数字视频信号源的编码器和解码器的设计说明[学习]

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1、1 数字电视的优点和发展概况 1.1 数字电视的优点 (1) 清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。数字电视信号在传输过程中 不会出现噪声积累效应， 几乎完全不受噪声干扰， 电视信号的强度衰减与失真度 很低，电视画面十分逼近演播室水平。数字电视的音频效果很好， 支持五声道的 杜比数码（ AC-3）5.1 环绕立体声家庭影院服务； (2) 数字频道数成倍增加。 基于现有模拟电视频道， 可同时传输 6-8 套 DVD 质量或 15-18 套 VCD 质量的数字电视节目。 如全部采用数字电视技术传输， 可同 时传送大约 200 套 DVD 质量或 500 多套 VCD 质量的电视节目。电视频道资源利用

2、 率高，可完全满足用户自由收看电视节目的个性化要求； (3) 数字业务功能极大拓展。随着有线电视传输和用户接收的数字化，以 前模拟方式无法提供的服务都将成为可能，如电视、交互电视、股票行情与分析、 视频点播等，电视互动数字新业务的开展将变得更加容易； (4) 数字电视信号容易加密，性好，便于采用现代数字信号处理。总之， 数字电视替代模拟电视的趋势是现代科技发展的必然结果。 1.2 数字电视机的发展 随着经济和社会的发展进步，广播电视的受众需求日益高涨和多元化，点 对面单一模式的模拟电视已经无法满足人民群众日益增长的精神和文化需求。模 拟电视改为数字电视信号播送， 不但能为电视用户提供全业务、

3、多层次的高清晰 度的数字电视信号， 满足当今不同领域、 不同阶层、 不同家庭与个体用户不同的 精神文化的固定与移动、 单向与交互的多元化、 个性化服务， 同时也为广播电视 市场提供新的发展契机。 接收数字电视信号的数字电视用户必须更换购买数字电 视或购置与原有电视机配用的接收数字电视信号的机顶盒解码器。数字电视在欧 美地区已应用多年， 技术上非常成熟， 在国家 863 计划支持下， 我国在积极参与 MPEG/JVT国际标准制定的基础上，提出并完成了具有我国自主知识产权的数字 音视频编解码技术AVS 。AVS是我国自主创新所构建的自主标准，可在一定程度 上规避专利费， 数字电视是一个信息化系统工

4、程，从电视节目的采集、 制作到信 号的发射、传输以及最终接收的全过程全部采用数字化，是整个广播电视事业链 条的一次大变革。 数字电视节目容的广播传送采用数字信息传输网络，数字节目 的接收是提供端到端的数字电视容的一个过程。因此，数字电视的信息提供端和 传输网络都将面临全面的建设和设备更新，信息网络建设的需求将稳定增加，这 是一项涉及万户千家的数字信息化系统工程。数字电视与因特网结合， 将各家各 户与因特网连接到一起，大大加快了社会信息化进程 2 数字视频压缩编码 视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频 压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。由于视频是连续的静

5、态图 像，因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动 的视频还有其自身的特性， 因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的 目标。目前有多种视频压缩编码方法，但其中最有代表性的是MPEG 数字视频格 式和 AVI 数字视频格式。 2.1 数据压缩编码的分类 (1) 有损压缩编码方式：有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据 不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而 且丢失的信息不可恢复。 几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到 低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多， 解压缩后的效果一般越差。此

6、外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式， 这样还会引起额外的数据丢失。 (2) 无损压缩编码方式： 无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致， 多数的无损压缩都采用RLE行程编码算法。 2.2 数字视频压缩编码的标准 常用名称制定机构发 布 日 期 标准编号标题典型应用领域 H261 ITU-T 1990 年ITU-T H261 运 动 图 像 编 码标准 可 视 和 会 议 电 视，窄宽ISDN MPEG-1ISO/IEC 1991 年ISO/IEC 11172 运 动 图 像 和 伴 音 的 通 用 编码第2 部 分视频 VCD 等 JPEC ISO/IEC 1992 年ITU-TT

7、.81 ISO/IEC 10918 静 止 图 像 编 码 数码相机、 图像 库等 MPEG-2ISO/IEC ITU-T 1994 年ITU-T H262 ISO/IEC 13818 -2 运 动 图 像 和 伴 音 的 通 用 编码第2 部 分视频 数 字 电 视 传 输 等 H.263 ITU-T 1995 年ITU-T H263 运 动 图 像 编 码标准 多媒体通信等 MPEG-4ISO/IEC 2000 年ISO/IEC 14496 -2基 于 对 象 的 视 /音频编码 第2 部分视 频 网络 /视音频等 JPEG2000 ISO/IEC 2000 年ISO/IEC 15444

8、-3静 止 图 像 编 码 图像库、 数字电 影等 H.264/AVC MPEG-4-10 ITU -T ISO/IEC 2003 年ITU-T Rec.H.264 ISO/IEC 14496 -10 高 级 视 频 编 码 数字电视、 多媒 体通信等 VC-1SMPTE 2006 年SMPTE421M 电 视 压 缩 视 频 格 式 和 解 码处理 数字电视等 AVS 中 国 国 家 标委会 2006 年GB/T20090 -2006先进视 /音频 编码第2 部 分视频 数字电视、 网络 视频等 表 1. 数字视频压缩编码标准 3 MPEG -2概述 MPEG-2制定于1994 年，设计目标

9、是高级工业标准的图象质量以及更 高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间, 其在 NTSC制 式下的分辨率可达720X486，MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和 CD 级的音质。 MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道, 以及一个 加重低音声道，和多达7 个伴音声道 (DVD可有 8 种语言配音的原因) 。由于 MPEG-2在设计时的巧妙处理，使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1 格式的数据， 如 VCD 。 同时，由于 MPEG-2的出色性能表现， 已能适用于HDTV ， 使得原打算为HDTV设计的 MPEG-3 ，还没出世就被抛

10、弃了。(MPEG-3要求传 输速率在20Mbits/sev-40Mbits/sec间，但这将使画面有轻度扭曲) 。除了 做为 DVD的指定标准外，MPEG-2还可用于为广播，有线电视网，电缆网络 以 及 卫 星 直 播 (DirectBroadcastSatellite)提 供 广 播 级 的 数 字 视 频 。 MPEG-2的另一特点是，其可提供一个较广的围改变压缩比，以适应不同画 面质量，存储容量，以及带宽的要求。对于最终用户来说，由于现存电视 机分辨率限制，MPEG-2所带来的高清晰度画面质量( 如 DVD画面 ) 在电视上 效果并不明显，到是其音频特性(如加重低音，多伴音声道等) 更引

11、人注目。 3.1 系统的定义 MPEG-2系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜 于存储或传输的数据流的规，如图1 所示。由图2 可见，符合ITU-R. 601 标准的、帧次序为I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10 数字视频数据和符合AES/EBU 标 准 的 数 字 音 频 数 据 分别 通 过 图 像编 码 和 声 音 编 码 之 后 ，生 成 次 序 为 I1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9视频基本流（ES）和音频ES。在视频ES中还要 加入一个时间基准，即加入从视频信号中取出的27MHz 时钟。然后，再分 别通过各自的数据包形成器，将相应的ES 打包成打

12、包基本流（PES ）包， 并由 PES包构成 PES 。最后，节目复用器和传输复用器分别将视频PES和音 频 PES组合成相应的节目流（PS）包和传输流（TS）包，并由PS包构成 PS 和由 TS包构成 TS。显然，不允许直接传输PES ，只允许传输PS和 TS；PES 只是 PS转换为 TS或 TS转换为 PS的中间步骤或桥梁，是MPEG 数据流互换 的逻辑结构，本身不能参与交换和互操作。由系统的定义，可知MPEG-2系 统的任务。系统的要点是根据数字通信信息量可以逐段传输的机理，将已编码 数据流在时间上以一定重复周期结构分割成不能再细分的最小信息单元，这个最 小信息单元就定义为数据包，几个

13、小数据包（Data Packet ）又可以打包成大数 据包（ Data Pack ）。用数据包传输的优点是：网络息可占用不同的连接线路和 简单暂存；通过数据包交织将多个数据流组合（复用）成一个新的数据流；便于 解码器按照相应顺序对数据包进行灵活地整理。从而，数据包为数据流同步和复 用奠定了基础。因此， MPEG-2 系统规不仅采用了 PS 、TS和 PES三种数据包，而 且也涉及 PS和 TS两种可以互相转换的数据流。 显然，以数据包形式存储和传送 数据流是 MPEG-2 系统的要点。为此， MPEG-2 系统规定义了三种数据包及两种数 据流。 图 2.MPEG-2 系统框图 3.2 MPEG

14、-2 的型和级 MPEG-2按照不同的型和不同的级的组合，有20 种组合方式，但是在 实际应用中只有其中的11 种组合可以应用。MPEG-2型和级的定义及其组合 如图表 3 所示，表中越是右上方的编码档次越高，MPEG-2标准规定，凡是 能解码某一组合点上比特流的解码器，必须能解码其左方和下方组合点上 的比特流，这是MPEG-2标准所要求的解码兼容性能。 型profile 级 level 简 单型 SP 主 型 MP 信 杂比可级 SNRP 空 间可分级 SSP 高型HP 高级（ HL） 1920108030 1920108025 MPHL HPHL 全部层 底层 高 1440 级 （H144

15、0L） 1440108030 1440108025 MPH1440L SSPH1440L 全部层 底层 HPH1440L 全部层 底层 主级（ ML ） 72048030 72057625 SPML (无 B 帧) MPML SNPML 全部层 底层 HPML 全部层 底层 低级（LL） 35224830 35224825 MPLL SNPLL 全部层 底层 图表 3.MPEG-2的型和级 3.3 MPEG-2的编码码流分为六个层次 从 上 至 下 依 次 为 ： 视 频 序 列 层 (Sequence)， 图 像 组 层 (GOP： GroupofPicture)， 图像层 (Picture

16、)， 像条层 (Slice)， 宏块层 (MacroBlock) 和像块层 (Block)。除宏块层和像块层外，上面四层中都有相应的起始码 (SC：StartCode)，可用于因误码或其它原因收发两端失步时，解码器重新 捕捉同步。因此一次失步将至少丢失一个像条的数据。 (1) 序列指构成某路节目的图像序列，序列起始码后的序列头中包含 了图像尺寸，宽高比，图像速率等信息。 (2) 序列层下是图像组层，一个图像组由相互间有预测和生成关系的 一组 I 、P、B 图像构成， 但头一帧图像总是I 帧。GOP 头中包含了时间信息。 (3) 图像组层下是图像层，分为I 、P、B 三类。 PIC 头中包含了图像 编码的类型和时间参考信息。 (4)图像层下是像条层，一个像条包括一定数量的宏块，其顺序与扫 描顺序一致。MPML 中一个像条必须在同一宏块行。 (5) 像条层下是宏块层。MPEG-2中定义了三种宏块结构：4:2:0宏块 4:2:2宏块和 4:4:4宏块，分别代表构成一个宏块的亮度像块和色差像块的 数量关系。