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文档简介
8、数字电视基础1、模拟电视模拟电视最明显的缺点是在传输过程中图像质量的损伤,因为信号的非线性失真积累使得图像对比度会产生越来越大的畸变,长距离传输后,图像的信噪比也会下降,图像的清晰度越来越低。
现有的模拟电视图像在“清晰度”上还不如电影(如35mm影片),这里讲的清晰度包括图像细节分辨力、重现彩色的逼真性、图像的稳定性、图像杂波及临场感等方面。1世界上目前通行的彩色电视广播三大制式NTSC、PAL和SECAM都是在已确定的黑白电视广播制式的基础上发展起来的,技术上均满足彩色与其相应的黑白电视制式具有兼容性的要求,都属于模拟信号编解码和调制传输方式。
从当时的技术水平看,三大制式通过对亮度信号和色差信号的合理选择,色差信号对色度副载波的特定调制方法,以及频谱交错、倒相等技术,巧妙地依靠亮、色信号的频带共用组成彩色全电视信号,解决了兼容性问题。2
然而,利和弊常常相伴而生,由这类兼容方式复合成的全电视信号经调制传输和解调显示所给出的彩色图像存在着一些明显的缺点。
在电视广播日益普及、人们鉴赏能力充分提高的情况下,原来认为相当完美的兼容性彩色电视制式实质上存在一些主要缺陷。3(1)亮度分解力不足
亮度分解力决定了重现图像上亮度细节的清晰度,人们希望看到极为清晰、细节鲜明的图像。
当前兼容性的模拟电视广播制式亮度信号带宽标准定为5MHz以上。
但实际上因色度副载波带宽里存在亮度、色度间的串扰,电视接收机的亮度通道往往仅为3.5MHz带宽,水平分解力也只有300线左右,图像细节受到较大局限。4(2)色度分解力不足色度分解力决定了重现图像上细节的清晰度,它与色度分量的基带信号宽度相关联,在模拟电视中,色差信号基带宽度1.3MHz,这就使色度信号细节明显降低,重现图像的彩色欠清晰。5(3)亮度、色度信息互串兼容性彩色电视制式中,在已调色度副载波的fSc+1.3MHz范围内,亮度和色度信号频带共用,电视接收机一般不能将两种信号干净地分开。6(4)亮-色增益差和延时差
亮、色信号频带共用中,亮度信号能量主要处在视频通道的低中频段,已调波色度信号能量主要集中视频通道的高频段(副载波两旁),
视频通道的线性特性不够好时,也即幅频特性欠平坦和群时延特性不成直线。
会造成亮-色信号增益差和亮-度信号延时差,前者导致图像饱和度失真,后者导致图像上亮、色成分位置错移,出现彩色镶边现象。7(5)微分增益和微分相位
视频通道的非线性特性会造成微分相位和微分增益,引起不同亮度层次上的色调失真和饱和度失真。(6)电视信号的时间利用率不充分在全电视信号中,行、场消隐期内仅仅传送了消隐脉冲和同步脉冲,以及向接收端提供行、场扫描逆程所需的消隐信息和同步信息。行消隐期占行周期的18%,场消隐期占场周期的8%。
如此可观的时间比例未利用来传输更多的信息显然是信息容量的重大浪费。8(7)电视信号的幅度利用率不充分按照标准,基带全电视信号峰-峰幅度为1.0Vp-p中,正程视频信号占0.7Vp-p,消隐期内同步脉冲占0.3Vp-p。
可见,呈现图像的视频信号只占全电视信号幅度的70%,未能充分利用有效视频通道动态范围来传输图像信息。9(8)声音信号只是单声道一路电视频道带宽8MHz内只携带一路声音信号,属于单声道电视广播。随着电视机屏幕尺寸的不断增大和视频信号处理电路的逐步改进,单声道声音和大屏幕图像不相匹配。综上所述,彩色电视图像质量在许多方面都受到模拟制式的制约。10
通过几十年的发展,人们通过各种技术来压缩带宽,如:隔行扫描技术;大面积着色原理;高频混合原理;频谱交错技术;各种滤波器技术;正交平衡调幅;I/Q信号技术等等。11
但这些技术是基于人眼的视觉生理缺陷,也只能做到在大多数情况下,人眼不易察觉。
随着人们对视频信号的要求越来越高,如显示屏越来越大、亮度越来越高、以及观看快速运动的图像的需求,使得模拟电视已不能满足人们的视觉要求。122、数字化电视模拟电视的缺陷,使得黑白电视出现不久,人们就开始研究数字化电视。然而由于受到当时技术条件的限制,因此研究多停留在理论探索上,只是在60年代大规模集成电路问世之后才真正取得了进展。
目前电视的数字技术得到了快速发展,在有些场合,如在电视广播演播室中,数字电视已经实现,作为电视接收机也开始向数字电视过渡。而整个广播电视从模拟体制向数字体制过渡是一个必然的过程。13
目前电视已经大部分数字化了,技术上逐渐的变化已经伴随着电视节目进入千家万户。
今天我们用来生产电视节目的大多数设备已经是数字的,如演播室中使用的众多的数字视频处理设备、站点之间的传输设备、接收终端。
但它仍属于模拟电视的范畴,只能接收模拟电视信号,无法接收数字电视信号,与真正的数字电视是两个不同的概念,不可混淆。
数字化电视/数码电视/准数字电视/真数字电视/全数字电视….143、数字电视
数字电视指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号,然后进行传输、处理或进行储存的系统,所以在数字电视系统中,从摄像之后至显像之前的图像信号都是数字信号。15
数字电视产生的前提:近十多年来,微电子技术、超大规模集成电路技术的出现,为数字电路准备了物质技术基础;数字信号处理理论和技术的发展,又为数字电视的实践做了理论和技术上的准备;计算机技术、显示器技术的突飞猛进,特别是数字视频信号的频带压缩技术的发展,使数字电视的发展取得了令人鼓舞的成果。
168.1数字电视的概述数字电视是从节目采集、编辑制作到信号的发送、传输和接收全部采用数字处理的全新电视系统,它利用了先进的数字图像压缩技术、数字信号纠错编码技术、高效的数字信号调制技术等。数字图像压缩技术:在只能传送一套模拟电视节目的频带内可传送多套数字电视节目,视电视频道数迅速增多。数字信号纠错编码技术:在处理、传输信号过程中引入的噪波,只要幅度不超过一定门限,都可以被清除掉;即使有误码,也可以利用纠错技术纠正过来。171、数字电视的组成图?为数字电视系统组成框图,系统由数摸转换、信源编码/解码、多路复用、信道编码/解码、调制/解调、信道和接收机等部分组成。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用18模拟电视信号源。可以是摄像机输出信号、录像机输出信号,接收到的广播电视信号或其它视频信号源。目前一般都采用数字视频信号。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用19A/D转换器。如果是模拟信号,需对模拟视频信号进行A/D转换,成为脉冲编码调制(PCM:PulseCodingModulation)的数字视频信号。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用20压缩编码
由于PCM电视信号的数码率过高,以PAL制全电视信号为例,采用3倍副载波取样、8bit量化后的PCM全数字电视信号的数码率达106Mb/s,所以通常需要把PCM数字电视信号经过压缩编码。
压缩编码是为了提高数字通信传输效率而采取的措施,它将数字视频、音频、数据进行编码(如MPEG-2标准等),然后进行频带压缩,减少电视信息的冗余度,以降低信号的码率和相应的传输带宽。21
在数字通信中,A/D转换器所完成的PCM编码和压缩编码过程均属于信源编码,经过压缩码率以后的数字电视信号可供记录或存储,同时送至多路复用。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用22多路复用/解复用将多频道电视信号采用时分复用的方式,转变成一路信号。反之,为解复用。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用23信道编码
信道中不可避免地存在噪声源,因此信道编码主要是对输入信号进行检错、纠错编码,以提高信号在信道中的抗干扰(噪声干扰和突发干扰)能力,降低误码率。
所以信道编码在信号中增加了一部分冗余码,即通过牺牲信息传输效率(增加信息的冗余度)来换取可靠性的提高。
如果需要,还可以对需要保密或者收费的电视进行加密。24调制与发射。是为了提高频谱利用率,把基带数字信号变换成高频载波信号,即将数字信号调制于载波,成为为适合所选信道上传输的形式并发射出去,便能在信道中进行远距离传输。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用25传输信道。适合数字电视信号传输的信道有,卫星广播信道、有线广播信道和地面广播信道等。地面无线广播由于其独有的的简单接收和移动接收能力,能够满足现代信息化社会“信息到人”的基本需求。卫星广播着重于解决大面积覆盖;有线广播着重于解决城镇人口居住稠密地区“信息到户”的问题;
信道中不可避免的会产生噪声。26解调与接收。在电视接收端,信号的处理过程是电视发端的逆过程,把经过数字处理和传输的电视信号还原为模拟信号。其功能包括调谐、解调、信道解码、解复用、视/音频解压缩、显示格式转换等。模拟信号源A/D转换器压缩编码信道编码调制重现模拟图像D/A转换器压缩解码信道解码解调信道信源编码图?数字电视系统组成框图噪声源发射接收信源解码记录或存储PCM信号多路复用多路解复用272、数字电视的特点
数字电视与模拟电视相比,主要有以下优点:(1)抗干扰能力强,图像传输质量较高;(2)具有数字环绕立体声伴音;(3)多信息、多功能;(4)手机电视;(5)可与计算机联网,成为多种业务信息兼容的数字通信网;(6)易于集成,设备可靠,维护简单;(7)易于实现条件接收。283、数字电视的关键技术(1)寻求有效的数字电视压缩编码和高效数字调制技术。PAL制彩色电视全数字分量编码的200Mb/s的数码率要压缩到20Mb/s以下。(2)采用光纤等宽带传输信道。一条光纤可同时传输几十甚至数百套数字电视节目。(3)开发超高速、超大规模数字集成电路技术,降低成本。298.2电视信号的数字化原理8.2.1视频信号的数字化
模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是一个编码过程,也称为脉冲编码调制(PCM)。PCM是视频电视信号数字化的基本方法,包括取样、量化和编码。
反之,由数字电视信号再转换为模拟信号称为PCM解调或解码过程。取样量化编码模拟电视信号PCM信号取样脉冲解码插入滤波模拟电视信号(a)A/D变换(b)D/A变换图?电视信号的数字化和复原30(1)取样在A/D转换器中,在时钟和同步信号的控制下,对模拟信号进行取样,取样后的信号为脉冲幅度调制(PAM)信号。取样频率设为fS(周期为Ts),它是由时钟信号产生。tf(t)tδ(t)00tPAM0654321tPCM10001011101101100010010T2T3T4T5T6TT2T3T4T5T6T001011101101100010010量化值fF(t)0fδ(t)0ffS(t)0图?PCM的编码与解码过程(a)是模拟电视信号(b)是理想的取样脉冲信号序列(c)表示取样信号和量化后的数字电视信号(d)为不归零(NRZ)的串行数字电视信号(e)是模拟电视信号的频谱(f)是取样信号的频谱(g)PAM信号的频谱31
理想取样时,只要取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的两倍,就可以不失真地恢复模拟信号,称为奈奎斯特取样定理。
模拟信号中最高频率的两倍称为折叠频率。32
根据奈奎斯特取样定理,必须fS≥2fm(为了便于滤波器的实现,通常要求fS≥2.2fm),才能使PAM信号包含原模拟信号的全部信息,并使PAM信号的频谱在基带频谱0~fm与调制频谱(fS-fm)~(fS+fm)之间不产生混叠,从而通过低通滤波器(后置低通滤波器)恢复出原模拟信号。
同时,为了避免频谱混叠失真,模拟信号取样前必须通过上限频率为fS/2的前置低通滤波器,将其频谱最高频率限制在fm=fS/2。33取样量化编码模拟电视信号PCM信号取样脉冲解码插入滤波模拟电视信号(a)A/D变换(b)D/A变换图?电视信号的数字化和复原(2)量化
所谓量化就是把幅度连续变化的模拟信号变换为用有限位二进制数表示的幅度离散的信号,量化也称为分层。
按照量化间隔是否均匀,又可分为均匀量化和非均匀量化。34
若量化分层是均匀的,则称均匀量化,这种码称为线性码。对于均匀量化,信噪比随输入信号幅度的增加而增加,在强信号时固然可把噪波淹没掉,而在弱信号时,噪波的干扰就会很明显。
为了改善若信号时的信噪比,量化间隔应随输入信号幅度而变化,大信号时进行粗量化,小信号时进行细量化,这也就是采用非均匀量化,这种编码称为非线性编码。35(3)PCM的编码
量化器输出的信号是用十进制表示的离散电压信号,为了电路实现还应转换为用二进制表示的代码。所谓编码就是用n位二进制码来表示取样信号的量化值。取样量化编码模拟电视信号PCM信号取样脉冲解码插入滤波模拟电视信号(a)A/D变换(b)D/A变换图?电视信号的数字化和复原36
若信号的量化分层数为M=2n,则所需的二进制编码位数n为:n=log2M
可见,编码位数越多,即量化分层数越多,量化误差越小,则恢复的图像质量越高。但是n越大,数码率随之增加,数字信号的频带宽度加宽,设备越复杂,造价越高。tf(t)tδ(t)00tPAM0654321tPCM10001011101101100010010T2T3T4T5T6TT2T3T4T5T6T001011101101100010010量化值fF(t)0fδ(t)0ffS(t)0图?PCM的编码与解码过程(a)是模拟电视信号(b)是理想的取样脉冲信号序列(c)表示取样信号和量化后的数字电视信号(d)为不归零(NRZ)的串行数字电视信号(e)是模拟电视信号的频谱(f)是取样信号的频谱(g)PAM信号的频谱37
在PCM编码中,一般用二进制等长码,即每一量化等级都用相同位数n的二进制码表示,n位二进制有2n种可能的排法,用其中的一种排法表示一个量化级。
按码元的排列不同,等长二进制码有多种,在数字电视中常用的有自然二进制码、反射二进制码(也称格雷码或循环码)、折叠二进制码以及2的补码等。(详略)38(4)PCM信号的解码在PCM接收端,用一块集成的D/A转换器把接收到的PCM信号进行解码,成为阶梯信号。阶梯信号中每一个阶梯幅度对应于每一个取样信号的量化值。最后将阶梯信号经低通滤波器平滑成为连续信号,这就是重现的模拟电视信号。取样量化编码模拟电视信号PCM信号取样脉冲解码插入滤波模拟电视信号(a)A/D变换(b)D/A变换图?电视信号的数字化和复原398.2.2数字信号的编码方式
彩色图像信号通常有两种形式:一种是彩色全电视信号,它是亮度信号Y与调制在彩色副载波上的色度信号C相加的信号。另一种是以亮度信号Y和两个色差信号R-Y、R-B分别出现的彩色信号。40
因此,对图像信号的PCM编码也有两种方案:全信号编码和分量编码。全信号编码是对视频彩色全电视信号直接进行编码,称为数字全电视信号,或复合信号编码;编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号41而分量信号编码是对亮度信号Y和两个色差信号(R-Y)、(B-Y)分别进行编码,得到数字亮度信号和两个数字色差信号,以时分复用方式传送,称为分量信号编码。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号421、复合信号编码
视频彩色全电视信号是亮度信号Y与调制在彩色副载波上的色度信号C相加的信号,复合信号编码就是直接对视频彩色全电视信号进行PCM编码,成为数字全电视信号。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号43复合信号编码的优点是:复合信号的PCM编码和解码系统只需用一个编码器和解码器;由于只有一路PCM编码信号,容易和现有的模拟广播电视系统中的设备连接而进行模拟/数字信号转换,所以设备简单,造价较低。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号44
复合信号编码的缺点是:保留了模拟电视的NTSC制、PAL制和SECAM制之间不能互相转换的缺点,不利于国际电视节目交换,不能进行复杂的数字信号处理。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号452、分量信号编码首先将彩色全电视信号分离成亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y等3个分量信号,然后对别出对各个分量的彩色信号进行PCM编码,得到数字亮度信号和两个数字色差信号,最后时分复用方式传送。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号46
分量信号编码的优点是:它对三大彩色电视制式所共有的亮度信号和色差信号进行PCM编码传送,使制式间的区别几乎不存在,有利于国际电视节目交换和演播设备国际通用化,最后导致统一的国际数字电视标准。分量编码的3个数字分量信号能够进行复杂的数字信号处理。47
分量信号编码的缺点是:设备复杂,需要3个编码器(3个A/D和3个D/A),造价较高,编码后总的数码率较高。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号488.2.3数字信号的编码参数的选择编码参数的选择主要考虑输入模拟信号的带宽、编码器的取样频率、量化的比特数、编码的码型以及输出数字信号的码率等。1、输入模拟信号的带宽模拟信号的带宽过宽,那么取样频率需就随之提高,势必增加设备的复杂性;
如果限制的通频带过窄,则影响图像的质量,看不到原图像的细节,所以要折中考虑。49
在研究信号带宽与图像质量关系时,常采用主观评价图像质量的方法。
对625/50场制信号实验表明,亮度信号Y的带宽在5.8MHz~6MHz这个范围内比较适宜。
若亮度信号Y的带宽小于4.5MHz,图像质量将不能满足要求。
亮度信号带宽的改变是通过调整低通滤波器的截止频率来实现的。50
对色差信号作类似的实验表明,每个色差信号的宽度不应小于1.5MHz,一般取2MHz。但在演播室,要求色差信号有更宽的频带,这时的色差信号带宽应达到2.8MHz才好。54333.544.555.561234567642主观评价等级(CCIR五级标准)低通滤波器截止频率(MHz)实线:在六倍图像高度的距离观看虚线:在五倍图像高度的距离观看低通滤波器截止频率(MHz)实线:在六倍图像高度的距离观看虚线:在五倍图像高度的距离观看主观评价等级(CCIR五级标准)图(a)亮度信号带宽与图像质量的关系;(b)色差信号带宽与图像质量的关系512、取样频率奈奎斯特取样定理
根据奈奎斯特取样定理,取样频率至少应是输入视频信号最高频率的两倍。
在实际设备中视频通道的低通滤波器都具有有限衰减特性,如果取样频率选择过低,则会使取样后的信号频谱产生交叠现象,即产生交叠失真,如图?所示。52幅度t幅度t图?频谱交叠与不交叠的情况为此,在考虑遵守奈奎斯特取样定理,又能用不太复杂的低通滤波器分离出无交叠成分的频谱时,应选取样频率fS>2.2fm。
若fm=6MHz(625行/50场),
则fS>2.2fm=2.2×6=13.2MHz。533、取样结构
对电视信号进行取样还需考虑取样结构问题,取样结构是指取样点在空间和时间上的相对位置,即在电视屏幕上的相对位置。它可以是固定的,也可以是移动的,视取样频率与行扫描频率的关系而定。
经过大量的主观测试表明,固定的取样结构比移动取样结构图像质量要好,从时序的产生和电视信号的数字处理方面来说,要实现固定的取样结构比移动取样结构要容易得多。54
因此固定不动的取样结构得到了广泛应用,这种重复的取样结构可以是正交的,也可以是行交叉或场交叉的,参见图?所示。(a)正交结构;(b)行交叉结构;(c)场交叉结构图?取样结构55
正交结构是各帧、各场、各行的取样点都是垂直对准的。对于亮度信号,若取样频率fS和行扫描频率fH成整数倍关系,即fS=nfH,则得正交结构。(a)正交结构;(b)行交叉结构;(c)场交叉结构图?取样结构56对于色度信号,由于副载频fSc在选定时已经加有半行频(fH/2)或四分之一行频(fH/4)偏置,
所以当fS=4fSc时,对于NTSC制,采样频率fS=4(n-1/2)fH=4n-2得正交结构,
对于PAL制,采样频率fS=4(n-1/4)fH=4n-1也得正交结构。
而当fS=3fSc时,得交叉结构。57
正交结构的取样值在屏幕上的位置沿垂直线是按行、场、帧成周期性排列的,这在隔行扫描图像相邻场相加时,水平和垂直清晰度不损失,它有利于在制式转换器中以及在视频特技和压缩频带设备中采用各种内插技术。(a)正交结构;(b)行交叉结构;(c)场交叉结构图?取样结构588.2.4全电视复合信号编码对于复合全电视信号,其编码就是直接对信号进行PCM编码。可以看出全电视复合信号取样频率应满足:满足奈奎斯特取样定理。样点空间结构均为正交结构,满足fS与fH的整数倍关系。(严格说,只是近似的整数倍关系)满足副载波要求。取样频率fs取为fsc的整数倍,fs=3fsc或fs=4fsc。598.2.5分量信号编码1、分量信号取样频率
为了便于不同电视制式间的转换,需要考虑能够对现有的625行/50场PAL制和525行/60场NTSC制这两种制式的兼容,即fS是两者行频(NTSC:15625Hz和PAL:15734.266Hz)的公倍数。
而要同时是625行/50场PAL制和525行/60场NTSC制的行频的整数倍的频率有:13.5MHz。
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事实上,13.5MHz分别是两种制式行频fH的864倍(NTSC:13.5MHz/15625Hz)和858倍(≈PAL:13.5MHz/15734.266Hz)。
可以分析得出:最靠近13.5MHz的能满足两种制式行整数倍的频率是:11.25MHz(NTSC:11.25MHz/15625Hz=720倍,PAL:11.25MHz/15734.266Hz≈715倍);15.75MHz(NTSC:15.75MHz/15625Hz=1008倍,PAL:15.75MHz/15734.266Hz≈1001倍)。61根据抽样定理,2.2fH=13.2MHz,显然前者偏小,而后者又偏大。由以上分析可见,亮度信号的取样频率选为13.5MHz是合适的。
此外,还要求亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的关系,这样在空间,两者的取样点能重合或有固定的位置关系。62BT.601(Broadcastingservicetelevision))建议采用了对亮度信号和两个色差信号分别编码的分量编码方式,对不同制式的信号采用相同的取样频率13.5MHz,与任何制式的彩色副载波频率无关,对亮度信号Y的取样频率为13.5MHz。
由于色度信号的带宽远比亮度信号的带宽窄,对色差信号R-Y/B-Y取样频率为6.75MHz。
对每个分量的取样点都是均匀量化,对每个取样进行8比特精度的PCM编码。
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由此可见,标准规定色差信号的取样率是亮度信号取样率的一半,即Y/R-Y/B-Y的取样频率为13.5/6.75/6.75MHz,简称为4:2:2标准。
可以理解为每一行里的Y、R-Y、B-Y的样点数之比为4:2:2。64
可以看出,对于分量信号取样:满足奈奎斯特取样定理。样点空间结构均为正交结构,满足fS与fH的整数倍关系。NTSC制和PAL制的兼容。即fS同时是525行制和625行制行频的整数倍。亮度信号与色差信号的取样频率间成二倍数关系。两个色差信号样点与亮度信号奇数样点空间同位,样点数是亮度信号的一半。652、编码位数
量化比特数的多少决定了图像信号的量化精度,显然,量化比特数n越大,量化级数M=2n越多,量化级差(间隔)越小,量化误差越小,量化信杂比越高,再生的图像质量就越高。
因此,提高量化比特数n有利于提高图像质量;66
但另一方面,n值越大,则PCM信号的数码率(每秒传送的数码位数)越高,因而传送带宽也越大,存储容量就越大,对硬件电路的要求就越高。
所以,n值提高将增加很多技术难度,因此,在重现图像量化杂波不易察觉的前提下,n值不宜过大。
按照CCIR601号建议,用于传输时的视频信号量化比特数取:n=8bit。673、全数字电视信号的数码率Rb(Mb/s)复合信号编码:Rb=fS×n。
对于625行/50场的PAL制,选fS=4fSc、n=8比特,串行传输时的数据速率为:nfS=4×4.43×8=17.72MHz×8比特=141.76Mb/s。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号68分量信号编码:Rb=fSYnY+fS(R-Y)nR-Y+fS(B-Y)nB-Y式中,fSY和fS(R-Y)、fS(B-Y)分别为亮度信号的取样频率和色差信号的取样频率;
nY和nR-Y、nB-Y分别为亮度信号和色差信号的量化比特数。编码器模拟复合电视信号数字复合电视信号Y编码U编码V编码时分复用器模拟Y信号模拟U信号模拟V信号时分复用全数字Y、U、V信号(a)复合信号的编码方法(b)分量信号的编码方法图?电视信号的两种编码解码器模拟复合电视信号数字Y信号数字U信号数字V信号69
以PAL制为例,设亮度信号的带宽为6MHz,选用fS=13.5MHz;
色差信号带宽为3MHz,选用fS=6.75MHz。
8比特量化的传输码率分别为:亮度信号108Mbit/s(13.5MHz×8比特),色差信号54Mbit/s(6.75MHz×8比特)。
分量编码总码率是三个分量码率之和,为:(13.5+2×6.75)MHz×8比特=108+2×54=216Mb/s。
70
分量信号编码特点是:①因为两个色度信号间及亮度信号与色度信号间互不影响,不存在干扰问题。②三个分量为三种彩色电视制式所共有,分量编码方式无制式限制,有利于国际电视节目交换和演播室设备国际通用化。③采用正交结构,有利于三个数字分量信号可以进行复杂的信号处理,如数字滤波、信号内插等。④传输码率偏高,差不多是复合电视信号编码方式的两倍。
不过,随着传输技术的发展,通道容量的增加,这个问题已得到逐步解决。718.2.6电视伴音信号的编码(略)
电视中的伴音信号也按PCM编码,由于伴音与电视体制没有确定的关系,编码比较简单。电视伴音信号的PCM编码参数选择要考虑以下几点:(1)根据采样定理,伴音信号的采用频率fS≥2.2fm,其中fm为伴音信号的上限频率。72(2)在数字电视广播系统中,伴音和视频信号采用时分复用传输,所以选择伴音信号的采样频率应与视频信号的的行、场扫描频率有整数关系,以保证数据传输、处理过程中,音频、视频的码位同步,减少采样频率的谱波干扰,还要使采样频率对625行制式和525行制式都适应。(3)伴音信号的PCM编码的量化比特数n要满足电视高音质带宽、高信噪比、宽动态范围要求。73
由以上考虑,电视伴音PCM参数如下:
模拟普通伴音信号的频带为20Hz~15kHz,对于15kHz信号取样频率一般取:fS=32kHz。
而高保真质量的伴音为20Hz~20kHz,对于上限20kHz信号,则复合全电视信号编码时,取样频率可取:fS=44.1kHz;分量全电视信号编码时,取样频率可取:fS=48kHz。74
伴音编码的位数要比图像编码的位数多,这是因为伴音信号的动态范围大,而高质量的伴音要求很高的信噪比。声音信号量化时,要满足高保真的声音质量。
则均匀量化所需的编码位数为13~14位。在演播室的高质量话音编码中,若要对低电平的声音仍有高的信噪比,编码位数甚至要取到16位。
伴音信号由于信号幅值分布的特性(非均匀分布,幅值大的概率小)以及人的听觉特性,也可以采用非线性编码,这样n=11,12时也可以得到很高的声音质量。虽然伴音编码的位数比图像编码的位数多,但因是低速率的,实现反而更容易。758.2.7数字有效行(略)
有效取样点是指只有行、场扫描正程的样点有效,逆程的样点不在PCM编码的范围内。
因为在数字化的视频信号中,不再需要行、场同步信号和消隐信号,只要有行、场(帧)的起始位置即可。
76
电视信号是通过摄像机对自然景物的扫描并经光电转换形成的。
对于PAL制,扫描后的图像每秒包含25帧,1帧分为两场,每场有效行为287.5行,
这就是说电视信号一经产生,实际上已对自然景物在时间轴及图像垂直方向上完成抽样,
留给数字电视系统的是如何在水平方向上完成抽样和量化。
77
每行数字分量信号的取样点数为:对于625行/50场制式,每行亮度取样点=13.5MHz/15625Hz=864点/行;每行每色度取样点=6.75MHz/15625Hz=432点/行。对于525行/60场制式,每行亮度取样点=13.5MHz/15734.266Hz=858点/行;每行每色度取样点=6.75MHz/15734Hz=429点/行。
可见,这两种制式选用了相同的抽样频率,但每行取样点数却不相同。所以把两者取样点数之差别放在数字有效行以外的部分,而使每个数字有效行内的取样点数相同。
78
根据采样频率,可算出对于PAL和SECAM制式,每一扫描行采样864个样本点;对于NTSC制则是858个样本点。
由于电视信号中每一行都包括一定的同步信号和回扫信号,故有效的图像信号样本点并没有那么多。
CCIR601建议两种制式有效行内的取样点数亮度信号取720个,两个色差信号各取360个,即每个数字有效行包括720个亮度数据和720个色度数据(两个色度各360个),这样就统一了数字分量编码标准,使不同制式便于转换和统一。79
由于两种扫描标准的数字有效行点数相同,因此,数字行消隐不同:625/50的为(864-720=)144个采样周期,525/60的为(858-720=)138个采样周期。808.2.8采样格式
对彩色电视图像进行采样时,可以采用两种采样方法:一种是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,另一种是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。81
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)。
图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。可以说,在彩色图像压缩技术中,最简便的图像压缩技术恐怕就要算图像子采样了。82
这种压缩方法的基本根据是人的视觉系统所具有的两条特性:一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低,利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人不察觉;二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度,利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉。831、采样格式的种类
目前使用的子采样格式有如下几种:
4:4:4格式
它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差R-Y样本和4个蓝色差B-Y样本,这就相当于每个像素用3个样本表示。
84
在4:4:4格式中,亮度信号和两个色差信号的取样频率均为13.5MHz,且取样结构完全相同,即:fy=fr=fb=13.5MHz。
亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比是:fy:fr:fb=4:4:4。85
图?(a)给出了4:4:4取样格式中亮度信号和色差信号取样点的位置。
在4:4:4格式中,亮度信号和色差信号具有相同的水平和垂直分解力。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:086
在图中红线框中所示,4个像素产生12个样值,其中亮度信号和色差信号各4个样值,这相当于每个像素用3个样本表示。
(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:0874:2:2格式
为进一步节省传输信道带宽,既然数字电视系统可利用视觉对图像色彩细节不如亮度细节敏感的特点,只为亮度信号保证整个视频信号带宽,而将两个色差信号的带宽缩窄为亮度信号带宽的一半。
那么按取样定理,带宽缩窄,取样频率即可成比例地降低。88
于是,图像水平方向上,两个色差信号R-Y、B-Y取样点减少到亮度信号Y取样点数的一半。
按标准规定,R-Y、B-Y取样点在空间上彼此重合,并与相应的亮度信号奇数位置取样点对应,这种信号格式称为4:2:2信号格式,或4:2:2信号模式。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:089
在4:2:2格式中,亮度信号的取样频率为13.5MHz,两个色差信号的取样值频率均为亮度信号取样频率的一半,即6.75MHz。因此,亮度信号和两个色差信号的取样频率之比是4:2:2。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:090
图?中(b)给出了4:2:2取样格式中亮度信号和色差信号样点的位置。可以看出,两个色差信号在水平方向上的取样点数为亮度信号的一半,而在垂直方向的取样点数与亮度信号相同。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:091
在4:2:2格式中,如图红线框中所示的4个像素产生8个样值,亮度信号为4个,色差信号各2个,平均每个像素用2个样本表示。
(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:0924:2:0格式
在垂直方向上,也可以把两个色差信号的取样点数减少到亮度信号取样点数的一半。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:093
这种信号格式的两个色差信号取样点数,在水平和垂直方向上都减少到亮度信号取样点数的一半。这种信号格式称为4:2:0信号格式,或4:2:0信号模式。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:094在本格式中,图?(c)中给出了4:2:0取样格式中亮度信号和色差信号样点的位置。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:095
4:2:0格式中,两个色差信号在水平方向和垂直方向上的取样点数均为亮度的一半,一行按4:2:2取样,另一行按4:0:0,因此称为4:2:0格式。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:096
4:2:0格式中,4个像素产生6个样值,亮度信号为4个,两个色差信号各为1个,平均每个像素用1.5个样本表示。
(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:0974:1:1格式
这种方式是在每4个连续的采样点上,取4个亮度Y的样本值,而色差R-Y、B-Y分别取其第一点的样本值,共6个样本,平均每个像素用1.5个样本表示。(a)4:4:4(b)4:2:2(e)4:1:1(c)4:2:0图?取样点结构:亮度信号Y样点:色差信号Cb样点:色差信号Cr样点4:2:24:0:0982、采样格式比较对于4:4:4标准,3个分量的取样频率相同,都是13.5MHz,3个分量的样点完全重合,呈现正交结构。
4:4:4的效果很好,但是如果要用4:4:4存储一部电影,我们的DVD盘的直径至少要有六十多厘米!
这种格式主要应用在视频处理设备内部,避免画面质量在处理过程中降低。也可用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。99对于4:2:2信号,当被解码的时候,“缺失”的色度采样,通常由一定的内插补点算法通过它两侧的色度信息运算补充。每个象素都有与之对应的亮度采样,同时一半的色度采样被丢弃,所以我们看到,色度采样信号每隔一个采样点才有一个。
当整张画面显示的时候,缺少的色度信息会由两侧的颜色通过内插补点的方式运算得到。就像上面提到的那样,人眼对色度的敏感程度不如亮度,大多数人并不能分辨出4:2:2和4:4:4颜色构成的画面之间的不同。100对于4:2:0标准,在水平方向,每个亮度样点对应一个色差信号样点,在同一场中垂直方向每两行亮度信号样点对应一行色差信号样点,4:2:0结构的色差样点值可通过4:2:2结构中的色差样值得出的。
在4:2:0中,“缺失”的色度采样不单单要由左右相邻的采样通过内插补点计算补充,整行的色度采样也要通过它上下两行的色度采样通过内插补点运算获得。
对于4:1:1而言,每行的亮度样点数是色差信号样点数的4倍,每一场中每4列有1到3个分量的样点重合,这很容易由4:2:2标准再取样得到。101综上所述,4:2:2和4:2:2标准是为演播室制定的较高标准,对于要求较高的场合,如用于电影/电视转换设备,可以采用对电视信号源进行编码和高质量信号处理的4:2:2标准;
在其他一些要求不高的场合,如有些信号源本身的分辨率就低(如家用摄像机或电子新闻采访等)可采用彩色分辨力较低的4:1:1(即13.5/3.375/3.375MHz)标准、4:2:0标准、甚至黑白、彩色分辨力均较低的2:1:1(6.75/3.375/3.375MHz)标准,以利于设备的小型化。1021038.3视频信号的压缩8.3.1视频信号的压缩的必要性
如前面所述,电视信号经数字编码后,面临的最大难题之一是海量数据存储与传输的问题。
编码信号的码率是很高的,以分量编码为例,按4:2:2信号格式标准,如果采用8比特编码,一路彩色图像的码率为(13.5+2×6.75)×8=216Mb/s,这样高的码率,要进行远距离传输时,将要占用很宽的带宽。104
比如要进行射频传输,即使采用1.5b/Hz的高效数字调制,传输频带也要216/1.5=144MHz,相当于占用(144/8=18)18个模拟电视信号的频带。
这不但在频率资源利用上很不经济,而且在有些情况下甚至是不可能实现的。比如,在传统的VHF波段,根本就无法容纳此信号。而作为电视信号的存储,这样高的信号也是难以实现的。
因此,很有必要在保持图像质量的前提下压缩数字图像信号的码率,压缩数字电视信号的频带。1058.3.2视频信号压缩的可能性压缩数据是要消除数据中的冗余部分,也就是要消除对数据重建无用的信息。而对电视图像信号进行数据压缩或频带压缩是可能的,这是基于图像信号和视觉系统的冗余性。1、视频图像信号的冗余
视频数据中存在着大量的冗余,即图像各像素数据之间存在着极强的相关性,利用这些相关性,一部分像素的数据可以由另一部分像素的数据推导出来,如此可使视频数据量极大地压缩,有利于传输和存储。106
基于图像的相邻像素、相邻行、相邻帧间有很强的相关性,一般变化很小,致使原图像数据的信息冗余度很大。
比如,图像的背景亮度有很大的直流分量,这在行内和行间就是完全相关的;
图像中的相对静止部分(在图像中占很大部分),对于帧间来说,在时间上也是相关的。
用编码的方法去除这些冗余信息,压缩图像的数据,并不会影响恢复的图像质量。这种基于减小信息冗余度而不丢失信息的编码称为信息保持压缩编码。107(1)空间冗余视频图像在水平方向的相邻像素之间、垂直方向的相邻像素之间的变化一般都很小,即存在极强的空间相关性,常称为帧内相关性。
特别是同一景物各点的灰度和颜色之间往往存在着空间连贯性。
例如,在蓝天或草地的背景中,大部分点的亮度、色度及饱和度基本是相同的,这称之为空间冗余。108(2)时间冗余
在相邻场或相邻帧的对应像素之间,亮度和色度信息存在着极强的相关性。
当前帧图像往往具有与前、后两帧图像有相同的背景和移动物体,只不过移动物体所在的空间位置略有不同,对大多数像素来说,亮度和色度信息是基本相同的,这称为帧间相关性或时间相关性。109这种相关性与电视图像中的物体运动有关,运动越快相关性越弱,对于大多数像素来说相关性是很强的。
例如,一列火车在画面中奔驰,前后两幅图像中只是火车向前行驶了一段,背景基本不变,而且火车本身的信息也是时间相关的,这称之为时间冗余。110(3)结构冗余图像从大面积上看,存在有纹理机构,称为结构冗余。
在有些图像的纹理区,图像的像素值存在明显的分布模式,如方格状的地板图案等。
因此,如果已知分布模式,可以通过某一过程生成图像。111(4)知识冗余有些图像与某些知识有相当大的相关性。如人脸的图像有固有的结构,嘴的上方有鼻子,鼻子上方有眼睛,鼻子位于脸部图像的中线上等。
这类规律性的结构可由先验知识和背景知识得到,此类冗余称为知识冗余。112
曾经对不同类型的NTSC制彩色广播电视节目进行过测量,在相邻帧之间:亮度信号平均只有7.5%的像素有明显变化;色度信号平均只有0.75%的像素有明显的变化。1132、视觉系统的冗余
人眼具有视觉非均匀性,因此对视觉不敏感的信息可以适当地舍弃。在记录原始的图像数据时,通常假定视觉系统是线性的和均匀的,对视觉敏感和不敏感的部分同等对待,从而产生了比理想编码(既把视觉敏感和不敏感的部分区分开来编码)更多的数据,这就是视觉冗余。
根据人眼的视觉特性而提出的压缩编码称为信息非保持压缩编码。114
图像质量的好坏,是由人的主观感觉决定的。根据人的视觉的生理和心理学特性,即使经过压缩后的恢复图像有一定的失真,只要这种失真人们主观上难以察觉,这也是允许的。
所以,人眼对图像的细节分辨力、运动分辨力和对比度分辨力的要求都有一定的限度,图像信号在空间、时间以及幅度方面进行数字化的精细程度只要达到这个限度即可,超过是无意义的。所以,在量化中,尽量使每种情况下所产生的幅度误差刚好处于可察觉门限之下,这样能实现较高的数据压缩率而主观评价不变。1153、编码冗余这是指一种编码数据的冗余量多于另一种编码数据的冗余。例如用等长码表示的信息中的冗余比不等长码表示同一信息的冗余多。4、纹理的统计冗余有些图像纹理尽管不严格服从某一分布规律,但是在统计意义上使服从该规律,利用这种性质也可减少表示图像的数据量,称为纹理的统计冗余。1168.3.3视频信号压缩的机理
图像数据压缩机理来自两个方面:其一是着眼于图像信号的多余成分
图像信号中存在大量的冗余可供压缩,并且这种冗余度在解码后还可以无失真的恢复;其二是根据人眼视觉特性
容许一定的信号波形失真,在察觉不到的前提下进行传输信息削减,也就是以一定的客观失真换取数据的压缩。117(1)利用图像相关性的信息保持压缩编码信息的相关性,从信息学角度看,这种很强的相关性反映了电视信号源中存在很高的冗余度,将这些信号按独立取样编码传输,必然有很多重复的冗余部分。如:对于图象背景
图像的背景亮度有很大的直流分量,这在行内和行间就是完全相关的。对于图像中的静止部分
对于帧间来说,在时间上也是相关的。118对于活动图像部分
通常可以利用已传相邻点、相邻行或相邻帧的信号来预测即将传送的点的信号,预测不准的点则只需将预测差值传出,而不必传整个信号,这样就可以减少对信号进行量化的比特数,达到压缩传输码率的目的。
这种只传输实际值与预测值之差的PCM码的方法称为预测量化编码法或差分脉冲编码调制法(DPCM)。119(2)利用人眼的视觉特性的信息非保持压缩编码仅仅采取信息保持压缩编码,往往还不能达到所期望的数据压缩率。还要充分利用人眼对图像细节、幅度变化和图像的运动并非同时具有最高的分辨力。
如对于快运动的图像,人眼的细节分辨能力就要下降,即空间分解力较低;
而对于慢运动的图像,时间分解力较低。1208.3.4视频信号的压缩的分类(略)1、传统的图像压缩编码(1)脉冲调制(PCM)(2)量化法(Quantization)(3)空间和时间抽样编码(SpatialandTemporalSubsamplingCoding)(4)熵编码(EntropyCoding)(5)预测编码(Predictivecoding)(6)变换编码(TransformCoding)121(7)矢量量化(VQ:VectorQuantization)(8)子带编码(SBC:SubbandCoding)(9)塔型编码(PyramidCoding)
在实际的系统中,通常是选择上述几种编码技术的组合,可以在某一可接受图像质量下达到较高的压缩比,对于不同的应用可以有多种组合。1222、新一带图像压缩编码(1)模型基编码预测编码、矢量量化编码以及变换编码都是属于波形编码,其理论基础是信号理论和信息论;其出发点是将图像信号看作是统计模型出发设计编码器。模型基编码则是利用计算机视觉和计算机图形学的知识对图像信号进行分析与合成。
模型基编码将图像信号看作三维世界中的目标和景物投射到二维平面的产物,而对这一产物的评价是由人类视觉系统的特性决定的。123
模型基编码的关键是对特定的图像建立模型,并根据这个模型确定图像中景物的特征参数,如运动参数、形状参数等。解码时则根据参数和已知模型用图像合成技术重建图像。
由于编码的对象是特征参数,而不是原始图像,因此有可能实现比较大的压缩比。模型基编码引入的误差主要是人眼视觉不太敏感的几何失真,因此,重建图像非常自然和逼真。模型基编码有很大的发展空间和希望。124(2)分形编码分形编码是利用分形几何中的自相似性原理来进行图像压缩。所谓自相似性就是指无论几何尺度如何变化,景物的任何一小部分的形状都与较大部分的形状极其相似。与DCT不同,分形编码利用的“自相似性”不是邻近样本的相关性,而是大范围的相似性,即图像块的相似性。对相似性的描述是通过仿射变换来确定的,而编码的对象就是仿射变换的系数。
由于仿射变换的系数的数据量小于图像块的数据量,因此可以实现压缩的目的。125
之所以将它用于图像压缩,是因为生成的小波图像具有与原图像不同的特性,表现在图像的能量主要集中在低频部分,而水平、垂直和对角线部分的边缘信息,具有明显的方向特征。
人眼对亮度图像部分的信息特别敏感,对这一部分的压缩应尽可能减少失真或无失真,如采用无失真DPCM编码;而对细节部分可以采用压缩比比较高的编码方案,如矢量量化编码、DCT等。126(4)神经网络用于图像压缩利用神经网络的巨量并行性和分布存储信息的信息处理能力,可以实现图像压缩编码的快速实时处理。
同时,利用神经网络自组织特征和自适应性,再与传统方法相结合,不仅可以提高图像分类和识别能力,而且还可以大大提高图像处理系统的鲁棒性。127(3)小波变换用于图像压缩小波变换用于图像压缩的基本原理就是把图像进行多分辨率分解,分解成不同空间、不同频率的子图像,然后再对子图像进行系数编码。系数编码是小波变换用于压缩的核心,压缩的实质是对系数的量化压缩。图像经过小波变换后生成的小波图像的数据总量与原图像的数据量相等,即小波变换本身并不具有压缩功能。1283、总结根据解码后的数据与压缩前原始数据是否相同,压缩编码可以分为无损压缩和有损压缩两大类:(1)无损压缩无损压缩,又称为可逆编码,这种方法的目标是在图像没有任何失真的前提下使码率达到最小。无损压缩方法仅仅删除图像数据中的冗余信息,回放压缩文件时,能够准确无误地恢复原始数据。129(2)有损压缩有损压缩,又称为不可逆压缩,这种方法的目标是在给定码率下使图像获得最逼真的视觉效果,或者是在给定的允许图像失真度的条件下使码率到达最小。
有损压缩算法靠丢掉大量冗余信息来降低数字图像所占的空间,回放时不能完整地恢复原始图像,而将有选择地丢失一些细节,损失多少信息由需要多高的压缩率决定。130图像压缩技术中所采用的部分算法统计编码变换编码预测编码分析综合编码霍夫曼编码游程编码算术编码DCT变换编码字典编码运动编码子带编码小波变换编码分形图像编码模型基编码图?主要的视频图像压缩算法131上面所介绍的所有编码方法中,除了霍夫曼编码、游程编码、算术编码外,其余都可归结为有损压缩编码范畴。
现在所用的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.262、H.263等中的离散余弦变换(DCT)压缩算法,都是有损压缩算法。
如MPEG-1和MPEG-2的压缩比可达30:1,MPEG-4用于采用了视频对象技术,压缩比可达100:1,H.264采用了更多的压缩措施,压缩比可超过200:1。132评价压缩方法优劣的依据:(1)压缩比压缩比是指原始图像经A/D转换后未经压缩所产生的数据量与经压缩所产生的数据量之比。(2)图像质量还原出的图像质量比原始图像有多大失真,一般采用人的视觉效果和信噪比两个评价方法。前者是通过人在2米内观察所作的评价,后者是通过仪器测量。(3)实现难度即实现压缩及还原算法的难易程度,亦即完成压缩所需要的时间与空间花费或硬件实现的复杂性。1338.3.5数字视频编码国际标准概述(ITU/ISO/IEC)ISO/IECJTC1是国际标准化组织/国际电工委员会的第一个联合技术委员会,它是一个信息技术领域的国际标准化委员会。ITU是国际电信联盟,它是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方面的一个国际组织。
视频编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC颁布,图像压缩编码系列可分为两大系列:MPEG-x和H.26x。1341、ITU-T公布的系列标准有H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++等。2、ISO/IEC公布的系列标准有静止图像压缩编码标准JPEG、JPEG2000,视音频编码标准MPEG-1和MPEG-2,基于视听媒体对象的多媒体数据压缩编码标准MPEG-4,多媒体内容描述标准MPEG-7,以及多媒体框架标准MPEG-21。3、ITU-T与ISO/IEC联合成立的联合视频工作组(JVT:JointVideoTeam)公布的H.264标准,它又称为MPEG-4AVC(AdvancedVideoCoding,高级视频编码)。1358.4多路复用
节目流多路复用是将数字视频信源、数字音频信源、数据3种信号按照一定的方法复用在一起成为节目流。传输流多路复用是将多个节目流复用在一起形成传输流。数字视频信源压缩编码数字音频信源压缩编码数据编码节目流多路复用传输流多路复用图?信源部分组成框图……1368.5信道编码8.5.1信道编码的概述信道编码又称为纠错编码,是指将数字电视信号进行编码处理,以使编码后的传送码流与信道传输特性相匹配,其根本目的使为了提高信息传输的可靠性,即提高数字电视系统的抗干扰能力。信道编码主要实现方法是通过增大码率或频带,增大所需的信道容量,这一点恰好与信源编码为适应存储及信道传输要求而进行压缩码率或频带相反。1378.6调制数字电视传输为提高频谱利用率,必须进行数字调制。
世界上三大数字电视传输标准(ATSC、DVB、ISDB)中,信道编码方案大体相同,但在调制方式上仍有不同选择。
而且,不同的传输方式(卫星、地面广播、有线)采用不同的调制方式。138
数字电视调制可分为两大类:数字电视下行(正向)传输采用的调制,其中下行或正向是指从前端向用户端传输。数字电视上行(反向)传输采用的调制,其中上行或反向是指从用户端向前端传输。不同的传输方式采用不同的调制方法,在双向传输网络中才有反向传输。1391、数字电视正向传输采用的调制(1)数字电视卫星传输时,由于传输的距离较远,要求采用抗干扰能力较强的调制方法。
一般采用四相相移键控调制(QPSK:QuadraturePhaseShiftKeying)。
这种调制方法抗干扰能力较强,但频谱利用系数较低,理论值为2bit/s/Hz。140(2)数字电视有线传输时,由于采用光纤或同轴电缆作为传输媒介,传输条件较好、干扰较弱,一般采用多电平正交幅度调制(MQAM:MultiQuadratureAmplitudeModulation)方式。这种调制方法频谱利用系数较高,抗干扰能力次于QPSK。(2)数字电视地面广播时,由于要考虑室内接收和移动接收情况,此时,室内电磁波受到严重的屏蔽衰减、墙壁之间的反射,以及天电干扰、电火花干扰;移动接收时受多普勒效应影响和信号的多径反射等,要求采用抗干扰能力极强的调制方式。1412、数字电视反向传输采用的调制在双向传输中,用户端的数据(如用户上网数据、视频点播数据、计算机数据、各种计费数据等)需要传向前端。
由于用户数为千家万户,千家万户的数据汇集到前端,数据中夹杂着各种噪声也一起涌向前端,形成所谓“漏斗效应”,为克服它,必须选择抗干扰性能很强的调制方式。142
目前采用的主要调制方式有:四相相移键控调制(QPSK)离散小波多音调制(DWMT)同步码分多址(S-CDMA)同步离散多音调制(SDMT)1438.7高清晰度电视8.7.1概述
20世纪50~60年代出现的NTSC制式、PAL制式和SECAM制式彩色电视成功地实现了与黑白电视的兼容,沿用了黑白电视的扫描方式与有关参数,并采用亮度信号与色度信号混合成的复合信号,以便用黑白电视原频道传送,这在当时是一个重大的技术突破。
随着数字技术、大规模集成电路技术的发展和宽频带广播卫星传输手段的涌现,人们对电视质量提出了新的要求。目前以提高图像清晰度为中心的高清晰度电视已获得成功。1441、现行电视制式的不足画面细节分辨率不够,清晰度不足;大面积闪烁和行闪烁;图像的亮、色串扰;电视图像的临场感不强。
随着人们对电视要求的提高,希望在家庭电视中得到影院中高质量电影画面的图像质量,即能够实现真正的“家庭影院”。1452、对高清晰度电视的要求
这些要求,归纳起来就是:高分辨率的图像、纯净绚丽的彩色画面、很强的临场感觉及高保真的立体声伴音等。(1)提高图像帧的总行数为了使垂直分解力增加一倍,HDTV系统的每帧图像行数不应少于1000行。
目前已提出1050行、1125行和1250行等几种制式,它们分别比原来的525行和625行增加了一倍。
为了使水平分解力也增加一倍,HDTV系统的每行取样点数应不少于1800。146(2)展宽图像信号的频带
要求更高的垂直和水平分辨率,意味着每帧的要传送的像素增加更多,若垂直和水平分辨率均增加一倍,则像素数增加4倍。为了有这样的分辨率,图像亮度信号的带宽也要增加约4倍。(3)采用逐行扫描及提高场频
有必要提高帧频和场频。如在原50Hz场频制式中(PAL、SECAM),将场频提高到100Hz。由于采用逐行扫描,垂直数不必为奇数,比如提高到1250行就是偶数。147(4)采用更好的亮色复用和分离方法为了完全消除亮、色之间的串扰和相互影响,有必要采用新的复用方法传送亮度信号和色度信号,这种复用应能保证亮、色信号的完全分离。
也可以继续使用常规电视中的亮、色复用方法,而采用更好的数字滤波器。如,在发送端采用自适应的数字梳状滤波器,能有利于接收端的亮、色分离。148(5)采用16/9幅形比的宽屏幕显示我们已经知道,在标清电视系统中,视场在垂直方向的视角约
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