数字电视的国际标准课件

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1、数字电视原理,第五章 数字电视的国际标准,通信工程系,2,2019/4/23,5.1 视频压缩编码标准的发展历程,视频压缩编码标准的制定：国际标准化组织(ISO/IEC)和国际电信联盟(ITU) 完成的。 由上述两个国际组织制定了： MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4(2) 以及MPEG-4 (10)和H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263+、H.264等。,通信工程系,3,2019/4/23,通信工程系,4,2019/4/23,通信工程系,5,2019/4/23,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

2、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。,通信工程系,6,2019/4/23,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。,通信工程系,7,2019/4/23,超高清晰度成像(HRI)建议(ITU-R BT.1201) ITU-R BT.1201 建议书提出了超高清晰度成像(HRI，High Resolution Image)格式和规范建议。,HDTV：1920像素1080像素，有p（逐行）和i

3、（隔行）之分,标清电视：1366像素768像素,2K-TV：2048像素1080像素,4K-TV：4096像素2160像素,8K-TV：7680像素4320像素（Ultra-HDTV，超高清电视）,通信工程系,8,2019/4/23,5.2 JPEG标准,JPEG的目标： JPEG用于连续变化的静止图像,连续变化是指灰度等级和颜色两方面的连续变化,静止图像数据压缩标准 JPEG Joint Photo-Graphic Experts Group 联合图像专家组 从1986年正式开始制订,由多个国际组织联合制定: 国际标准组织 ISO 国际电报电话咨询委员会 CCITT(后改为ITU)。 国际电

4、工委员会(IEC)也参加合作 1992年7月通过了标准的第一部分，后又对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作了进一步修改,通信工程系,9,2019/4/23,5.2 JPEG标准,JPEG包含两种基本压缩方法： 有损压缩：基于DCT的有损压缩，又称为基线顺序编解码(Baseline Sequential Codec)方法 无损压缩：又称预测压缩方法 JPEG的图像压缩是在本帧内进行, 与前后帧无关； JPEG可以采用逐渐浮现重建方式； JPEG可用于活动图像压缩编码，只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活动图像的压缩技术称作：M-JPEG(Motion-JPEG)

5、, 主要用于高质量图像压缩编码方案中，例如电视台节目编辑中。,通信工程系,10,2019/4/23,5.2 JPEG标准,1. 基于DCT的编码器和解码器 编码器：,通信工程系,11,2019/4/23,基于DCT的JPEG解码器：,5.2 JPEG标准,接收端收到的压缩图像数据应包含重建图像的专用数据表等数据,通信工程系,12,2019/4/23,5.2 JPEG标准,JPEG压缩流程示意图,通信工程系,13,2019/4/23,5.2 JPEG标准,JPEG标准中的像素 以NTSC制为例，它的视频最高频率为4.2MHz，故抽样频率可取8.4MHz至9MHz NTSC制 行频 行周期 每行的

6、显示时间 若设抽样频率,通信工程系,14,2019/4/23,则 时间内的抽样数N如下式所示 抽样数N:一行中的显示区或称有效像素区中的像素数,5.2 JPEG标准,通信工程系,15,2019/4/23,5.2 JPEG标准,像素形状的概念 又称为纵横比，按JPEG标准规定像素纵横比为1：1，也就是像素为正方形； 例如上述NTSC制中一行像素为480个，若像素纵横比为1：1，图像尺寸纵横比为3：4，则一帧图像应有的行数为48034360行； 光栅转换或扫描转换：NTSC制一帧图像为525行，其中包含两场，若扣除两场的场消隐所需74行，则余451行,转换到360行,则需要合并。按 ，则每10行需

7、要并成8行，这就是图像光栅处理中常用的光栅转换或扫描转换。,通信工程系,16,2019/4/23,5.2 JPEG标准,2. DCT变换及其系数的量化、编码 JPEG标准是将“二维”空间的图像数据用离散余弦变换DCT公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系数经量化矩阵量化 亮度量化矩阵 色度量化矩阵,通信工程系,17,2019/4/23,5.2 JPEG标准,经Zig-Zag扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，以便进行熵编码 这种低频在前高频在后Zig-Zag扫描的排列方式也称带状编码，因为它和频带由低到高呈带状一致。这和量化步长逐步提高的方式一致，所以也称门限系数排列方式。 对于

8、直流分量DC进行差分脉冲编码 对交流分量AC进行霍夫曼或者游程编码,通信工程系,18,2019/4/23,3. 数据交换格式,5.2 JPEG标准,静像数据经编码后，得到压缩数据流。为了便于交换和储存，需要有统一的交换格式，同时也便于解码器解码。,通信工程系,19,2019/4/23,第一行为压缩图像数据。图中SOI表示图像开始。中间方框表示一帧图像数据。最后的EOI表示图像结束。SOI和EOI均称为标记符号，各占2字节(Byte)。,通信工程系,20,2019/4/23,第二行给出帧内包含的数据内容。首先是表杂项，其中表即为数据表，如量化表、霍夫曼DC和AC表等，杂项即为其它必要的信息。帧头

9、表示帧头信息，包含所选方法(如基线DCT方法等)、抽样精度、量化位数、源图像行数、每行抽样数、各分量图像尺寸比例等。扫描1表示扫描数据1。,通信工程系,21,2019/4/23,第三行的扫描头(Scan Header)包含扫描起始信息、分量图像号码、该分量图像的参数、熵编码表选择等内容。ECS0(Entropy Coded Segment)表示第0段熵编码。 第四行用于说明初始和结束的熵编码段。各编码段内包含若干个最小编码单元MCU。,通信工程系,22,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,MPEG-1的目标 MPEG-1标准的设计思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低带宽条件

10、下，提供尽可能高的图像质量（包括音频）。它是针对CD-ROM、光盘的视频存储和放像所制定的数字电视标准。 VCD使用MPEG-1标准，图像尺寸为352288，标准速率为1.2Mbit/s MPEG是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写，MPEG的任务是开发活动图像及其声音的数字编码标准，成立于 1988年。 活动图像专家组(MPEG)在1991年11月提出了ISO 11172标准的建议草案，通称MPEG-l标准。该标准予 1992年 l 1月被通过， 1993年 8月公布。,通信工程系,23,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,1. MP

11、EG-1标准的内容 ISO/IEC 11172 包括三大部分: ISO/IEC 11172-1 第一部分 系统 ISO/IEC 11172-2 第二部分 视频 ISO/IEC 11172-3 第三部分 音频 MPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向 352个像素、竖直方向 288个像素的空间分辨力，每秒 24/25/30幅画面的运动图像有很好的效果； 在MPEG-l标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念，前者一定是逐行扫描的图像，如果待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式,通信工程系,24,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准

12、,MPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比: 对色差信号进行亚采样，减少数据量； 采用运动补偿技术减少帧间冗余度； 做二维DCT变换去除空间相关性； 对DCT系数进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的DCT系数按照频率重新排序； 将DCT系数进行变字长的熵编码； 对每个数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码；,通信工程系,25,2019/4/23,在 MPEG-l标准中，考虑到压缩比和随机存取这对矛盾，一共定义了3种图像类型： I帧： 帧内帧图像，采用帧内编码，不参照其他图像。它作为预测基准的独立帧。 设置I帧的主要因素是： 1）当某帧找不到匹配的参考帧时，就只好进行帧内编码，场景切换

13、就是这种情况的例子； 2）解码I帧不需要参考帧，因而可以在I帧进行码流的切换和编辑等操作，提供随机存取的插入点； 3）长时间连续地进行预测编码，预测误差会不断累积，图像质量不断下降。为防止解码图像损伤的逐渐加剧，需定时进行帧刷新，即周期性地插入I帧，以便重新开始一个新的预测编码过程。,通信工程系,26,2019/4/23,2. P帧，又称前向预测编码帧。 它用前面最近的I帧或P帧作为参考进行前向预测，采用带运动补偿的帧间预测编码方式。由于同时利用了空间和时间上的相关性，所以P帧比I帧的压缩效率高。P帧也可作为参考帧。,3B帧，又称双向预测编码帧。 它既用源视频序列中位于前面且已编码的I帧或P帧

14、作为参考帧，进行前向运动补偿预测，又用位于后面且已编码的I帧或P帧作为参考帧，进行后向运动补偿预测。即B帧可采用帧内编码、前向预测编码、后向预测编码、或双向预测编码4种技术，其压缩比最高。但B帧不能用作对其他帧进行运动补偿预测的参考帧。,通信工程系,27,2019/4/23,帧内图像I的压缩编码算法框图,5.3 MPEG-1标准,通信工程系,28,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,预测图像P的压缩编码算法框图,通信工程系,29,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,双向预测图像B的压缩编码算法框图,通信工程系,30,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,I 帧、P帧

15、和B帧图像的依赖关系,I帧图像一般在0.5 s（相隔12帧）左右一幅，它作为 P帧和 B帧图像的参照图像，要求图像质量较高，否则会引起误差向 P帧和 B帧图像扩散，因此 I帧图像的量化系数较小。两个相邻的 I帧图像之间会插入若干个 P帧图像，两个相邻的 P帧或 I帧图像之间会插入若干个B帧图像。,通信工程系,31,2019/4/23,应该注意的是，图像的显示顺序和编码顺序并不相同。 上图所示的显示顺序排列。 下图所示为编码顺序排列。,通信工程系,32,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,编解码延时问题 由于编码顺序和显示顺序之间的差异，带来编、解码总延时达0.81秒时间。 这种延时对

16、广播性质的图像传输不会带来任何影响，因为用户并不能发现发射端与接收端信号起始时间的差异； 对于交互性质的图像传输，例如，数字会议电视则带来十分不便。因为甲方图像传至乙方经编码、解码要延时0.81秒时间；乙方图像传至甲方经编码、解码也要延时0.81秒时间，这样，如果甲对乙提一个问题，则1.62秒以后才能得到回答 。,通信工程系,33,2019/4/23,5.3 MPEG-1标准,解决编解码延时过长问题 减少B帧使两个I帧之间的帧数减少，则编、解码总延时下降，甚至可以把B帧、P帧全部取消，这样，可以得到0延时。这种方式也称M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此时的压缩比降到了5:17:1； 延时与压缩倍数是互相矛盾的,通信工程系,34,2019/4/23,MPEG为了更好地表示编码比特流，用句法规定了一个分层结构，共分6层，从高到低依次是: 视频序列、图像组（GOP）、图像、宏块条（Slice）、宏块层及像块层。,通信工程系,35,2019/4/23,通信工程系,36,2019