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1、数字电视原理与应用 PrincipleandApplicationofDigitalTelevision 主讲 张文军教授上海交通大学电子信息工程学院Email zhangwenjun 2006 2007学年第一学期 MPEG 2视频编码及其测量 class03 2 数字电视原理与应用 课程安排 MPEG 2视频编码及其测量 class03 3 数字电视原理与应用 数字电视基本原理 视频压缩原理 第5章MPEG 2视频编码及其测量 第4 6 11章MPEG 2音频编码部分及其测量 第7章MPEG 2系统部分及其测量 第3 9 10章数字调制基础 第12章数字电视中的纠错编码原理 补充 MPEG
2、 2视频编码及其测量 class03 4 数字电视原理与应用 MPEG 2视频编码及其测量 1 数字视频信号ITU BT R 601 MPEG 2视频编码及其测量 class03 5 数字电视原理与应用 电视演播室中使用了一段时间的无压缩数字视频信号 ITU BT R 601 CCIR601 的获得 视频摄像机得到模拟RGB信号RGB信号在摄像机中通过矩阵变换得到亮度 Y 和色度 色差CB和CR 信号 1 数字视频信号ITU BT R 601 图4 1亮度和色度信号的数字化 MPEG 2视频编码及其测量 class03 6 数字电视原理与应用 RGB信号转换成亮度和色度信号亮度信号色差信号亮度
3、信号的带宽利用低通滤波器限定到5 75MHz两个色差信号带宽限定到2 75MHz色度信号的分辨率比亮度信号分辨率低 人眼视觉特性模拟电视中色度信号限定到1 3MHz 1 数字视频信号ITU BT R 601 MPEG 2视频编码及其测量 class03 7 数字电视原理与应用 带限后的亮度和色度信号通过模数转换器实现采样和数字化亮度分量Y中A D转换器的采样频率是13 5MHz色度分量CB和CR中A D转换器的采样频率是6 75MHz满足采样定理 信号的最高频率不超过采样频率的一半 1 数字视频信号ITU BT R 601 图4 2IUT BT R 601亮度和色度分量的采样 MPEG 2视频
4、编码及其测量 class03 8 数字电视原理与应用 A D转换器的分辨率可达8或10bits10bits对应270Mbit s码率码率高 适合演播室应用 不适合TV传输应用 Y CB CR三个分量的复用顺序 CBYCRYCBY 亮度分量Y与两色度分量CBCR相交替 亮度分量Y的分辨率是CB或CR分辨率的两倍 4 2 2格式 采样前 矩阵变换输出的Y CB和CR的分辨率相同 4 4 4格式 信号接口 25 pinsub D并口75 OhmBNC串口 叫做SDI SerialDigitalInterface 广泛采用传统的75Ohm双绞线 同轴电缆接口 1 数字视频信号ITU BT R 601
5、MPEG 2视频编码及其测量 class03 9 数字电视原理与应用 码流中视频信号的开始和结束由特殊码字SAV StartofActiveVideo 和EAV EndofActiveVideo 标记 EAV到SAV之间有水平空白间隔 不包含任何视频信号 可传输辅助信息 例如音频信号或数字信号的错误掩盖信息 SAV和EAV码字各自由4个8或10bit码字组成 第一个码字是全1 第二和第三个码字全0 第四个码字包含相应场或相应垂直空白间隔的信息 1 数字视频信号ITU BT R 601 MPEG 2视频编码及其测量 class03 10 数字电视原理与应用 第四个码字用于检测垂直方向一帧 一场图
6、像的开始最高位始终是1 次高位 第8位 10bit 或第6位 8bit 是场标志 如果该位为0 是第一场 如果该位为1 是第二场 第7位 10bit 或第5位 8bit 是垂直方向活动视频区域标志 如果该位为0 表示是可见的视频区域 如果该位为1 是垂直空白间隔 第6位 10bit 或第4位 8bit 标记该码字是SAV还是EAV 如果该位为0 是SAV 如果该位为1 是EAV 第5 2位 10bit 或第3 0位 8bit 用于SAV和EAV码字的误码保护 F Field 0 1stfield 1 2ndfield V Verticalblanking 1 verticalblankingi
7、nterval H SAV EAV标记 0 SAV 1 EAV P0 P1 P2 P3 保护位 汉明码 1 数字视频信号ITU BT R 601 MPEG 2视频编码及其测量 class03 11 数字电视原理与应用 Y CB和CR都没有用到全部的动态范围 留有一个禁止区间作为保留净空 同时使得SAV和EAV便于识别 亮度信号Y的范围 16 235 8bits 64 940 10bits 色度信号CB和CR的动态范围 16 240 8bits 64 960 10bits 该范围外的区间作为净空和同步标识 1 数字视频信号ITU BT R 601 图4 4Y CB CR的动态范围 MPEG 2视
8、频编码及其测量 class03 12 数字电视原理与应用 MPEG 2视频编码及其测量 1 数字视频信号ITU BT R 601 2 MPEG 2视频编码 MPEG 2视频编码及其测量 class03 13 数字电视原理与应用 2 MPEG 2视频编码 视频压缩步骤 压缩算法总结 视频ES流结构 MPEG 2视频编码及其测量 class03 14 数字电视原理与应用 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 摄像机输出的RGB信号通过矩阵变换得到Y CB和CR信号降低信号带宽 信号通过低通滤波模数转换降低色度分辨率为4 2 2格式按照ITU B
9、T R 601 信号码率270Mbit s通过MPEG视频压缩过程 必须压缩到2 6 15 Mbit s 压缩比高达130 视频压缩 MPEG 2视频编码及其测量 class03 15 数字电视原理与应用 视频压缩 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 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 无损压缩 高压缩比 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 MPEG 2视
10、频编码及其测量 class03 16 数字电视原理与应用 MPEG采用的压缩步骤 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 5 DCT和量化 无损 6 Z扫描和零序列的游程编码 无损 7 Huffman编码 MPEG 2视频编码及其测量 class03 17 数字电视原理与应用 模拟电视中 视频信号的信噪比大于48dB时 噪声恰好人眼不可见 A D转换器中8bit分辨率的量化噪声已经不可见 因此在演播室以外 对Y CB和CR信号不必要采用10bit分辨率 演播室中最好采用10b
11、it 更容易进行后处理 质量更好 10bit降为8bit可节省20 码率 10 8 10 2 10 20 不相关性消除接收端不能恢复原始信号S N dB 6N 量化噪声增加12dB 1 10bits量化降为8bits量化 MPEG 2视频编码及其测量 class03 18 数字电视原理与应用 ITUBT R601信号的水平和垂直空白间隔不包含任何信息 可以包含辅助数据例如声音信号 但根据MPEG这些辅助数据必须单独编码 因此可以省略 接收端可以轻易恢复 2 省略水平和垂直空白间隔 图6 1水平和垂直空白 PAL信号的625线只有575线可见 如果省略垂直空白间隔可以节省8 的码率 625 57
12、5 625 8 一行长64微秒 只有52微秒可见 如果省略水平空白间隔又可以节省19 的码率 64 52 64 19 因为两个节省有部分重叠 总的节省率大约25 Visible activepicture 64 s 52 sActiveline VBlanking 8 575Visiblelines 625lines HBlanking 19 MPEG 2视频编码及其测量 class03 19 数字电视原理与应用 按照ITUBT R601 两个色度分量CB和CR的采样频率是亮度分量Y的一半 Y的带宽5 75MHz CB和CR的带宽降为2 75MHz 4 2 2格式4 2 2色度分辨率只是水平方
13、向降低 人眼无法分辨水平和垂直方向的色度分辨率 垂直方向降低一半色度分辨率的影响人眼不可见 4 2 0信号 四个Y像素对应一个CB和CR值 又节省25 码率 3 降低垂直色度分辨率 4 2 0 图6 24 4 44 2 24 2 0分辨率 MPEG 2视频编码及其测量 class03 20 数字电视原理与应用 MPEG视频压缩步骤 MPEG 2视频编码及其测量 class03 21 数字电视原理与应用 进一步数据压缩 DPCM Z扫描 VLC Huffman编码 进一步数据压缩 DCT 量化 MPEG 2视频编码及其测量 class03 22 数字电视原理与应用 相邻帧之间差别较小 有静止区域
14、不发生变化 有活动区域只改变其位置 还有新增加的对象 如果每帧图像都完全传输 有部分传输的信息完全相同 会导致很高的码率 显然对这些图像区域只传输两帧之间的差值更合适 DPCM 4 DPCM MPEG 2视频编码及其测量 class03 23 数字电视原理与应用 连续模拟信号采样数字化时得到等间隔的离散采样值 相当于等间隔的脉冲 即PCM脉冲编码调制 每个脉冲的高度表示该时刻信号的离散采样值 由于经过了带限预处理 相邻采样值之间的差值不大 如果只传输差值可以节省传输容量 降低码率 即DPCM差分脉冲编码调制 DPCM的问题在于恢复原始信号的延迟较长 可以通过在传输差值时 每隔固定间隔就传输一次
15、完全采样值 来解决该问题 这种方法非常接近MPEG 1 2图像压缩中采用的帧间预测编码 4 DPCM MPEG 2视频编码及其测量 class03 24 数字电视原理与应用 在一帧图像进行静止和运动对象检测之前 首先被分成若干宏块 4 2 0格式每个宏块由一个16x16亮度像素Y和两个8x8的色度像素CB CR 每帧图像水平和垂直像素数目选择为16和8的整数倍 720 x576 每隔一定间隔传输一帧完全参考帧 I帧 Intracoded 两个I帧之间传输差值帧 4 DPCM 图6 20帧分解为宏块 MPEG 2视频编码及其测量 class03 25 数字电视原理与应用 求差值的单位是宏块 当前
16、帧宏块与前一帧的宏块进行比较 首先检测该宏块是否由于图像中的运动在某方向发生位移 只传输运动向量MV 如果当前宏块与前一帧的宏块有差值 还传输残差 或者宏块是否没变化 也没有位移 不需传输任何信息 或者是否是新出现的对象 完全编码 4 DPCM MPEG 2视频编码及其测量 class03 26 数字电视原理与应用 P帧 前向预测帧B帧 双向预测帧 包括前向和后向预测 码率比I P帧低很多 GOP 两个I帧之间P B帧的组织结构 GOP结构灵活 一个GOP通常包括12帧 I B B P B B P B帧介于I和P帧之间 在解码B帧之前 必须先解码重建它的前向和后向参考帧 I帧或P帧 因此 视频帧的传送顺序和原始显示顺序不同 接收端的缓存大小可事先计算出 可以利用PES头中的DTS decodingtimestamp 值 4 DPCM 图6 9GOP结构 MPEG 2视频编码及其测量 class03 27 数字电视原理与应用 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 或后面的参考帧 B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
