 Level(高1440级)： 格式为14401080

24、25 ；High Level(高级)： 格式为1920108025 。 五类简单类：与主类相同，只是不用B帧，这是为了节约RAM；主类：图像质量合乎一定要求，允许有一定损伤。 信噪比可选类：信噪比分级； 空间尺寸可选类：空间分辨率方面可分级； 高质量类：支持422并全面可分级六、MPEG-2系统复用/解复用：节目级复用/解复用：从各ES流到单路节目传送流（TS)的复用/分离。系统级复用/解复用：多路节目TS流之间的复用和分离。采用时分复用方式（TDM) ATSC中的系统复用压缩层：根据规定信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩，产生出视频基本流（ES）和音频基本流, 视频编码标准采用MEPG-

25、2，音频编码标准采用AC-3压缩技术。 传送层：将ES打包，形成打包基本流（PES），并实现视音频PES的复用，组成复用的节目流(PS ) 或传送流（TS ）。PES包的长度为一个存取单元，视频存取单元为一个图像帧，音频为一个音频帧。图像帧有I、B、P帧之分，它们的PES长度不相同。 在复用器(MUX)中视音频PES 组成PS流和TS流。PS用于相对无误差的环境，TS用于有噪声媒质。PS流中按视音频的存取单元进行复用，它们的PES包长度不固定，而TS流被划分成固定长度188字节的小包。MPEG-4 强调多媒体通信的交互性和灵活性，以及多工业领域的融合。主要应用于：实时通信（视频会议、可视电话等

26、）移动多媒体（PDA等）交互媒体存储（DVD等）交互视频游戏节目制作及广播业务。MPEG-7“多媒体内容描述接口”。能对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与内容相联系，以实现快速有效的搜索。 MPEG-7目标是使视听内容像文本那样容易被搜索。既可应用于存储，也可用于流式应用(如广播)，还可以在实时或非实时环境下应用，如：数字图书馆、广播媒体选择、多媒体编辑等。6.3信道编码与调制技术信道编码引入冗余，目的：进行传输差错控制，负责传输误码的检测和校正，保证传输的可靠性。调制的作用是负责信号变换和频带搬移。一、传输基带传输：信源直接生成的信号，频率低，传输距离近。调制传输：将基带信号搬移到信道损耗较小的指定高频处进行传输。二、信道编码RS码（外层纠错）卷积码（内层纠错）交织交织编码 数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字传输顺序的方法来提高接收端抗突发误码的能力。传输过程中引入的突发误码经去交织解码而恢复成原顺序时误码将分散开，提高了RS码在传输中抗突发误码的能力。 三、调制技术DVB-C: QAM (正交调幅;16-QAM： 16状态/电平正交调幅 )DVB-S: QPSK (四相正交移相键控，与四状态QAM相同 )DVB-T: C