图像信号系统原理第7章资料

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1、第七章 数字电视与高清晰度电视 7-1 概述 7.1.1 数字电视的概念 数字电视：将电视信号数字化后进行传输、处理和存储 的系统。 7.1.2 数字电视的优点 (1) 数字电视抗干扰能力强 数字电视采用二进制，在传输过程中在一定程度 的失真和受干扰后，并不影响所带的信息。 (2) 数字电视信号容易进行存储 数字信号可以存储在半导体存储器中，存取速度 很高，进行反复的存取后不会失真。 (3) 数字电视稳定可靠 数字电路采用超大规模集成电路，性能稳定可靠。 (4) 数字信号易于与其它信号链接 数字电视信号可以通过计算机网络传送，容易 进行处理。 7.1.3 数字电视的发展 1、 模拟彩色电视的问

2、题 三大彩色电视制式 NTSC制：美国、加拿大、中美州、南美州、日本等 PAL制：英国、西欧国家、中国等 SECAM制：法国、中欧国家、俄罗斯等 (1) 模拟电视制式的相似性 都使用隔行扫描方式，两场构成一帧 广播图像信号都使用幅度调制方式 声音载波偏置高于图像载波频率，大多使用频率调制 都采用残留下边带调制方式 都从红绿蓝分量中取得亮度和两个色差信号 (2) 三大制式的不兼容性 射频信号带宽不同 NTSC制使用6MHz 带宽 SECAM使用8MHz 带宽 PAL制有6MHz、7MHz、8MHz几种带宽 视频信号带宽不同 NTSC制使用4.2MHz 带宽 PAL制有4.2MHz、5MHz、 5

3、.5MHz、 6MHz几种带宽 SECAM使用6MHz 带宽 信号的结构不同 色副载波不同 NTSC制使用525行，每秒30帧 PAL、SECAM制使用625行，每秒25帧 NTSC用3.57954506MHz PAL用4.43361875MHz SECAM用4.40625MHz 和4.250MHz两个副载波 声音载波的偏置不同 NTSC偏置4.5MHz PAL偏置5.5MHz 、6MHz 、 6.5MHz SECAM偏置6.5MHz (3) 模拟电视制式的缺陷 亮度分解力不足 垂直分解力受每帧行数的限制，水平分解力受图像 信号带宽的限制。 色度分解力不足 在亮色频谱间置后，亮色信号不能很好地

4、分离， 因而会造成相互的干扰。 由于利用了大面积着色原理，使色度分解力降低。 亮色串扰 亮色增益差 亮度信号的能量主要分布在整个频带的低、中频 部分，而色度信号的能量分布在频带的高频部分。 由于信道的线性不是很好，导致亮色信号的增 益不一直，产生色饱和度失真。 亮色信号通道的带宽不同，产生传输延时不同， 虽然进行了补偿，但仍有差异，造成亮度和彩色图像 位置的不重合，形成彩色镶边图像。 亮色延时差 信号传送中时间利用率不充分 行消隐占18.75%，场消隐占8%，有效信息传送率不高。 通道动态范围利用不充分 图像信号占用75%的幅度，同步信号占用25%的幅度。 声音信号只有单声道 模拟电视采用的是

5、单声道制式 不适合磁带、磁盘的多次复制 对模拟信号，在对信号的复制和处理过程中，噪声功率 会不断累加，播出节目一般不使用复制四代以上的磁带。 宽高比不适合人眼的视觉特性 制定模拟电视制式时，采用了35mm电影的4:3宽高比， 而人眼适合的宽高比是16:9。 (4) 改良彩色电视制式 在接收端将视频基带信号进行A/D转换，使用帧存储器 ，利用数字信号处理技术实现逐行扫描，以提高图像的垂 直分解力。 EDTV： 在 IDTV的基础上，在消隐期间加入消除重影基准信号 ，并将宽高比改成16:9，使用数字梳状滤波器，使图像质量 得到较大的改善。 IDTV： Multiplexed Analogue Co

6、mponents 制式 MAC是一种亮色时分复用的模拟电视制式 利用数字技术将亮度信号按3:2进行时间压缩，将色度 信号按3:1进行时间压缩。 在一行时间中，前1/3轮流传送两个色差信号，后2/3传 送亮度信号，完全避免了亮色信号共用频带的各种缺陷。 在行消隐期间内以数字方式传送4 路准瞬时压缩编码的 声音信号。 MAC仅用于卫星传送，与现行模拟制式不兼容。 (5) Hivision高清晰度电视 将每帧扫描行数提高到1125行/60场/2:1(隔行扫描)/ 画面宽高为16:9，亮度信号带宽为20MHz，色差信号带 宽为7.5MHz或5.5MHz，用PAL制的编码方式，总带宽 30MHz。声音为

7、前3后1。在1985年定名为HDTV。 由于带宽太宽，无法在现行制式的电视频道中传送。 将亮度信号经4:3时间压缩后，成为30MHz带宽；将 两个色度信号经4:1时间压缩后，也成为30MHz的带宽； 然后用MUSE(多重亚取样编码)技术实现4:1的压缩，亮度 和两个色差信号的带宽都是8.1MHz的带宽。 由此构成的电视广播制式称为Hivision制式，在24MHz 带宽的卫星频道中调频广播。 7-2 数字电视信号的产生与信源编码 7.2.1、电视信号的数字化 数字电视的编码过程：A/D转换 数字电视的解码过程：D/A转换 1、模拟电视信号的数字化 PCM (脉冲编码调制) 编码和解码 模拟信号

8、 取样脉冲 脉冲幅度调制信号 PAM 不归零串行数字信号 NRZ 取样序列 量化序列 编码序列 频谱 电视信号频谱 抽样脉冲频谱 理想抽样 PAM信号频谱 滤波器特性 抽样定理：fs2fm 2、 视频信号的编码方案与参数确定 1)、全电视信号编码 将全电视信号转变成PCM数字信号 (1) 取样结构 正交结构行交叉结构 (2) 取样频率 fS 满足抽样定理：fS2 fm =16MHz 满足正交结构：fS= n fH 有利于帧内和帧间的信号处理 满足与色度信号副载波的差拍 | fS q fSC|=0 对PAL制有 fSC= (283+3/4) fH+25 = (283+3/4+25/ fH) fH

9、 取q = 4，则有： fS =4 fSC=(1135+100/fH) fH =(1135+4/625) fH n=1135.0064 1135 满足正交结构 fS = (1135+4/625) fH=17.734475MHz 满足抽样定理 (3) 编码位数 对于现行的电视图像，编码位数取8位，有256个 量化层就够了。 则数字信号的码率为： fS 8bit =4 fSC 8bit =44.431068bit=141.76 106bit /s=16.9MBps 一帧的数据量为：5.67 106 bit=692KByte 2)、分量信号编码 将Y、U、V信号或R、G、B信号进行编码 (1) 亮度

10、信号取样频率 兼顾不同国际格式： 满足抽样定理：fY2fm=12MHz 满足正交结构：fY= n fH 625行/50场格式： fH=15625Hz 525行/59.94格式： fH=15734.25Hz 最小公倍数是2.25MHz，因此 fY = m 2.25MHz 国际无线电咨询委员会(CCIR)建议：m =6 则 fY = 13.5MHz (2) 色度格式 对625行/50场格式的亮度信号，每行取样点数为 对525行/60场格式的亮度信号，每行取样点数为 对两个色差信号的取样有如下格式： 4:2:2格式：fY: fR: fB= 4:2:2 即fR= fB=6.75MHz 4:1:1格式：

11、fY: fR: fB= 4:1:1 即fR= fB=3.375MHz (3) 数字有效行 图像信号在扫描的正程，因此只有在扫描正程的取 样信号才是有效的，是应该进行存储和处理的。 规定： 对两种图像格式，亮度信号在正程中取720个点 ，色度信号取360个点。 (4) 编码位数和排列 亮度信号归一化为：0到1间 色差信号归一化为：-0.5到+0.5间 对两个色差信号需要进行压缩，结果为 亮度信号：Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B 红差信号：RY = 0.5R 0.42G 0.08B 蓝差信号：BY = 0.17R 0.33G + 0.5B 编码 亮度信号为8位自然二进制码 色差信

12、号为8位偏移二进制码： -0.5对应0 0对应128 +0.5对应255 传输顺序(4:2:2) (B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y) 其中(B-Y)Y(R-Y)是同一取样点的数据，而 (Y)是只有亮度的取样点数据。 7.2.2 频带压缩编码 将电视信号数字化后产生的问题： 海量的数据造成存储和传输上的困难。 例：4:2:2分量编码的码率为 (13.5 +26.75) 8=216Mbps 如果用1.5bit/Hz进行调制，需要带宽144MHz。 解决海量的数据困难的方法：采用压缩编码 1、概述 压缩编码的基础 1)、图像数据的冗余 (1) 空间冗余 在图像序列中相邻行和相邻

13、帧有较大的相关性。 在一幅图像中规则的物体和规则的背景有较大的相关性。 (2) 时间冗余 (3) 结构冗余 图像从大面积上看，存在着纹理结构。 (4) 视觉冗余 人眼视觉分辨能力的限制使有些信息是不必要的。 2)、人眼视觉限制 (1) 亮度辨别阈值 当景物的亮度在背景亮度的基础上增加很少 时，人眼是辨别不出来的，只有当亮度增加到某 一数值时，人眼才能感觉亮度有变化。人眼刚刚 能察觉亮度变化的值称为亮度辨别阈值 (2) 视觉阈值 视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的 门限值，低于它就察觉不出来，高于它才能看得 出来，这是一个统计值。 (3) 空间分辨力 空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和

14、细 节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。 对于静止图像或变化缓慢的图像，在适当的亮度下， 视觉具有较高的空间分辨力；而对于活动图像，视觉 的空间分辨力减低，并随目标运动速度的增大而迅速 下降。 (4) 掩盖效应 “掩盖效应”是指人眼对图像中量化误差的敏感程度 ，与图像信号变化的剧烈程度有关。人眼对图像中误 差的辨别能力受“掩盖效应”的影响，亮度变化越剧烈 ，在轮廓和边沿处的量化误差越容易被掩盖；相反则 越容易被察觉。 2、图像编码技术 (1) 基于图像信源统计特性的压缩方法 (2) 基于人眼视觉特性的压缩方法 有预测编码、变换编码、矢量量化编码、子 带-小波编码和神经网络编码等。 有

15、方向滤波图像编码和图像轮廓-纹理编码 法等。 (3) 基于图像景物特征的压缩方法 有分形编码法和模型编码法等。 1) 预测编码 减小空间和时间冗余信息的编码方法 取样序列 量化后的序列 预测值: 预测系数 量化后的预测误差 仅对预测误差编码，码率将下降 预测误差 线性预测 以前各点量化值的线性组合 DPCM 编码 采用线性预测，由于减小了信号的动态范围，使编 码后的码率下降，但编码的方法将决定压缩的程度。 (1) 预测误差的统计特性 预测统计误差的概率分布 集中在 0 附近的一个小范围内 ，近似满足Laplace分布 实验表明：用8bit量化，分层数为M=256，预测误差 的绝对值在1618以

16、下的像素占(80%90%)以上。 (1) 非均匀量化编码 对幅值小的范围，量化间距小；对大幅值的范围， 量化间距大。 非均匀量化用5位编码可达到均匀量化8位编码的效果。 (2) 可变字长编码 用均匀量化编码，对出现概率大的小差值信号的 编码位数 n 小；对出现概率小的大差值信号的编码位 数n大。 编码位数 n 随信号出现的概率而变化，取 Pi 是第 i 个数字信号出现的概率，C是负常数。 平均码长： 2) 变换编码 编码原理： 将图像中的像素按区域分成一些包括MN个像素 的许多方块，这些像素点的取样值构成一个矩阵。 将数值矩阵进行正交变换，将变换后的数值进 行编码后再发送出去。 在变换后，对幅度大的部分用高位数编码，对幅 度小的部分用低位数编码，根据统计规律，平均字长 和总码长都会下降。 3) 其他压缩码率的措施 (1)、亚奈奎斯特取样 fs = 2 fm称为奈奎斯特频率，大于此频率的取样 称为奈奎斯特取样。在取样时若小于此频率，将产 生频谱混叠失真。 在特殊情况下，如果频