数字电视PPT演示文稿

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1、,数字电视原理,主讲人：赵艳杰,西安电子科技大学出版社,内蒙古大学电子信息工程学院,5.1 视频压缩编码标准的发展历程 5.2 H.261标准 5.3 JPEG标准 5.4 MPEG-1标准 5.5 MPEG-2标准 5.6 H.263标准 5.7 MPEG-4标准 5.8 H.264标准,第5章 视频压缩编码标准,5.1 视频压缩编码标准的发展历程 图像压缩编码标准可分为两大系列：MPEG-X 和 H.26X。 MPEG-X 是由国际标准化组织 ( ISO ) 和国际电工委员会 ( IEC ) 提出的标准。 H. 26X 是由国际电信联盟 ( ITU ) 标准委员会提出的，它们在数据格式和输

2、出码率之间有如表 5.1.2所示的对应关系。 表5.1.1 按时间顺序给出了各种视频压缩编码标准。,1. ISO/IEC颁布的标准 国际标准化组织 ( ISO ) 是目前世界上最大、最具权威性的国际标准化专门机构。国际电工委员会 ( IEC ) 是世界上最早的国际性电工标准化机构。 MPEG-1是由 ISO 和 IEC 共同委员会中的 MPEG 组织于1992年制定的。它最初用于数字信息存储体上活动图像及其伴音的编码，其数码率为1.5 Mb/s，图像采用CIF格式 ( 352288 像素或 352240像素) ，每秒 30帧，两路立体声伴音的质量接近CD音质，该标准广泛应用于VCD。 MPEG

3、-2是由ISO的活动图像专家组和 ITU 的第15研究组于1994年共同制定的，在ITU的标准中，被称为H.262。MPEG-2作为计算机可处理的数据格式，主要应用于数字存储媒体、视频广播和通信领域，它的数码率为240 Mb/s。,随着用户对音频和视频等宽带业务的需求和宽带网络的迅速发展，MPEG-2的视频流逐渐被用户接受，VOD ( Video On Demand，视频点播 ) 视频流典型速率将达到 36 Mb/s。 HDTV 的出现，是视频业务发展的另一个高级阶段。MPEG 组织于1999年1月正式公布了MPEG-4(1) 版本，1999年12月又公布了MPEG-4(2) 版本。MPEG组

4、织的初衷是制定一个针对视频会议、视频电话的超低比特率 ( 64 kb/s以下) 编码的标准，并打算采用第二代压缩编码算法，以支持甚低数码率 的应用。 H.264 /AVC 标准是当前国际上最新的图像编码标准。它被 ITU命名为 H. 264，ISO/ IEC 则把此标准叫做国际标准 ( MPEG-4(10) 高级图像编码 ( AVC )。制定此标准的主要目的就在于增强图像的压缩效率和改善图像数据在网络中的传输。 H.264标准在当前图像标准中压缩效率是最高的，它比H.263标准提高将近一倍。,2. ITU颁布的标准 国际电信联盟( ITU )是联合国的一个专门机构，是国际电信界最权威的标准修订

5、组织。 H.261是国际电报电话咨询委员会 (CCITT ) 制定的第一个视频编码标准，它的数码率是 P64 kb/s，主要应用于ISDN、ATM 等宽带信道上实时的传输声音和图像信息，不适合在 PSTN 和移动通信网等带宽有限的网络上应用。 H.262 也相当于MPEG-2，它是由 ITU与 ISO/ IEC 联合开发的，目前这个标准已经成功地应用在 DVD 、数字广播、数字电视等诸多领域。 为了满足低速率视频通信的应用需要，ITU又推出了适于在速率低于 64 kb/s 的信道上传输的 H.263 视频编码标准。,H.263 算法所用的基本结构来自H.261，并在H.261的基础上做了许多重

6、要改进。1998年，ITU推出的 H.263+ 是 H.263 的第二版，进一步提高了压缩编码性能。2000年制定 H.263+ (H.263 第三版。 3. 超高清晰度成像 (HRI)建议 HRI 典型空间分辨率的级别的建议如表5.1.3所示。,图 5.1.1 视频压缩编码标准的发展历程,4. 我国制定的AVS标准 我国是 ISO/IEC组织的正式成员国，国家信标委下属的多媒体分委员会与 ISO/IEC JTC1/SC29直接对口。从2000年5月开始，我国科研单位开始跟踪并参与JVT标准的制定工作，目前已有多项技术提案递交到 JVT标准，有些技术已经被JVT标准所接收。 基于我国专家多年参

7、与MPEG国际标准制定的经验，2002年6月成立的 “数字音/视频编、解码技术标准工作组” 联合国内从事数字音/视频编、解码技术研发的科研机构和企业，提出了我国自主的数字音/视频编、解码技术标准AVS ( Audio Video coding Standard )。,5.2 H.261标准 1984年国际电报电话咨询委员会的第15研究组建立了一个专家组专门研究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合业务数据网络ISDN，当时的目标是推荐一个图像编码标准，其传输速率为： m384 kb/s，m=1，2，3，4，5。 这里 384 kb/s 在 ISDN中称为 H0 通道。 另有基本通道 B 的速

8、率为 64 kb/s，6B384 kb/s。 5H0=30B=1920 kb/s 为窄带 ISBN 的最高速率。 因为以 384 kb/s速率作为起始点偏高，广泛性受限制，另外跨度也太大，灵活性受影响，所以改为 P64 kb/s，P =1,2, , 30。 最后又把 P 扩展到 32，因为3264 kb/s = 2084kb/s，其中2084=211,基本上等于 2 Mb/s，,实际上已超过了窄带 ISDN的最高速率1920 kb/s，最高速率也称通道容量。经过5年以上的精心研究和努力，终于在1990年12月完成和批准了CCITT推荐书 H.261，即 “采用P64 kb/s的声像业务的图像编

9、解码 ”，H. 261简称 P64。 由于H.261标准是用于电视电话和电视会议，因此推荐的图像编码算法必须是实时处理的，并且要求最小的延迟时间 ( 因为图像必须和语音密切配合，否则必须延迟语音时间 ) 。当 P 取 1 或 2时，速率只能达到128 kb/s，由于速率较低，只能传清晰度不太高的图像，因此适合于面对面的电视电话。 H.261标准主要应用在综合业务数字网 ISDN 上传输电视电话会议等低码率的多媒体领域。1990年12月国际电报电话咨询委员会(CCITT)通过了H.261建议书，即 “采用 p64kbit/s 的声像业务的图像编解码”，其中 p = 1,2,，32。,一. 图像格

10、式 图像纵横比和每帧图像的纵、横像素数是图像的基本格式，并且由此可以推算像素的纵横比。为了使现行各种电视制式，即PAL、NTSC、SECAM 制的图像比较容易地转换为电视电话的图像格式，从而便于相互交换，并且速率又较低，H.261采用通用中间格式CIF。 CIF 规定图像亮度分量 Y 的横向像素为 352 个，纵向像素为 288个。图像色度分量 Cb、Cr 的纵、横像素数均为亮度分量的一半。另外，图像尺寸的纵横比为 34，与常规模拟电视屏幕尺寸比例一致。由此可以推算像素的纵横比为： 像素纵横比= 纵:横 =,像素纵横比为1112，接近于方形。亮度分量Y 的像素数为色度分量 Cb或 Cr像素数的

11、 4倍，而Y分量像素的面积等于色度分量 Cb或Cr像素的面积，可见，色度分量的清晰度比亮度分量的清晰度低，这对整个图像清晰度基本无影响，因为人眼对色度的分辨率本来就低，所以可以利用这种心理视觉冗余度来减少色度像素数。 亮度分量的纵向像素为 288个，实际上相当于 288 行扫描线，这是考虑到当前两种电视制式为 625行25 帧和 525行30帧，都是隔行扫描和每帧为2场，所以两种制式的场扫描行数为6252 和5252，而 288 扫描行就是由这两种场扫描行数转换来的，即取这两种场扫描行数的平均值：,这样比较容易实现 CIF 与这两种电视制式之间的相互转换。,从显示区中同步地取出 352 个像素

12、即可。,对于 525行30 帧制式，行周期为63.555 s，其中显示区时间约为53s，从显示区中同步地取出352个像素即可。 当电视电话在 ISDN 网中传输时，若 P取 1或 2，则最高速率为128 kb/s，CIF 规定的像素仍然太多，因此取CIF 规定的纵、横像素数的一半，称为 QCIF (其中Q为Quarter, 即1/4 )。 QCIF格式亮度信号的横向像素数为176，纵向像素数为144。色度信号 Cb、Cr 的横向像素数为88，纵向像素数为72。 Y： 176 *144 Cb、Cr ： 88 *72 QCIF 规格为最低要求，所有电视电话都应该达到此规格，而CIF规格则为任选。

13、由于现行电话网可以传输的速率在 20 kb/s以下，远比 64 kb/s 低，因此要采取降低帧频等措施。,另按CCIR-601规定量化后色度信号峰峰值为 224等级电平，最低电平为16，最高电平为240，亮度信号Y量化后的电平有220级电平，亮度信号最高电平为 235，最低电平(黑电平)为16，其亮度信号和色差信号的码电平分配见第 1 章。,在 ISDN 中传输电视电话和电视会议时帧频应取 30 Hz。综上所述，H.261标准的图像格式如表 5.2.1所示。,二 . 信源编码器方框图 图5.2.1所示为H.261标准信源编码器方框图。图中图像输入实际上是以宏块 MB为单位输入的，MB 中包含亮

14、度信号Y 的 4个 88像素方块，色度信号 Cb、Cr 的各一个 88 像素方块，共 6个 88 像素方块。下面分段讨论信源编码器方框图。 图5.2.1与第4章的图 4.1.3 实质上完全一样，只不过这里更细化了。 电视电话的帧频为 30 帧/秒。相邻帧由于其内容渐变而有很强的相关性，所以允许每两帧传送图像之间可以有 3 帧不传。每次场景更换后，第 1 帧一定要传，所以要对第 1 帧进行帧内编码，所传的这帧称为帧内帧，用 I (即 Intraframe 的缩写)表示。,图5.2.2中的第 5 帧为预测帧，用P 表示，它是由第 1 帧和第5 帧本身经过预测编码而得的。P 帧本身也可以作为下一个P

15、帧预测编码的基础。 图5.2.2中的 B 帧称为双向内插帧，它是由邻近的 I、P 帧或P、P 帧计算所得的。由此可知，I 帧和 P 帧是产生全部 B 帧的基础。通常每12 帧或 15 帧图像中传 1 帧 I 帧，每 3 帧或 4帧图像中传1帧 P 帧。换场景后第1帧为I 帧。,图 5.2.2 帧内、帧间编码模式计算,图 5.2.1 H.261标准信源编码器方框,三. H.261标准信源解码器方框图,图 5.2.6 H.261标准信源解码器方框图,帧内、帧间模式 在帧内模式时，编码器送来的宏块 MB 量化 DCT 系数被送入去量化器 Q1，同时该块 MB 的量化步长 q 也被送入去量化器Q1，于

16、是按照基本公式 F( u，v ) = 2q Q (u，v) 可得 DCT系数F(u，v)，经反 DCT 变换 T1 后所得的像素值 f (x，y) (带撇号表示与原值略有差别)被送入加法器。 四. 图像复用和解复用 1. 图像数据的层次 为了有秩序地传输每帧图像数据，可把一帧图像数据分成 4个层次，即数据块层、宏块层、块组层和帧层。 (1) 数据块层用B表示。一个数据块包含 88个像素，亮度和色度信号均以此数据块作为基本编码单元。,(2) 宏块层用 MB 表示。一个宏块包含4个亮度数据块和 2个色度数据块 (Cb、Cr各1个)，因此 MB内共有6个数据块，其先后顺序如图 5.2.5所示。在宏块中Y、Cb、Cr 描述同一像区。 (3) 块组层用GOB表示。一个块组包含 33个宏块，纵向有3行，每行有11个，其先后次序如图5.2.7所示。,图 5.2.5 亮度、色度数据,(4) 按照CIF格式，每帧图像包含的各层次情况如下： 1帧CIF图像 =12GOB =1