《数字电视C3v2008》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电视C3v2008（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数字电视原理与应用,Principle and Application of Digital Television,主讲：张文军 教授上海交通大学图像通信与信息处理研究所Email：,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,2,数字电视原理与应用,课程安排,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,3,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视频编码及其测量, c
2、lass 03,4,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, class 03,5,数字电视原理与应用,1、数字视频信号ITU-BT.R.601,亮度和色度信号的数字化,视频摄像机得到模拟RGB信号,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,6,数字电视原理与应用,1、数字视频信号ITU-BT.R.601,Matrix,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。,亮度信号带宽利用低通滤波器限定到5.75MHz色差信号带宽限定到2.75MHz,MPEG-2视频编码及其测量,
3、 class 03,7,数字电视原理与应用,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,Matrix,5.75MHz,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。,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,8,数字电视原理与应用,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,Matrix,5.75MHz,2.75MHz,亮度采样频率13.5MHz,6.75MHz色度采样频率,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。满足采样定理：信号的最高频率不超过采样频
4、率的一半。,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,9,数字电视原理与应用,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,Matrix,270Mbit/sITU-BT.R.601CCIR601,5.75MHz,2.75MHz,亮度采样频率13.5MHz,6.75MHz色度采样频率,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。,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,10,数字电视原理与应用,三个分量的复用顺序： Cb Y Cr Y Cb Y 亮度分量Y与两色度分量C
5、b Cr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。,1、数字视频信号ITU-BT.R.601,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,11,数字电视原理与应用,信号接口：25pin subD并口75Ohm BNC串口，叫做SDI(Serial Digital Interface)，广泛采用。,1、数字视频信号ITU-BT.R.601,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,12,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(Start of Active Video)
6、和EAV (End of Active Video)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,IUT-BT.R.601信号中的SAV和EAV码字,1 F V H P3 P2 P1 P0 00,00000000(00)=0/0,11111111(11)=255/1023,00000000(00)=0/0,TRS=TimingReference S
7、equence4 code words(SAV or EAV),MPEG-2视频编码及其测量, class 03,13,数字电视原理与应用,1、数字视频信号ITU-BT.R.601,1 F V H P3 P2 P1 P0 00,1 F V H P3 P2 P1 P0 00,第四个码字用于检测垂直方向一帧、一场图像的开始最高位始终是1次高位 F=Field (0=第一场, 1=第二场)第8位（10bit）或第6位（8bit）是场标志V=Vertical blanking (1=vertical blanking interval)第7位（10bit）或第5位（8bit）是垂直方向活动视频区域标志
8、，如该位为0，是可见的视频区域；如该位为1，是垂直空白间隔。H=SAV/EAV标记（0SAV，1EAV）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。P0,P1,P2,P3=保护位（汉明码）第52位（10bit）或第30位（8bit）用于SAV和EAV码字误码保护。,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,14,数字电视原理与应用,Y、CB和CR都没有用到全部动态范围，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。Y的范围：16235（8bits）64940（10bits）色度信号CB和CR的动态
9、范围：16240（8bits）64960（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,Y,CB,CR的动态范围,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,15,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, class 03,16,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, class 03,17,数字电视原理与应用,视频压缩,MPEG-2视频编码及其测量, cl
10、ass 03,18,数字电视原理与应用,视频压缩,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。有损过程,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,19,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
11、频编码及其测量, class 03,20,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10bit，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/NdB6N，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, class 03,21,数字电视原理与应用,ITU BT.R601信号的水平和垂直空
12、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(625-575)/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, active picture,64s,52sActive line,V Blanking(8%),575Visible lines,625line
13、s,H Blanking(19%),MPEG-2视频编码及其测量, class 03,22,数字电视原理与应用,按照ITU BT.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),MPEG-2视频编码及其测量, class 03,23,数字电视原理与应用,MPEG视频压缩步骤,MPEG
14、-2视频编码及其测量, class 03,24,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, class 03,25,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。,4、DPCM,相邻帧之间差别较小，有静止区域不发生变化，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,MPEG-2视
15、频编码及其测量, class 03,26,数字电视原理与应用,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。,4、DPCM,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,27,数字电视原理与应用,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, class 03,28,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
16、: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（720x576）。,4、DPCM,帧分解为宏块,MPEG-2视频编码及其测量, class 03,29,数字电视原理与应用,I帧帧内编码帧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(decoding time stamp)值。,
