视频信号数字化

1、A6视频信号数字化A1数字信号及其优越性A2数字信号的编码A3纠错技术基础A5数据压缩技术A4误码补偿数字信号及视频信号数字化2022/8/24A1 数字信号及其优越性 1模拟信号 模拟信号的特点是信号幅度随时间连续变化。对模拟信号的处理通常包括放大、调制、变频、解调、换能等。模拟信号在处理过程中，常会由于电路系统指标不良而产生失真。如传输线路频带不足导致波形失真，处理电路动态范围不够造成限幅失真，放大器的线性不良产生非线性失真，传输系统内部产生的噪声使信噪比降低等。2022/8/24模拟系统中的噪声与失真等影响是积累的，模拟信号经过多次处理后，信号质量会明显变劣。为了克服模拟信号在传输过程中

2、由于受到系统质量指标的影响而造成的信号变形和失真，并对信号进行更有效的处理与保存，必须对模拟信号进行数字化处理，即通常说的模数转换(A/D转换)。2022/8/242数字信号及其优越性 数字信号只有高电平和低电平两个不同的状态，相应地数字电路中只有导通和截止两种状态，因而电路的工作稳定可靠。更主要的是数字信号可以用计算机技术来处理，使传统的电路概念发生了深刻的革命。 数字信号仅有0与l两个不同的状态传输过程中只要能区分这两种状态，信号就不会失真。就是说，在传输时即使遇到干扰或失真，只要仍能区分高电平和低电平，就可以将信号复原。2022/8/24模拟变数字：取样、量化、保持、编码激光唱片系统的取

3、样频率是44.1千赫率.每一个取样点由十六位二进制来表示2022/8/24A2 数字信号的编码 一、音频数据码 模拟信号经A/D转换，形成只有1和0组成的二进制码。这些由l和0组成的数码不能直接用于传输或记录因为音频信号在低频时可以低到20Hz，甚至更低。若变换成数字信号，就会出现连续很长的1；当输入零信号时，出现连续很长的0。这样，一段时间内信号的大小就没有变化，这种情况数字处理电路很难识别信号。为了避免发生这种现象，不直接记录A/D转换后的音频数字信号，而是将音频数字信号通过调制变换成一种容易记录和读取的波形。经过调制的音频信号称为音频数据码。2022/8/24为了便于对数据进行处理，必须

4、将连续信号分组。CD标准规定，音频信号的L和R声道的各6个取样数据合编为一组称为数据帧(又称CD帧)。一个取样数据是16位在传输时把它分为高位和低位各8位即两个字节，因此一个CD帧有62224字节的音频数据。由于取样频率是44.1kHz，所以数据帧的重复频率为44.1kHz67.35kHz。 另外，为了能淮确重放信号和实现重放控制，还在数据帧里插入纠错码、控制码、同步码以及其他工作数据。2022/8/24二、纠错码 数字信号能辨认出原来的数字0或1，就能恢复原来的数字信号，但是，如果信号丢失或出错，仍然会造成失真。丢失和出错的信号称为误码。数字信号在记录和读取过程中不可避免地产生误码，其影响比

5、模拟信号更严重。 CD系统中为了达到误码纠正的目的，采用了CIRC交叉交织纠错编码。信号记录前对每帧24个音频数据进行C2编码和C1编码，附加4个C2纠错字节(Q纠错码)和4个C1纠错字节(P纠错码)，重放时经纠错解码可以将大多数误码纠正过来。2022/8/24纠错原理示意图 2022/8/24A3 纠错技术基础 一、1、误码产生的原因： 当发送端发“1”，接收端收到“0”；或当发射端发“0”，接收端却收到“1”。这种收发码不一致的情况叫误码。 误码率：也用来衡量数字系统正确传送信号的可靠程度，指码元或符号（可以是二进制，也可以是M进制）被传错的概率 误码产生的原因很多，包括噪声和脉冲抖动的影

6、响，工业干扰和雷电干扰等等。影响误码率大小的因素很多，如信号调制方式，判别门限值的高低。误码率越小，要求视频信噪比越高。比如，为了使某数字系统的误码率达到10-9，要求信噪比为21.6dB左右。 2误码的类型 (1)随机误码 只有一位出错的误码叫随机误码，有时也把大于1位但比较短的误码叫作随机误码。(2)连续误码 连续误码又称群误码。长度长，纠错比较困难2022/8/24二、奇偶检验将误码校正为正确的码字称为纠错，其基本方法是采用奇偶检验码来检测误码所在。码的奇偶性就是指码中1的个数是奇数还是偶数。奇偶检验就是在每个字节的末尾时加一位校验位。使数据码中1的个数为奇数或偶数。经过存储或传输后，再

7、求一次奇偶位，与原来的奇偶位相比较，若不一致、则表示有错。 奇偶检验包括奇检验和偶检验。奇检验就是当数据码中1的个数为奇数时其校验位为0，否则为1。偶检验就是当数据码中1的个数为偶数时，其校验位为0，否则为1。2022/8/24奇偶检验法只能判定1位误码，对于两个以上的误码是无法判定的；而且只能判定有无误码，无法确定误码的位置。采用纵横奇偶检验法。每个字最后附上奇偶检验位Pl、P2、P3、Pm，这就是横向奇偶检验字。将每一列作为一个新的字，其后也附上奇偶检验位Q1、Q2、Q3、Qm，这就是纵向奇偶检验字。当某一位出现误码时，必然反映在横向奇偶位和纵向奇偶位上。出错的横向奇偶检验位和出错的纵向奇

8、偶检验位的交叉点处，便是误码所在的位置。误码的位置确定后，纠正是很容易的，只要将该码取反即可。另外规定，如果误码所在地是在奇偶检验位上，则认为原字码无错误。 纵横奇偶检验法可以纠正单个随机误码，对连续误码是无能为力的。2022/8/24纵横奇偶检验法：2022/8/24三、交叉交织法在一般数字系统中，解决连续误码的方法常用交叉交织法。交叉交织法的功能是将连续误码分散开，变成容易纠错的随机误码。交织法就是记录时改变数字信号的顺序，重放时再按原来的顺序重排，前者称为交织，后者称为去交织。具体做法就是把数字信号按时间顺序分组，再使各组延迟一定的时间，然后调换顺序(即交织)重新组合，将这种交织处理后的

9、数字信号记录在光盘上。这样一来，重放时如果在交织过的信号中出现了连续误码，但经去交织处理后，数字信号的排列顺序被还原同时误码被分散开来，连续误码变成了随机误码，这样就容易纠错了。2022/8/24交织法示意图 ：2022/8/24分组延迟型交织法 ：2022/8/24交叉交织编码器框图 ：交叉交织法就是给交织之前和交织之后的不同字组都分别加上纠错码。 2022/8/24A4、误码补偿里德索罗门交叉交织码具有很强的纠错能力，但是仍会有超出其纠错能力的误码。对于这些无法纠正的误码，必须采取一些补救措施，以达到和原信号近似的状态，避免形成有害噪声。根据误码的前后关系，计算出误码原近似值的方法叫做误码

10、补偿。误码补偿是使误码尽量接近原码的一种近似方法，和纠错是不同的概念。下面介绍几种常用的误码补偿方法。 1无声法 这种方法是使误码处变成无声，误码处置零。粗糙的补偿方法，一般不用。 2022/8/242线性插补法 这种方法用误码前后两个(或多个)正确数据的平均值来代替误码。这是较精确的误码补偿方法。3前字保持法 这种方法就是保持误码前面的那个数据来代替误码。这是一种存储操作，因为是重复以前的值。采用前字保持法的失真很小。 4前字保持和插补结合法 这种方法可以对两个误码进行补偿，即误码的前一个数据被保持，用来代替第一个误码，这个数据和第二个误码后面的一个正确数据的平均值，用来代替第二个误码。20

11、22/8/24A5 数据压缩技术一、视频信号的数据量 模拟信号转换为数字信号后，会带来巨大的数据量要求数字处理设备有很高的传输速率。若数字化信号的取样频率为fs，量化位数为N，则其数字信号的传输速率(或称码率)RfsN。此即为信号在系统中每秒传送的码位数(简写为bps)。 彩色数字电视规定Y：U：V的分量编码方式，其取样频率分别为13.56.756.75MHz，每一取样值以8bit量化则一路彩色电视图像信号的码率为： R(13.5十6.75+6.75)MHz 8bit216Mbps2022/8/24每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而且亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是

12、相互独立的，每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。YUV模型用于PAL制式的电视系统，Y表示亮度，UV并非任何单词的缩写。 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B Y) V = 0.877 (R Y)YUV空间相当于对RGB（彩色矩阵）空间做了一个解相关的线性变化。U和V的比值决定色调，而(U2+V2)1/2代表颜色的饱和度。YUV返回2022/8/24数字化信号巨大的数据量带来了存储和传输的困难。为能在较窄频带的设备中传输视频信号，对信号的数据量进行深入研究，发现在这些大量的数据中，有一些是带有信息的，有一些则几乎不带什么信息。我们把

13、这些数据的总量称为数据量把携带信息那部分的数据称为信息量，而把不携带信息的那部分数据称为冗余量。只要把信息量保存和利用起来，就可以恢复原来的图像信号。因此，在对信号源编码时，总是要力求压缩冗余量，以提高信号传输与存储的效率。 2022/8/24二、冗余数据的分类为实现对数据的压缩，必须了解数据中有哪些类型的冗余。声音和图像信号数据中，比较常见的冗余有： 1空间冗余 空间冗余是指一幅图像中存在的冗余数据。图像中总是存在大量有规则的背景或景物，或者说图像的像素并不是独立的，而是有较强的相关性。例如一幅画面的背景是一片蔚蓝的天空，其蔚蓝天空的像素组成具有较强的相关性，我们没有必要将这蔚蓝天空的像素逐

14、点编码。这种相关性的图像部分，在数字化数据中就表现为空间冗余。空间冗余是视频图像中常见的一种冗余。2022/8/242时间冗余 时间冗余是指电视图像序列中，相邻帧之间存在的冗余数据。在电视图像序列前后相邻的两幅图像中，其图像间呈现较强的相关性。即相邻两幅图像的差别很小，我们可以只对其差别部分进行编码。这种图像间的相关性，反映为时间冗余。在语音和音乐等音频信号中，相对于取样数据来说都是一个连续的过程，也存在着时间上的相关性，所以也有时间冗余。 3信息熵冗余 信号源所含有的平均信息量称为信息熵。在通常的编码中，数据量常大于此平均信息量，这种由于编码带来的冗余称为信息熵冗余(或编码冗余)。 2022

15、/8/244知觉冗余 知觉冗余是指那些处于人们听觉和视觉分辨力以下的声音和图像信号。若在编码时舍去这些在知觉门限以下的信号，虽然会使复原信号产生一定的失真，但并不被人们的知觉所觉察。这种超出人们觉知能力部分的编码就称之为知觉冗余。 人们的感知机理由生理心理特性所决定。充分利用视觉上的暂留特性、听觉上的掩蔽特性等来去除知觉冗余，提高编码效率。2022/8/24 三、数据压缩编码方式数据压缩处理通常包括编码和解码两个过程。根据解码后数据与原始数据是否完全一致，可以把数据压缩方法分成两类：可逆压缩与不可逆压缩。前者在编码时仅去除冗余数据，解码后能完全恢复原来的数据，其过程是可逆的；后者在编码时不仅去

16、除了冗余数据，而且舍去了部分不重要的信息，解码后不能精确恢复原数据，有一定的失真，其过程是不可逆的。 信号源中常含有各种冗余，对不同性质的冗余常采取不同的编码方法。 2022/8/24无损编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息没有任何损失，经解码处理可以完全恢复原来的数据。典型的例子是计算机软件的压缩处理，如ZIP、RAR等。有损的编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息次要部分被丢失，经解码处理不能完全恢复原来的数据。典型的例子是MPEG编码压缩。 2022/8/241预测编码 预测编码是对活动图像进行压缩的编码方法，它包括运动补偿、自适应预测、线性及非线性预测等。在一帧图像中，对于空间冗

17、余，反映为同帧(帧内)图像中相邻像素点之间有较强的相关性，故可用与某一像素点的相邻已编码点来进行预测估计。对于时间冗余，则表现为帧间相同位置点之间的相关性，故可用相邻的已编码帧来进行预测估计。预测编码减少了数据在时间和空间上的相关性，因而减少了冗余量，实现数据压缩2信息熵编码 这是一种根据信息熵的原理，让出现概率大的数据用短的码字表示，出现概率小的则用长的码字表示。其最常见的方法有哈夫曼编码(Huffman coding)、游程编码(RunLength Coding)以及算术编码等。2022/8/243变换编码 变换编码是指从时域到频域的变换处理。通常是将图像信号(时域信号)变换到系数空间(频

18、域)上再进行处理，这也是针对活动图像进行压缩的方法。在空间上具有强相关的信号，反映在频域上其能量常常集中在某些特定的区域。我们可以利用这些规律分配频域上的量化位数，从而达到数据压缩的目的。在变换编码中常见的有DCT(Discrete Cosine Transform离散余弦变换)等正交变换方法。4子带编码 这是一种分析与综合的编码，在子带编码(Subband Coding)中，先将图像数据从时域变换到频域，再按频率分成各个子带，然后利用子带滤波器对信号进行分析，再按一定规则及算法得到压缩编码信号。 2022/8/24A6 视频信号数字化 视频信号数字化处理的一些基本方式，如取样、量化、编码和D

19、/A转换等，与音频信号基本相同。 但由于视频信号自身的特点，其数字化处理也有其特殊性，主要表现在取样结构和取样频率上。 2022/8/24一、视频信号数字化的特点 视频信号指的是彩色全电视信号(FBAS)：亮度信号、色度信号、行场同步信号、行场消隐信号及其他辅助信号组成。2022/8/24 常用的电视制式：NTSC制和PAL制。 PAL制即625/50制，场频为50HZ，两场为1帧，帧频为25Hz，每帧有625行。根据隔行扫描原理，每一场由312.5行组成，每一帧为625行，由此构成一幅完整的电视图像。同步信号和消隐信号是始终不变的，变化的是亮度信号，它随图像的明暗程度而变化。 视频信号与音频

20、信号的区别： 一：由于亮度信号被同步信号和消隐信号分成一段一段的，在时间上成为不连续； 二：音频信号的频率范围只有020kHz，而视频信号的频率范围则达06MHz，两者之间相差很大。2022/8/24 对视频信号数字化的方式：全信号数字化和分量数字化全信号数字化：对图C信号直接进行数字化分量数字化：对图a、d和e信号分别进行数字化，然后利用时分复合方法进行处理。分量数字化由于省去了电视信号的反复解码和编码，亮度信号和色差信号被分开处理，相互间不存在干扰，同时对制式的兼容性也好，所以目前普遍采用分量数字化。2022/8/24 (一)视频信号的取样结构 无论何种制式，电视屏幕上的一幅完整图像都是以

21、隔行扫描的形式进行的，既有水平扫描又有垂直扫描。这样在取样时就产生了取样点的分布问题，因取样而构成图像上的样点排列方式称为取样结构。 视频取样结构：移动型、固定型2022/8/24(二)取样频率 在电视信号中，取样频率考虑因素：亮度、色差、其他因素。 1、亮度信号的取样频率1)与被取样信号的带宽有关 根据奈奎斯特取样定理，取样频率至少是信号上限频率的2倍。对PAL制要求5.86MHz带宽， NTSC为5.6 MHz带宽。 2)混叠要求 为了保证取样后的混叠噪声足够小，要求取样频率是信号带宽的2.22.7倍，对PAL制信号，取样频率至少应为12.7213.2MHz，为留有余量，应大于13.2MH

22、Z。3)正交取样结构的要求 取样频率必须是行频的整数倍。4)制式兼容要求 为了使NTSC和PAL两种制式兼容、必须采用同一种取样频率，而PAL制行频为l5625Hz，NTSC制行频为15734Hz。二者的最小公倍数为2.25MHz。 综合以上因素，将亮度信号的取样频率定为13.5MHz。2022/8/242.色度信号的取样频率 为了获得满意的彩色图像，两个色差信号应有2MHz带宽，另外，考虑到混叠噪声、取样频率应为行频的整数倍、制式的兼容性等要求，色差信号的取样频率取6.75MHz。 图4-4为亮度信号和色差信号的取样点，其中圆圈为亮度信号的取样点，三角为色差信号的取样点。 2022/8/24(三)量化位数和码电平的分配信号的信噪比与量化位数有关。单极性信号，其信噪比与量化位数的关系： SNg6n十10.8 n为量化位数量化位数越大，信噪比越高。综合考虑图像质量和设备技术要求等因素，采用8位量化数比较合理，此时信噪比可达到59dB。 2022/8/24码电平是指对模拟信号的量化级电平。若对亮度信号采用8位均匀量化，可获得256个量化级，即码电平从0255，对应二进制的0000000011111111。由于电路工作的不稳定性、陡峭的前置滤波器和孔阑校正电