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1、第六章 数字电视与高清晰度电视,61数字电视概述611 数字电视概念数字电视指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号（更先进的电视摄像机应直接获取数字电视信号），然后进行传输、处理或进行存储的系统，或还原成图像（可先还原成模拟信号）。,数字电视信号的存储媒质可以是各种半导体存储电路(RAM、ROM、E2PROM等)；也可以是视频激光光盘(VCD、DVD)或HDD，后者就是永久性的存储媒质。为了减小数据量,常对数字电视信号进行压缩编码后再传输或存储。,612数字电视的优点 (1) 数字电视的抗干扰能力强 ；(2)数字电视机稳定可靠，易于调整，便于生产 ；(3)数字电视信号便于与计算机或其它
2、数字设备接口； (4)利用数字电视信号可以实现模拟信号难以得到的信号处理功能 。,62 电视信号的编码621 电视信号的数字化模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是模拟/数字转换编码过程 (称可为PCM调制脉冲编码调制，由A/D转换器实现)，由数字电视信号转换为模拟信号则称PCM解调过程（由D/A转换器实现）。我们知道A/D转换是对模拟信号进行取样、量化的过程，将连续 ( 幅度和时间 ) 的信号变离散的 n 位的二进制数字码。设离散值的最大个数为M，n 与 M 的关系为2n -1 =M。A/D转换输出可以是 n 位平行码，也可以是数率为n fS 的串行码(fS为采样转换频率)。,量化过程（时域
3、相乘，频域卷积）与频谱,根据取样定理，当信号的最高频率为fm时，应有fS 2fm ，实际上为了便于D/A后利用滤波还原信号，应有fS 2.2 fm 。,622 图像信号的编码方案与参数确定彩色图像信号通常有两种形式：彩色全电视信号(Y/C)；亮度信号/色差信号（Y / R-Y、B-Y，也可称为分量信号）。因此对图像信号的PCM编码也有全信号编码和分量编码两种，数字电视系统宜用分量编码，电视接收机中的数字化处理宜用全信号编码。1全电视信号编码 (1) 取样频率由于取样过程是非线性过程（时域相乘），在对对全电视信号采样量化时，取样频率 fS 的选择，除了要满足取样定理外，要考虑采样后的信号中fS与
4、 fSC的差频的影响：当 fS3 fSC或 fS4 fSC时， fS与 fSC的差频将落在Y信号的频谱间隙中。 应使取样点在屏幕中的位置固定，且满足正交取样条件。,以PAL制为例，当 fS4 fSC时 fSC(283+3/4) fH +25 ，,即一行中有（1135+4/625）个取样周期。每帧的取样点个数为整数 625（1135+4/625）个取样点 ，两相邻帧间取样点的位置相同。相邻行（奇、偶两场）的起始点相隔313(1135+4/625) 个采样点，也是近似整数 (仅差0.0032)，满足正交结构。fS4 fSC的另一好处是因fS/2与fm间有较大间隔，可以降低模拟低通滤波器和数字滤波器
5、的设计难度。（但码率高）,(2) 编码位数 量化信噪比对于经过校正的图像信号，一般都采用均匀量化，即用线性编码。设单极性图像信号的变化范围为0到1，分为2n -1个量化层,约每个量化层高为2-n。由于均匀分布，量化误差的均方根值：,满量程量化信噪比：,即量化位数每增加一位，信噪比提高6dB。实验表明：当n = 7 、8（即将信号量化为127至255个层时），人们已很难感到量化的影响（但对于未经校正的图像信号，则需要量化位数应大于11），由上式可知，对应的量化信噪比约为5060dB。 全信号编码时的数据速率以PAL制 fS4 fSC 、n = 8(8位A/D转换)为例，总数据速率约为44.438
6、=141.76Mb/s。 由此可见，数字图像信号的数据速率是很高约。每一帧的数据量为5.67Mb或708.8kB。,2分量编码分量编码就是对Y、R-Y、B-Y或三个基色分量R、G、B分别编码，进行并行传输或时分复用传输。(1) 取样频率 fS 的选定原则和标准选定原则 fS应大于最高频率（Y：5.86MHz，色差2 MHz）的2.2倍。 为了得到正交的点阵结构，取样频率应为行频 fH的整数倍。 fS是50Hz /625行、60Hz/ 525两类行频的公倍数，以为了便于不同电视制式转换。 亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的关系，以使两者的取样点能重合或有固定的位置关系。 CCI
7、R(国际无线电咨询委员会)的分量编码国际标准对Y / R-Y/B-Y的取样频率为13.5/6.75/6.75MHz, 简称4:2:2标准。( fS = 13.5MHz = 858 fS 525行 = 864 fS 625行，fH 525行 =15734.264Hz ) 低标准： 4:1:1/ 13.5/3.375/3.375MHz，2:1:1/ 6.75/3.375/3.375MHz,(2) 数字有效行(内的信号样点数)数字有效行的数据由每行必须进行处理和存储的取样点构成,有效行期间包括了正程。两种制式的数字有效行均为亮度信号样点数：720、色度样点数：360个，便于两种制式的转换。一行的起点
8、定在行同步前沿脉冲的中部。PAL制的有效行由样点133至852构成，而正程对应的样点为142至844。,(3) 编码位数和排列亮度信号和色差信号分别规一化为01及-0.5+0.5的范围，并都编为8位线性码。由于原来的R-Y最大值为0.701，B-Y的最大值为0.886，故要对R-Y和B-Y进行压缩，压缩比分别为k R-Y =0.5/0.701、k B-Y =0.5/0.866， 压缩后三分量Y、(R-Y)、(B-Y)的表示式为：Y0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B； (B-Y)-0.169R-0.331G+0. 5BY编为自然二进码，双极
9、性的(R-Y)、(B-Y)编为偏移二进制码，即-0.5对应自然码的0，+0.5为255，零电平为128。为了防止信号过载、直流漂移，256个量化级并不全用。亮度信号的黑白电平对应于16至235量化级，色差信号则在底部和顶各留16个量化级。分量编码的数字信号在传输时的数据序列：(B-Y)Y(R-Y) (Y) (B-Y)Y(R-Y) (Y) 这里(B-Y)Y(R-Y)是空间同一取样点的数字，而(R-Y) (Y) (B-Y)中的(Y)是仅有亮度取样的空间取样点的数字，它规定在一行的偶数样点上。,(B-Y) Y (R-Y),Y,(B-Y) Y (R-Y),Y,只对亮度信号采样,对亮度色度信号都采样,3
10、电视伴音信号的编码由于伴音与电视体制没有确定的关系、编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20Hz至15kHz，高质量的伴音为20Hz至20kHz。对于15kHz信号取样频率一般取fS32kHz。对于20kHz信号，取样频率可取fS48kHz。取样频率应与图像取样频率保持固定的关系，从同一时钟源得到。在PAL的分量编码时，若仍采用48kHz取样频率, 就可以保持这种关系：13.5MHz 375 3 4 = 48kHz伴音编码的位数要比图像编码的位数多。这是因为伴音信号的动态范围大（ 90dB 以上），高质量的伴音要求很高的信号噪声比，应有8590dB的信号量化噪声比。由上面的均匀量化的信噪比公式，
11、则均匀量化所需的编码位数为13至14位。在演播室的高质量话音编码中，若要对低电平的声音仍有高的信号噪声比，编码位数甚至要取到16位。伴音信号由于信号幅值分布的特性(非均匀分布，幅值大的概率小)以及人的听觉持性，也可以采用非线性编码，这样n11、12时也可以得到很高的声音质量。虽然伴音编码的位数比图像编码的位数多，但因是低速编码，反而更容易实现。,63 频带压缩编码 为什么要进行频带压缩编码一路标准清晰度的数字电视信号的码率是很高的，例如4:2:2分量编码彩色图像的码率为(13.5+26.35)8216Mb/s，即便是采用1.5b/Hz的高效数字调制，传输频带也要144MHz，相当于18个模拟电
12、视信号的频带(模拟信号一个频道为8MHz)，根本无法实现。 如何进行压缩消除电视信号中的冗余成分： 空间冗余：相邻象素/行 变化小； 时间冗余：相邻帧变化小，具有相关性；生理冗余：人的视觉惰性，如对运动的和突变(如轮廓边界)的图像的分辨力低等 频谱冗余等 具体的压缩频带方法 ：预测编码（主要消除时间冗余和生理冗余）变换编码（主要消除空间冗余）其它压缩码率的措施,631 预测编码 基本含义：从已知信号推测未来信号。 目标：减小空间和时间冗余。在图像预测编码中， 人们力求根据图像或信息所存在的相关性，推测未来图,中*人*和国 中华人民共和国,1预测编码的原理 差分脉码调制(DPCM),像或象素的可
13、能值。大量实验证明，一般图像的相邻两帧只有10以下的象素的亮度值会有超过2的变化，而色度只有1以下的变化。毫无疑问，预测编码技术应用到图像处理中是非常正确的。当然，预测编码仅对非独立信源起作用。,预测值是已各点量化值的线性组合,ai是预测系数 。当序列的统计特性已知时（如相关函数），可以得到这些系数的最佳值，使得预测值与样值的预测误差最小。,待编码取样序列,量化后数字序列,预测值,(1) 非均匀量化编码 + 固定字长非均匀量化编码：对出规概率大的小信号细量化，对出现概率小的大信号粗量化。5bit / pel的非均匀量化可以获得与 8bit / pel 均匀量化大致相同的图像质量。(2) 均匀量
14、化 + 可变字长编码根据熵编码原理，对概率大的小差值信号编为小字长码（位数少，去掉前导零）；而对概率小的大差值信号编为大字长码。DOCM预测编码结构简单，易于实现，压缩效率高；主要缺点是抗御误码的能力差。2 自适应预测编码及运动补偿预测编码实践证明，人眼观看物体细节的相对分解能力与其空间频率（物体的细小程度）和时间分辨率（物体运动的快慢）有关。一般情况下，可以认为人眼在观看物体（或图像）时，最大空间分辨率与最大时间分辨率的乘积近似为常数。根据这一点，可以对高速运动的图像赋予较大的量化步长，而给与较高的传送速度；对低速运动或静止的图像赋予较小的量化步长，而给与较低的传送速度。运动补偿是一种对活动
15、图像的帧间编码技术，目的是根据活动图像相邻帧间的时域相关性，尽可能消除这部分冗余。,632变换编码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空间(设为X,Y二维)的数字阵列,然后将它们变换到由正交矢量构成的变换域中,再对这些变换域中的阵列系数进行编码发送,接收端通过逆变换恢复原数据。实用的变换有富里叶变换、离散余弦变换(DCT)、沃尔什(Walsh)变换等。变换编码压缩数据的原理：图像空间存在相关性,在变换域中,各空间频率分量是不均匀的,即空间频率低的区域信号幅度大,高频区域信号幅度小。若根据统计特性,低频部分编 n 大的长码，高频,亮度,部分编 n 小的短
16、码（与均匀量化 + 可变字长编码类似），则平均码长和总的码率都会下降，达到压缩码率的目的。离散余弦变换压缩率最高, 有快速算法，能实现实时压缩；沃尔什 变换易于硬件实现。,633 其它压缩码率的措施 (利用图像信号的某些特性进行压缩)1亚奈奎斯特取样根据取样定理，应有fS2fm，若不满足此条件，会发生频谱混叠而失真。然而，由于视频信号存在较大的频谱间隙，如果恰当选择 fS2fm采样的频率，使频谱折叠区域落在原信号的频谱间隙中，就不会发生频谱折叠失真。视频信号频谱：n fHm fH，,取,则折叠频率为,低通特性,梳状滤波的特性,2同步信号的编码电视信号的行逆程和场逆程中，只有同步信号、消隐信号和,色同步信号。它们所携带的信息很少，但占据的时间却很长。数字化过程中，没有必要对这些逆程信号的全部进行波形取样编码，也没有必要逐行、逐场传送这些信息，而只要对行、场定时信号单独编码，插入到图像数字信号中即可。,
