《数字电视原理 第２版 教学课件 ppt 作者 卢官明 第5章 信源编码标准》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电视原理 第２版 教学课件 ppt 作者 卢官明 第5章 信源编码标准（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数字电视原理,第5章 信源编码标准,第5章 信源编码标准,5.1 数字音视频编码标准概述 5.2 MPEG-1音频编码标准 5.3 杜比AC-3音频编码算法 5.4 MPEG-2音频编码标准 5.6 MPEG-1和MPEG-2视频编码标准 5.7 MPEG-4视频编码标准 5.8 H.264/AVC视频编码标准 5.9 AVS视频编码标准,5.1 数字音视频编码标准概述,国际上数字音视频编码标准主要有两大系列。一个系列由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）制定，另一个系列由国际电信联盟电信标准部（ITU-T）制定。制定这些标准的背景有所不同，面向的主要应用也有所区别，但有的标准或
2、标准的某些部分为不同国际标准化组织及其标准共用，有的由不同国际标准化组织联合制定，它们采用的技术有很多共同点，应用领域有所重叠。 ISO/IEC: JPEG,JPEG2000,MPEG-x ITU-T: H.26x,1. JPEG标准,JPEG(Joint Photographic Experts Group)是联合图片专家组的英文缩写。ISO的JPEG主要针对静止图像的存储领域，制定了JPEG系列标准。其中主要有以下几个标准。 JPEG标准：静止图像存储压缩标准。 JPEG-2000标准：面向静止图像的压缩标准。比JPEG标准压缩效率高2倍以上，性能也更好。 MJPEG标准：面向视频序列，将
3、各帧分别编码成JPEG图像，成为JPEG图像序列，但它们均为帧内编码帧，不进行帧间预测编码。,2H.26 标准,ITU-T的视频编码专家组（VCEG）制定了H.26 标准系列，主要针对实时视频通信领域的应用，如可视电话、会议电视等。 （1）H.261标准：“速率为p64kbit/s（p=1，2，30）视听业务的视频编解码”，简称为p64kbit/s标准。 （2）H.262:同MPEG-2的视频部分（ISO/IEC13818-2）。 （3）H.263: （4）H.264:等同于MPEG-4 AVC （ISO/IEC14496-10）,3. MPEG标准,MPEG (Moving Picture
4、Experts Group)是运动图片专家组的英文缩写。这个专家组开发的标准通常称为MPEG标准。到目前为止，已经开发和正在开发的MPEG标准包括： MPEG-1：针对1.5 Mbit/s以下数码率的数字存储媒体应用的运动图像及其伴音编码，标准号ISO/IEC 11172。 MPEG-2：运动图像及其伴音信息的通用编码，标准号ISO/IEC 13818。 MPEG-4：音视对象编码，标准号ISO/IEC 14496。 MPEG-7：多媒体内容描述接口，标准号ISO/IEC 15938。 MPEG-21：多媒体框架，标准号ISO/IEC 21000。,4AVS标准,AVS是我国具备自主知识产权的
5、第二代信源编码标准，是信息技术先进音视频编码系列标准的简称。AVS视频标准（GBT 20090.2-2006）主要面向高清晰度和高质量数字电视广播、网络电视、高密度激光数字存储媒体和其他相关应用，具有以下特点： （1）性能高，编码效率是MPEG-2的2倍以上，与H.264的编码效率处于同一水平； （2）复杂度低，算法复杂度比H.264明显低，软硬件实现成本都低于H.264； （3）我国掌握主要知识产权，专利授权模式简单，费用低。,5.2 MPEG-1音频编码标准,5.2.1 MPEG-1音频编码算法的特点 5.2.2 MPEG-1音频编码的基本原理,5.2.1 MPEG-1音频编码算法的特点,
6、MPEG-1音频编码标准（ISO/IEC 11172-3）是世界上第一个高保真音频编码标准。为了保证其普遍适用性，MPEG-1音频编码算法具有以下特点：,宽带音频,MPEG-1 编码器,32kHz，44.1kHz 48kHz PCM,32kbit/s 384kbit/s,MPEG-1音频压缩标准提供三个独立的压缩层次： 第1层（Layer 1）:编码器最为简单，应用于数字小型盒式磁带（Digital Compact Cassette，DCC）记录系统。 第2层（Layer 2）:编码器的复杂程度属中等，应用于数字音频广播（DAB）、CD-ROM、CD-I和VCD等。 第3层（Layer 1）:
7、编码器最为复杂，应用于综合业务数字网（ISDN）上的音频传输、因特网上的广播、MP3光盘存储等。 用户对层次的选择可在编码方案的复杂性和压缩比之间进行权衡。,表5-2 MPEG-1音频压缩算法的压缩比,层次 算法 压缩比 立体声信号所对应的数码率,1 2 3,MUCSICAM* MUCSICAM ASPEC * *,4:1 6:18:1 10:112:1,384 kbit/s 256192 kbit/s 128112 kbit/s,在尽可能保持CD音质为前提的条件下，MPEG-1音频压缩算法一般所能达到的压缩比如表5-2所示，,表5-4 MPEG-1层3在各种数码率下的性能,音质要求 声音带宽
8、（kHz） 声道数 数码率（kbit/s) 压缩比,电话 优于短波 优于调幅广播 类似于调频广播 接近CD CD,2.5 5.5 7.5 11 15 15,单声道 单声道 单声道 立体声 立体声 立体声,8 16 32 5664 96 112128,96:1 48:1 24:1 2624:1 16:1 1210:1,5.2.2 MPEG-1音频编码的基本原理,MPEG-1使用感知音频编码来达到既压缩音频数据又尽可能保证音质的目的。听觉系统有许多特性，感知音频编码的理论依据是听觉系统的掩蔽效应特性。其基本思想就是在编码过程中保留有用的信息而丢掉被掩蔽的信号，其结果是经编解码之后重构的音频信号与编
9、码之前的原始音频信号不完全相同，但人的听觉系统很难感觉到它们之间的差别。这也就是说，对听觉系统来说这种压缩是“无损压缩”。,MPEG-1音频编码标准提供3个独立的压缩层次，它们的基本模型是相同的。层1是最基础的，层2和层3都是在层1的基础上有所提高。 MPEG-1音频码流按照规定构成“帧”的格式，层1的每帧包含384(=3212)个样本数据的码字，384个样本数据来自32个子带，每个子带12个样本数据；层2和层3的每帧包含1152 (=3236)个样本数据的码字，每个子带包含36个样本数据，如图5-1 所示。,子带滤波器0,子带滤波器1,子带滤波器2,子带滤波器3,子带滤波器31,12个 样本
10、,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,12个 样本,层1,层2，层3,音频样本 数据输入,图5-2 层1、层2和层3的子带样本,5.3 杜比AC-3音频编码算法 美国高级电视制式委员会(ATSC)规定电视伴音压缩标准是杜比实验室开发的AC-3系统。该系统的音响效果为高保真立体环绕声。目前市场流行的称为“家庭影院”的音响系统多数采用此标准。 杜比AC-3规定的取样频率为48kHz，它锁定于27MHz的系统时钟。每个音频节目最多可有6个音频信道。这6个信
11、道是：中心、左(Left)、右(Right)、左环绕(Left Surround)、右环绕(Right Surround)和低频增强(LFE Low Frequency Enhancement)。 LFE信道的带宽限于20120Hz，主信道的带宽为20kHz。美国的HDTV标准中AC-3可以对1到5.1信道的音频源编码。所谓0.1信道是指用来传送LFE的信道。动态范围可达到100dB。,关于立体声的形式，ITU-R，SMPTE，EBU的专家组建议用一个中心信道C和两个环绕声信道Ls、Rs加上基本的左和右立体声信道L和R作为基准的声音格式。这叫“32立体声”(3向前2环绕信道)，共需5个信道如图
12、5-4所示。在用作图像的伴音时，三个向前的信道保证足够稳定的方向性和清晰度。,AC-3编码原理概述 AC-3编码系统采用了全音域杜比噪声衰减系统，在没有音频信号掩蔽时，集中力量降低或消除噪声，在其它时间根据人的听觉频率选择性把每个声道的音频频谱分割成不同带宽的子频带，结果使噪声处在距音频信号频率分量很近的频率上，就很容易被音频信号所遮盖。 除了降低噪声以保证音质外，杜比AC-3系统为降低数码率，对各频带采用不同的取样率，根据频谱或节目的动态特性来分配各频带的比特数。,AC-3通过一个共同“比特池”(类似缓冲存储器)来决定不同声道的比特数分配，含频率多的声道分配比特数多，频率稀疏的声道分配比特数
13、少，这样可以用一个声道的强信号遮盖其它声道的噪声。在每一声道中则必须保证每一频带所分配的比特数都足够多，以全部掩蔽声道内噪声。这一功能通过听觉掩蔽模型使编码器改变它的频率选择性(以便动态地划分窄频带)来实现。可见杜比AC-3的高级掩蔽模型和共享比特池是实现高效编码的关键因素。,AC-3将多声道作为一个整体进行编码，比单声道编码效率高，同时对各个声道和每个声音内的各频带信号用不同的取样率进行量化、对噪声进行衰减或掩蔽，结果AC-3系统的数码率降低而音质损害很小。AC-3至少可以处理20bit动态范围的数字音频信号，频率范围从20Hz20kHz(0.5dB)，3Hz和20.3kHz处为-3dB。重
14、低音声道频率范围为20120Hz(0.5dB)，3Hz和12Hz处为-3dB。且支持32kHz，44.1kHz，48kHz的取样频率。AC-3的数字音频数据经加误码纠错后数码率仅为384kbs，因此ITU-R在1992年正式接受AC-3的5.1声道格式。 AC-3含有MPEG系统的时间印记(time stamp)，故可与MPEG视频同步。,AC-3系统的方框图 AC-3编码器接受声音PCM数据，最后产生压缩数据流。AC-3算法通过对声音信号频域表示的粗略量化，可以达到很高的编码增益，其编码过程如图5-8所示。,图5-8 AC-3编码器原理方框图,第一步把时间域内的PCM数据值变换为频域内成块的
15、一系列变换系数。每个块有512个数据值，其中256个数据值在连续的两块中是重叠的，重叠的块被一个时间窗相乘，以提高频率选择性，然后被变换到频域内。由于前后两块重叠。每一个输入数据值出现在连续两个变换块内。因此，变换后的变换系数可以去掉一半而变成每个块包含256个变换系数，每个变换系数以二进制指数形式表示，即一个二进制指数和一个尾数。指数集反映了信号的频谱包络，对其进行编码后，可以粗略地代表信号的频谱。同时，用此频谱包络决定分配给每个尾数多少比特数。如果最终信道传输码率很低，而导致AC-3编码器溢出，此时要采用高频系数耦合技术，以进一步减少数码率。最后把6块(1536个声音数据值)频谱包络、粗量
16、化的尾数以及相应的参数组成AC-3数据帧格式，连续的帧组成了码流传输出去。,AC-3解码器基本上是编码的反过程，图5-10是其原理方框图。AC-3解码器首先必须与编码数据流同步，经误码纠错后再从码流中分离出各种类型的数据，如控制参数、系数配置参数、编码后的频谱包络和量化后的尾数等。然后根据声音的频谱包络产生比特分配信息，对尾数部分进行反量化，恢复变换系数的指标和尾数，再经过合成滤波器组由频域表示变换到时域表示，最后输出重建的PCM数据值信号。,图5-10 AC-3解码器原理方框图,5.4 MPEG-2音频编码标准,MPEG-2标准定义了两种音频压缩编码算法，一种称为MPEG-2 Audio（标准号为ISOIEC 13818-3），或称为MPEG-2 BC，它是与MPEG-1音频压缩编码标准（ISOIEC 11172-3）后向兼容
