数字电视原理

数字电视原理第1页，共44页，2023年，2月20日，星期六

数字视频压缩及传输技术简介

第2页，共44页，2023年，2月20日，星期六简介模拟视频信号为什么用数字视频视频信号的数字化为什么要压缩数字视频信号，怎么压缩数字电视压缩及传输标准：MPEG-2/DVB数字电视的传输，机顶盒怎样解码第3页，共44页，2023年，2月20日，星期六模拟电视信号的产生电视是利用光电和电光转换原理，将光学图象转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图象的一门技术。整个电视系统主要由成像、电视信号的形成、信号处理、传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。第4页，共44页，2023年，2月20日，星期六模拟电视光栅扫描注1：PAL制式有625行(每场312.5行)，但在电视机上只显示575行。上面44行和下面6行是消隐行(VBI)。注2：对每行进行扫描时，摄像机同时有3个输出信号。PAL制式里这3个信号分别是：亮度信号Y、色差信号U和色差信号V。第5页，共44页，2023年，2月20日，星期六电视制式电视图像的质量受以下因素的影响：清晰度：扫描行数越多，纵向分辨率就越高。扫描枪反应越快，水平分辨率就越高。闪耀：每秒钟至少需有24帧，否则看起来闪耀。颜色处理：人眼对颜色变化不太敏感，但对颜色失真很敏感。世界上有三个主要彩色电视制式：NTSC制式主要在北美、日本、台湾使用。PAL制式主要在欧洲大部分地区、中国等地使用。SECAM制式主要在法国、俄罗斯、东欧使用。第6页，共44页，2023年，2月20日，星期六模拟视频信号的基本参数

第7页，共44页，2023年，2月20日，星期六为什么用数字视频多次复制、编辑和中继后不会产生噪声积累，仍与原节目的数字化图像一样(无损耗)。可以用计算机和数字技术编辑、处理和传输图像。有利于不同电视制式的相互转换。有利于实现视音频及数据在多媒体平台上的汇集。节目存入数字电视服务器或数据库后，可灵活控制节目播出和内容检索。可利用数字数据压缩技术，降低数码率和存储空间。一个模拟电视频道里可传输6至10套节目。可使用各种通信线路和网络，提供多种新业务。易于实现加密和保密通信。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期六模拟视频信号的数字化(1)电视信号的数字化有两步，抽样(sampling)和量化(quantization)：(1)对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成离散(discrete)信号。(2)把每个抽样的值用8比特(或10比特)位数表示。比特数位越多，量化就越细，但是数据率也大。超过8比特，人眼几乎看不出图像质量的改变。第9页，共44页，2023年，2月20日，星期六模拟视频信号的数字化(2)国际电信联盟(ITU)1982年制定了适合不同电视制式的统一标准，即ITU-R601规定的演播室用(广播级)分量电视信号的数字化标准。对每行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮度分量(luminance)和两个色差分量(chrominance)。在每行，对亮度分量的抽样频率为13.5MHz，对两个色差分量的抽样频率分别为6.75MHz。625行50场制式(PAL和SECAM)：每行有864个亮度抽样:[13.5兆抽样/秒]/[(15625行/秒)]=864抽样/行。525行60场制式(NTSC)：每行有858个亮度抽样。第10页，共44页，2023年，2月20日，星期六4:2:2和4:2:0抽样方式

第11页，共44页，2023年，2月20日，星期六数字视频信号的比特率

第12页，共44页，2023年，2月20日，星期六为什么压缩数字视频信号如果每个抽样(sample)用10个比特(bit)来量化(quantize)，ITU-R601数字视频信号的最高比特率为270Mbps： (13.5Msamples/s+6.75Msamples/s+6.75Msamples/s)*10bits/sample=27Msamples/s*10bits/s=270Mbp。根据ITU-R601标准，每行只显示720个抽样，而且不显示所有行(PAL显示576行，NTSC显示480行)，不需要传输所有抽样。所以显示区的比特率是207.36Mbps。如果传输4:2:0格式信号，显示区比特率是155.52Mbps。除非能够大幅度地压缩这个数字化的视频信号，一般传输方法根本无法传输这么大的数据率(每套电视节目大约150-200兆带宽)，数字电视广播也无法成为现实。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期六常见传输方式的带宽

第14页，共44页，2023年，2月20日，星期六数字视频压缩的目标保留图像中所有信息消除图像中所有多余的信息用最节省比特的方法传输必须传的信息最大限度地降低复杂性和成本第15页，共44页，2023年，2月20日，星期六压缩数字视频基本思路消除电视图像中多余信息时域冗余信息(time-domainredundancy)。相邻图像之间变化不大。空间域冗余信息(spatialredundancy)。在同一图像中，相邻像素(pixel)变化不大。利用人眼视觉特征对亮度变化的敏感度并不高对色度变化的灵敏度更低在物体边缘和高亮度区域，对噪声的灵敏度降低。第16页，共44页，2023年，2月20日，星期六时域(帧间)冗余信息(1)时域信息冗余：PAL制式每秒传25帧图像，两帧相邻图像时间差距是0.04秒。在这么短时间里，图像中大部分没有变，是重复的。当主持人坐在演播室里读新闻，除非摄像机在动或变焦距，否则演播室的固定背景不会变。在半秒钟(12.5帧)之内，主持人的姿态变化很少；除了头部有变化，图像其它部分变化很少。当电视图像背景变化不太大，即使图像中有运动物体，仍有大量冗余信息。第17页，共44页，2023年，2月20日，星期六时域(帧间)冗余信息(2)没有变的信息不需要重复传。没有必要以每秒25帧的速度重复传输图像中没有变的部分。变了再传。图像静止或活动很缓慢时，可以隔帧处理。用帧间压缩除去时域里的冗余信息，比单纯采用帧内压缩的效率要高10倍以上。在图像中活动缓慢区域，帧间压缩方法效果好，但在快速活动区域，帧间压缩方法失真大，而帧内压缩方法性能比较好。第18页，共44页，2023年，2月20日，星期六时域(帧间)冗余信息(3)新信息信息右移了信息下移了只是气球动了只需传输图像差别第一帧第二帧第19页，共44页，2023年，2月20日，星期六时域(帧间)冗余信息(4)如果摄像机跟踪运动员，图像中的变化会很大第20页，共44页，2023年，2月20日，星期六空间域(帧内)冗余信息(1)空间信息冗余：在任何一帧图像里，有很多像素与周围很多其它像素相同。天空中如有一点是蓝色，它附近一片也会是蓝色。无需重复传输数值一样的所有蓝点，只需传输那一个蓝点的数值和这个数值的分布范围。图像中亮度低于某一值可以不传，因为人眼看不出黑色之间的区别。第21页，共44页，2023年，2月20日，星期六空间域(帧内)冗余信息(2)第22页，共44页，2023年，2月20日，星期六空间域(帧内)冗余信息(3)第23页，共44页，2023年，2月20日，星期六MPEG-2图像种类I-图像(Intra-codedPicture，帧内编码图像)：空间域DCT压缩，只利用本帧内的信息。P-图像(Predictive-codedPicture，预测编码图像)：从过去的一帧参考图像，通过运动补偿所预测出的图像。B-图像(Bi-directionallypredictive-codedPicture，双向预测编码图像)：从过去和将来的参考图像，通过运动补偿所预测出的图像。用过去的I-图像获得运动矢量和图像差别FullImageI-PictureP-PictureB-PictureB-Picture用过去的I-图像和将来的P-图像获得运动矢量和图像差别第24页，共44页，2023年，2月20日，星期六图像组(GOP)和帧间编码

IIBBPBBPBBPBBPBB前向预测双向预测前向预测时间例GOP:N=15M=3第25页，共44页，2023年，2月20日，星期六MPEG-2和DVB数字电视传输标准系统(传输流内容要求、传输、接收)视频(图像格式、视频码流内容要求、解码)音频(音频信号的编码、码流内容要求、解码)TS流中的其它信息PSI/SI表第26页，共44页，2023年，2月20日，星期六数字电视信号传输系统：传输流的产生第27页，共44页，2023年，2月20日，星期六传输流(TS流)里有什么视频节目(多个)电视节目的伴音(有些节目有多个伴音)数据广播，如图文电视数据、IP广播数据电子菜单数据等条件接收系统的授权管理和控制信息MPEG/DVB规定的表格第28页，共44页，2023年，2月20日，星期六传输流的产生(方框图)

第29页，共44页，2023年，2月20日，星期六传输流的产生数字化和量化(digitizeandquantize)模拟视频音频源压缩数字视频和音频信号，产生视频基本码流(elementarystream,ES)和音频基本码流把视频和音频基本流打成分组的基本流(packetizedelementarystream,PES)把控制管理信息、电子菜单、数据广播信息以及其它数据信息达成分组的基本流把PES码流打包成传输流分组(transportstreampackets)，然后将所有包复用成一个传输流(transportstream,TS)TS流中含有多种信息，这些信息全部分布在各个小分组包里。PID(packetidentification，分组识别号)是识别各种信息的最重要工具。第30页，共44页，2023年，2月20日，星期六传输流的产生PES(可变长度)含有关基本流的信息，共解码时使用。TS(固定长度188bytes)含有关传输和解复用所需信息。分组长度适合实际传输信道。TS流中最重要的信息之一是分组识别号(packetidentification,PID)第31页，共44页，2023年，2月20日，星期六DVB服务传送模型第32页，共44页，2023年，2月20日，星期六DVBPSI/SI表(1)机顶盒接收到的传输流里复用了众多节目和各种信息。这些信息并不一定是按顺序依次送到机顶盒的。当用户在机顶盒遥控器上选了一个节目，机顶盒需要知道调到哪个频率；哪个节目能看，哪个节目不能看；到哪找能看的节目的码流；如果节目被加密了，怎么找到解密钥匙。机顶盒怎样从一个传输流里千千万万个分组包当中找到用户想看得节目呢？答案：靠PID和PSI/SI表。第33页，共44页，2023年，2月20日，星期六DVBPSI/SI表(2)为了协助机顶盒在传输流中浏览，MPEG和DVB在标准中规定了一些信息表。没有这些信息表指路，机顶盒就迷失方向，什么都找不到。MPEG-2规定了三个主要表(PAT，PMT，CAT)，统称PSI表(programspecificinformation，节目信息表)。PAT表提供每个节目的PMT表PMT表提供节目的基本流(视频流、音频流、数据流等)PSI各表里的信息只与本传输流内的节目及服务有关DVB又补加了一些表(NIT，BAT，SDT，EIT，RST，TOT，ST)，统称SI表(serviceinformation，服务信息表)。SI表向机顶盒提供有关其它其它流或其它网络的信息。第34页，共44页，2023年，2月20日，星期六DVBPSI/SI表(3)第35页，共44页，2023年，2月20日，星期六PAT节目关联表(programassociationtable)第36页，共44页，2023年，2月20日，星期六PMT节目映射表(programmaptable)第37页，共44页，2023年，2月20日，星期六CAT有条件接收表(conditionalaccesstable)第38页，共44页，2023年，2月20日，星期六机顶盒怎样解码接收、解调搜索PSI/SI表(解密)找节目流解码显示第39页，共44页，2023年，2月20日，星期六机顶盒解码过程机顶盒首先找到所用PID=0的分组，用它们重建PAT表。根据用户所选的节目号，机顶盒从PAT表找到所选节目的PMT表的位置(即PID)。机顶盒用这个PID找到所有PMT的分组，重建PMT表。PMT表含视频码流包的PID，音频码流包的PID，以及各个数据码流包的PID。根据从PMT找到的PID，机顶盒找到所有视频、音频和数据分组；重建视频ES流、音频ES流和数据流。机顶盒对音频视频基本