数字电视的国际标准0

1、数字电视原理第五章 数字电视的国际规范5.1 视频紧缩编码规范的开展历程视频紧缩编码规范的制定：国际规范化组织(ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU) 完成的。 由上述两个国际组织制定了：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2) 以及MPEG-4 (10)和H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263+、H.264等。图像紧缩编码规范可分为两大系列：MPEG-X和H.26X。MPEG-X是由国际规范化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)提出的规范，H.26X 是由国际电信联盟 (ITU)规范委员会提出的。图像紧缩编码规范可分为两大系列：MPEG-X和H.26X。MP

2、EG-X是由国际规范化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)提出的规范，H.26X 是由国际电信联盟 (ITU)规范委员会提出的。超高明晰度成像(HRI)建议(ITU-R BT.1201)ITU-R BT.1201 建议书提出了超高明晰度成像(HRI，High Resolution Image)格式和规范建议。HDTV：1920像素1080像素，有p逐行和i隔行之分标清电视：6像素768像素2K-TV：2048像素1080像素4K-TV：4096像素2160像素8K-TV：7680像素4320像素Ultra-HDTV，超高清电视5.2 JPEG规范JPEG的目的：JPEG用于延续变化的静止图

3、像 延续变化是指灰度等级和颜色两方面的延续变化静止图像数据紧缩规范 JPEGJoint Photo-Graphic Experts Group结合图像专家组从1986年正式开场制定,由多个国际组织结合制定:国际规范组织 ISO国际电报咨询委员会 CCITT(后改为ITU)。 国际电工委员会(IEC)也参与协作1992年7月经过了规范的第一部分，后又对有关测试规范草案(即规范的第二部分)作了进一步修正 5.2 JPEG规范JPEG包含两种根本紧缩方法：有损紧缩：基于DCT的有损紧缩，又称为基线顺序编解码(Baseline Sequential Codec)方法无损紧缩：又称预测紧缩方法JPEG的

4、图像紧缩是在本帧内进展, 与前后帧无关；JPEG可以采用逐渐浮现重建方式；JPEG可用于活动图像紧缩编码，只不过紧缩方法只限于帧内进展，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活动图像的紧缩技术称作：M-JPEG(Motion-JPEG), 主要用于高质量图像紧缩编码方案中，例如电视台节目编辑中。5.2 JPEG规范1. 基于DCT的编码器和解码器 编码器： 基于DCT的JPEG解码器：5.2 JPEG规范接纳端收到的紧缩图像数据应包含重建图像的公用数据表等数据5.2 JPEG规范JPEG紧缩流程表示图5.2 JPEG规范JPEG规范中的像素 以NTSC制为例，它的视频最高频率为4.2MHz，故抽样

5、频率可取8.4MHz至9MHz NTSC制行频 行周期 每行的显示时间假设设抽样频率 那么 时间内的抽样数N如下式所示 抽样数N:一行中的显示区或称有效像素区中的像素数 5.2 JPEG规范5.2 JPEG规范像素外形的概念又称为纵横比，按JPEG规范规定像素纵横比为1：1，也就是像素为正方形；例如上述NTSC制中一行像素为480个，假设像素纵横比为1：1，图像尺寸纵横比为3：4，那么一帧图像应有的行数为48034360行；光栅转换或扫描转换：NTSC制一帧图像为525行，其中包含两场，假设扣除两场的场消隐所需74行，那么余451行,转换到360行,那么需求合并。按 ，那么每10行需求并成8行

6、，这就是图像光栅处置中常用的光栅转换或扫描转换。5.2 JPEG规范2. DCT变换及其系数的量化、编码JPEG规范是将“二维空间的图像数据用离散余弦变换DCT公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系数经量化矩阵量化 亮度量化矩阵 色度量化矩阵 5.2 JPEG规范经Zig-Zag扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，以便进展熵编码 这种低频在前高频在后Zig-Zag扫描的陈列方式也称带状编码，由于它和频带由低到高呈带状一致。这和量化步长逐渐提高的方式一致，所以也称门限系数陈列方式。对于直流分量DC进展差分脉冲编码对交流分量AC进展霍夫曼或者游程编码3. 数据交换格式5.2 JPEG

7、规范静像数据经编码后，得到紧缩数据流。为了便于交换和储存，需求有一致的交换格式，同时也便于解码器解码。第一行为紧缩图像数据。图中SOI表示图像开场。中间方框表示一帧图像数据。最后的EOI表示图像终了。SOI和EOI均称为标志符号，各占2字节(Byte)。 第二行给出帧内包含的数据内容。首先是表杂项，其中表即为数据表，如量化表、霍夫曼DC和AC表等，杂项即为其它必要的信息。帧头表示帧头信息，包含所选方法(如基线DCT方法等)、抽样精度、量化位数、源图像行数、每行抽样数、各分量图像尺寸比例等。扫描1表示扫描数据1。第三行的扫描头(Scan Header)包含扫描起始信息、分量图像号码、该分量图像的

8、参数、熵编码表选择等内容。ECS0(Entropy Coded Segment)表示第0段熵编码。 第四行用于阐明初始和终了的熵编码段。各编码段内包含假设干个最小编码单元MCU。5.3 MPEG-1规范MPEG-1的目的MPEG-1规范的设计思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低带宽条件下，提供尽能够高的图像质量包括音频。它是针对CD-ROM、光盘的视频存储和放像所制定的数字电视规范。 VCD运用MPEG-1规范，图像尺寸为352288，规范速率为1.2Mbit/sMPEG是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写，MPEG的义务是开发活动图像

9、及其声音的数字编码规范，成立于 1988年。活动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了ISO 11172规范的建议草案，通称MPEG-l规范。该规范予 1992年 l 1月被经过， 1993年 8月公布。5.3 MPEG-1规范1. MPEG-1规范的内容ISO/IEC 11172 包括三大部分:ISO/IEC 11172-1 第一部分 系统ISO/IEC 11172-2 第二部分 视频ISO/IEC 11172-3 第三部分 音频 MPEG-l规范可以处置各种类型的活动图像，其根本算法对于紧缩程度方向 352个像素、竖直方向 288个像素的空间分辨力，每秒 24/25/30幅画面的运

10、动图像有很好的效果；在MPEG-l规范中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念，前者一定是逐行扫描的图像，假设待处置信号是隔行扫描的图像，那么编码前必需将其转换成逐行扫描的格式5.3 MPEG-1规范MPEG-1规范采用了一系列技术以获得高紧缩比:对色差信号进展亚采样，减少数据量；采用运动补偿技术减少帧间冗余度；做二维DCT变换去除空间相关性；对DCT系数进展量化，舍去不重要的信息，将量化后的DCT系数按照频率重新排序；将DCT系数进展变字长的熵编码；对每个数据块的直流分量(DC)进展预测差分编码；在 MPEG-l规范中，思索到紧缩比和随机存取这对矛盾，一共定义了3种图像类型： I帧： 帧内帧图

11、像，采用帧内编码，不参照其他图像。它作为预测基准的独立帧。设置I帧的主要要素是：1当某帧找不到匹配的参考帧时，就只好进展帧内编码，场景切换就是这种情况的例子；2解码I帧不需求参考帧，因此可以在I帧进展码流的切换和编辑等操作，提供随机存取的插入点；3长时间延续地进展预测编码，预测误差会不断累积，图像质量不断下降。为防止解码图像损伤的逐渐加剧，需定时进展帧刷新，即周期性地插入I帧，以便重新开场一个新的预测编码过程。 2. P帧，又称前向预测编码帧。 它用前面最近的I帧或P帧作为参考进展前向预测，采用带运动补偿的帧间预测编码方式。由于同时利用了空间和时间上的相关性，所以P帧比I帧的紧缩效率高。P帧也

12、可作为参考帧。 3B帧，又称双向预测编码帧。 它既用源视频序列中位于前面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进展前向运动补偿预测，又用位于后面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进展后向运动补偿预测。即B帧可采用帧内编码、前向预测编码、后向预测编码、或双向预测编码4种技术，其紧缩比最高。但B帧不能用作对其他帧进展运动补偿预测的参考帧。帧内图像I的紧缩编码算法框图5.3 MPEG-1规范5.3 MPEG-1规范预测图像P的紧缩编码算法框图5.3 MPEG-1规范双向预测图像B的紧缩编码算法框图 5.3 MPEG-1规范I 帧、P帧和B帧图像的依赖关系 I帧图像普通在0.5 s相隔12帧左右一幅，它作为

13、P帧和 B帧图像的参照图像，要求图像质量较高，否那么会引起误差向 P帧和 B帧图像分散，因此 I帧图像的量化系数较小。两个相邻的 I帧图像之间会插入假设干个 P帧图像，两个相邻的 P帧或 I帧图像之间会插入假设干个B帧图像。应该留意的是，图像的显示顺序和编码顺序并不一样。 上图所示的显示顺序陈列。 以下图所示为编码顺序陈列。5.3 MPEG-1规范编解码延时问题由于编码顺序和显示顺序之间的差别，带来编、解码总延时达0.81秒时间。这种延时对广播性质的图像传输不会带来任何影响，由于用户并不能发现发射端与接纳端信号起始时间的差别；对于交互性质的图像传输，例如，数字会议电视那么带来非常不便。由于甲方

14、图像传至乙方经编码、解码要延时0.81秒时间；乙方图像传至甲方经编码、解码也要延时0.81秒时间，这样，假设甲对乙提一个问题，那么1.62秒以后才干得到回答 。5.3 MPEG-1规范处理编解码延时过长问题减少B帧使两个I帧之间的帧数减少，那么编、解码总延时下降，甚至可以把B帧、P帧全部取消，这样，可以得到0延时。这种方式也称M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此时的紧缩比降到了5:17:1；延时与紧缩倍数是相互矛盾的 MPEG为了更好地表示编码比特流，用句法规定了一个分层构造，共分6层，从高到低依次是: 视频序列、图像组GOP、图像、宏块条Slice、宏块层及像块层。图像图像组视频

15、序列宏块条宏块像块 视频序列是指构成一段或整个电视节目的延续图像序列，是随机选取节目的一个根本单元。从节目内容看，一个视频序列大致对应于一个镜头。切换一个镜头，即表示开场一个新的序列。 在视频序列层，起始码后是序列头，它包含有视频序列参数，如图像的尺寸大小、幅型比、帧频、数码率、缓冲区大小等。 为了确保能在不同的时间随时进入视频序列，MPEG允许反复发送序列头。序列扩展数据后面跟假设干个图像组层的数据。视频序列层以序列终了码SEQEC终了。 GOP是由一个视频序列中延续的假设干帧图像组成。每个GOP由一个I帧和一些P帧、B帧组成，GOP的第一帧一定为I帧。 图像是一个独立的显示单元，它可以作为

16、一个整体被显示设备显示。 图像层包括不同编码类型的图像，即I、B、P帧。在图像层头中包含了图像编码的类型和时间参考信息。 在MPEG-1中，图像的扫描方式是逐行的，因此图像总是帧格式。而在MPEG-2中，图像的扫描方式既可以逐行的，也可以是隔行的。逐行扫描的图像只能是帧格式；而隔行扫描的图像可以是帧格式，也可以是场格式。 一个图像包含亮度分量和色度分量。在MPEG-1中，亮度和色度的采样格式是420；而在MPEG-2中，除了这一格式，还可以采用422及444的格式。 每个宏块条包括假设干个延续宏块，其顺序和行扫描顺序一致。宏块条可以从一个宏块行16行宽的任何一个宏块开场。 宏块条是比特流重新同步的根本单元。一旦因传输过失发生误码而导致接纳端解码失步，此时，可根据起始码重新获得同步。划分成宏块条的主要目的在于防止误码的分散，即假设一个宏块条内的数据因传输过失发生误码，但又不可纠正时，下一个宏块条不受其影响，仍能准确地找到下一个宏块条的起始位置并正常解码。 一个宏块由1616像素的亮度阵列和同区域内的Cb、Cr色差阵列共同组成。在MPEG-1中只采用420宏块构造。 宏块是运动补偿预测的根本单元。 一个420的宏块由6个块组成，其中有4个亮度块