数字化电视原理教材

数字化电视原理

电子工程学院2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITYContents第一章数字压缩技术与数字电视技术的发展

2024/7/2XIDIANUNIVERSITYContents

电视的发展历程1模拟信号的数字化处理2

数字图像信号的压缩编码原理3模拟电视与数字电视4数字化电视51.1电视的发展历程A电视诞生

电视是以电的方法即时传送活动图像和伴音的技术。

2024/7/2XIDIANUNIVERSITY基本过程：在发送端把活动景物的光信号转变成对应的电信号。加工、处理并进行电传输。在接收端把收到的电信号逆变成原来景物的图像。

那么如何在发送端把活动景物的光信号转变成对应的电信号，从而实现电信号的传输呢？

2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1机械式圆盘扫描1884年，德国发明家保罗·尼普科夫设计了尼普科夫圆盘尼普科夫圆盘的思想：（1）图像分解：图像分解为一个个像素2024/7/2XIDIANUNIVERSITY对于一幅图像而言，实际上它是由许多小的单元所租成的。我们把构成图像的基本单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素点数目就越多，分辨率就越高。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（2）像素的传送2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2电子式电视

随着光电摄像管、电子扫描系统和电子束显像管的发明与完善，电子式电视取代了机械式电视。 3彩色电视 1）彩色电视定义

摄取、传送、接收彩色图像的电视系统。 A三基色原理

三基色？

RGB一切色彩可由三基色光混合而成。2024/7/2XIDIANUNIVERSITYB彩色电视制式彩色电视制式的制定依据？

依据：色度信号的编码方法

三大制式: (1)NTSC（N制，美国国家电视制式委员会） (2)SECAM(顺序传送色彩与存储) (3)PAL(P制，逐行倒相)

我国：PAL-D

2024/7/2XIDIANUNIVERSITYC黑白电视体制

彩色电视的体制以黑白电视体制为基础。

体制的概念内涵：

扫描方式、每帧行数、行帧、场帧、视频带宽…2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.2模拟信号的数字化处理 A模拟信号：时间、幅度连续 B数字信号：时间、幅度离散

那么数字系统的优势表现在动态、非线性失真影响等方面的改善。 C模拟信号转变为数字信号

如何实现？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY采样、量化、编码（1）采样

采样定理2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（2）量化（均匀量化）

最大量化误差？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY8位量化7位量化2024/7/2XIDIANUNIVERSITY6位量化4位量化2024/7/2XIDIANUNIVERSITY(3)编码

定义：用n位2进制码表示采样信号的量化值。

采样、量化、编码这样一个处理流程称为

脉冲编码调制2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.3数字图像信号的压缩编码原理 1压缩的必要性摄像机输出的RGB信号通过矩阵变换得到Y,CB和CR信号降低色度分辨率为4:2:2格式PAL按照CCIR.601，信号码率216Mbit/s通过MPEG视频压缩过程，必须压缩到6Mbit/s，压缩比36。数字SDTV视频信号数码率270Mbit/s，必须压缩到2～6Mbit/s才能用于广播传输。数字HDTV视频信号数码率1.188Gbit/s，必须压缩到2～6(15)Mbit/s才能用于广播传输。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY冗余度消除多余信息：码流中多次存在，或没有信息量，或在接收端可通过数学方法无失真恢复。无损压缩2图像数据因何可以实现压缩不相关性消除不必要信息：人眼无法察觉的信息。人眼的彩色视觉细胞远远少于亮度视觉细胞，因此色度分辨率可以降低，色度信号带宽可以减少。人眼不能辨别图像中过于精细结构和粗结构。不能复原的有损过程

3分类：

无损压缩和有损压缩.

无损压缩：VLC游程编码霍夫曼编码：使用频率高的字母用短码，使用频率低的字母用长码。

有损压缩：

离散余弦变换2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY4静止图像压缩标准编码方法 JPEG JointPhoto-graphicExpertsGroup

（1）国际标准化组织

（2）国际电报电话咨询委员会

（3）国际电工委员会

适用范围：彩色和单色多灰度静止数字图像的压缩。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY A混合编码方式 B有损压缩和无损压缩方法结合 C基本算法流程 1）颜色空间转换（色彩作为独立的部分处理） 2）DCT 3）量化 4）差分编码 5）Z字形扫描游程编码 6）熵编码Huffman编码2024/7/2XIDIANUNIVERSITY29对视频帧一行中8个象素的时域电压值进行DCT得到频域的8个系数，依次为直流DC系数、低频、中频和高频系数（视频信号能量）。根据人眼视觉特性，DCT系数在频域进行量化，除以某个量化因子。量化因子越大，量化越粗。对较平滑图象，量化因子改变不大或根本不变；而对细节丰富图象，量化因子随着频率增高而变大。量化后很多系数变为0，尤其对高频系数而言。30数字电视原理与应用5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二维变换编码。图象先被分成8x8象素块，再通过二维DCT变换到频域。为得到带符号值，在做二维DCT之前，所有象素值先减去128。DCT后即量化，除以合适的量化步长1831982202392442362222111982092222312292151981861441541701841901901851801621641661671651611571541951911851801781781791811741681611561601701831921741601381191121151251331521381191051041151331468X8象素块f(x,y)二维DCT减去12855709211111610894837081941031018770581681425662625752343638393733292667635752505051534640332832425564463210－9－16－13－352410－9－23－24－1351813840000000216－36－99000000000000099000000000000000－5800000000－6000000000000001F(v,u)=DCT(f(x,y)1－200000000000002000000000000000－100000000－1000000000000008161922262729341616222427293437192226272934343822222627293437402226272932354048262729323540485826272934384656692729353846566983QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化318x8象素块做二维DCT后得到频域中的8x8数组:第一个系数是DC系数，对应整个块的直流分量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构的能量。第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构的能量。第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构的能量。对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构的能量。MPEG-2视频编码及其测量,

class0332数字电视原理与应用量化DCT系数进行Z扫描之后，使得连0数目最大。码流中不传这些连续0系数，而是通过游程编码只传连0的个数，Z扫描和游程编码，与DCT和量化相配合，是MPEG-2高压缩比的主要因素。Z扫描和游程编码Z扫描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0RL1－200000000000002000000000000000－100000000－10000000000000033游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。出现频率高的码字编码为短码，出现频率低的码字编码为长码。进一步冗余度消除，无损过程。霍夫曼编码DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman编码HuffmancodetableCodesofvariablelength2024/7/2XIDIANUNIVERSITY相同之处：游程编码

TIF40KJPG10K2024/7/2XIDIANUNIVERSITY5MPEG(活动图像压缩标准)

活动图像专家组

（MovingPictureExpertGroup） A任务：开发运动图像及其声音的数字编码标准 B标准： MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-2:10Mb/s2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG-1:

一MPEG-1的提出

为CD-ROM的视频存储和放像所制定

二适用图像：360*28824-30帧/s运动图像

三应用领域：CD-ROM硬盘VCD数字音频磁带（2）MPEG-2:

一MPEG-2的提出

提供数字音频-视频服务和应用的国际标准。

二适用图像：720*48030帧/s 1440*1152HDTV2024/7/2XIDIANUNIVERSITY6MPEG视频压缩方法

以MPEG-1为例：

压缩方法：帧内压缩和帧间压缩方法结合

（1）帧内压缩：JPEG

（2）帧间压缩

依据:相邻画面之间，活动部分的画面内容是相关的，其运动具有连续性。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY预测需要什么信息？1已知帧内画面中的宏块2运动补偿矢量

运动补偿矢量的估计？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY运动估计——得到运动向量过程：对当前要编码帧的宏块，在前面的参考帧（P帧）中搜索最佳匹配宏块。在当前宏块周围的搜索窗内的块匹配找到匹配宏块后就得到所需传输的运动向量。另外还传输匹配宏块的残差。残差单独再经过DCT和量化进一步压缩。2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG的应用 MPEG-1：CD-ROM、

硬盘、VCD、

数字音频磁带 MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG-2的方法：2024/7/2XIDIANUNIVERSITY有损1量化从10bits降为8bits无损2省略水平和垂直空白间隔有损3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)无损4活动图像的DPCM有损5DCT和量化无损6Z扫描和零序列的游程编码无损7Huffman编码1.4模拟电视与数字电视1.4.1模拟电视1模拟电视定义：

信源的形式决定了电视机是模拟电视机还是数字电视机。

目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶段。 (1)电视台发的信号基本是模拟信号。 (2)采用的PAL-D制式为模拟电视广播。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2模拟电视制式的内在缺陷（1）基本概念：电视线（TVLine）色度副载波亮色频带共用A视频带宽的限制，电视线个数（显示图像的实际电视线个数）受限：

亮度分解力和色度分解力不足2024/7/2XIDIANUNIVERSITYB.亮色频带共用 1）电视机无法将亮度信号与色度信号彻底分离，造成亮色互串； 2）亮度信号能量分布在视频通道的中低频，

色度信号能量分布在视频通道的高频，

视频通道的线性特性（幅频特性、相频特性）的优劣决定是否存在亮色增益差和延时差。

C.长宽比2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.4数字电视

（1）定义：

信源：数字电视信号

（2）与模拟电视的区别：

可利用数字压缩技术

频道资源专业化、个性化

数字技术对节目处理、传输、储存

功能丰富：查询回放预定2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（3）数字电视系统组成

数字前端系统：数字化、加扰、授权、认证

双向传输网络：卫星、Cable

用户终端系统：机顶盒（4）主要业务：

以IPTV为例，基于以太网的电视