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1、第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 数字电视与图像通信技术的发展视频图像信息是自然界景象经摄像机等摄取或投影后在某种介质上的二维或三维的表达。照片、传真及各种图片是静止图像，而电视视频信号或电影等记录的主要是活动图像。无论是静止图像还是活动图像，在传输或通信时均首先通过扫描将图像信息变换成一定格式的视频图像信号，然后经图像处理、图像信源编码、信道编码及调制后发送出去，在接收端经相反的过程将图像信息恢复出来，从而实现通信的目的。从20世纪40年代黑白电视到50年代的彩色电视，模拟电视走过了四五十年漫长的道路。随着科学技术的进步，对电视信号进行模拟处理和传输已越来越不能满足人们对电视信号高质量、高
2、清晰度及多功能的要求。那么，解决这一问题的根本途径是什么？经过多年来的研究得出的结论是：利用数字电视技术对电视信号进行处理和传输与模拟电视技术相比具有无可比拟的优越性。从1837年莫尔斯发明电报机，1895年马可尼成功进行了无线电报实验，到1995年11月发布低数码率视频编码的H.263建议，可视电话与会议电视已成为重要的通信手段，图像通信也得到快速发展。1.1.1 模拟电视及其数字处理模拟电视信号是指幅度及时间均连续变化的电视信号，NTSC、PAL、SECAM三大电视制式均是对模拟电视信号进行模拟处理和传输的体制。为了节省传输带宽，红（R）、绿（G）、蓝（B）模拟电视信号先组成一个亮度信号和
3、两个色差信号，然后使色差信号对某副载波进行调制，调制后的色度信号再和亮度信号混合后变成全电视信号进行传输。为了能在接收端分离亮度信号和色度信号，可以在色差信号对副载波进行调制时将其频谱分布和亮度信号的频谱实现频谱交错。由于模拟梳状滤波器梳状特性较差，且亮度与色度的能量在高频谱部分不可避免地重叠在一起，以致在接收机中亮度和色度信号不能进行完善的分离，亮度、色度之间的串扰甚为严重，这是造成图像质量下降的重要原因之一。隔行扫描是三大制式的共同特点，它原本是提高清晰度、减少带宽的有效方法，但正是因为隔行扫描引起了行间闪烁与爬行现象。且由于帧频与场频太低，使电视图像出现了大面积闪烁，而且每帧行数太少，使
4、行结构粗糙。模拟电视制式已不能满足人们对电视图像质量越来越高的要求。电视信号的数字化早在1948年就提出来了。在20世纪7080年代，科学家们已经研制出各种数字电视设备，如数字帧同步机、数字制式转换器、数字录像机和数字降噪器等，但这仅仅是模拟海洋中的一个个“数字孤岛”。之后又实现了在电视台内的数字电视处理与传输，除了信号源及发射端外，在电视台内几乎实现了全数字的处理。数字分量等手段的采用大大提高了电视台节目的制作质量，但遗憾的是，电视台内的数字电视信号还需要转换成模拟电视信号才能进行调制发射。接收机接收到的仍是模拟电视信号。 为了克服上述两个缺点，可以在不改变原来制式的情况下，在电视接收机内利
5、用数字处理技术以提高接收机电视图像质量，这就是所谓的改良清晰度电视（IDTV）。其方法是：在接收机内将视频检波后的全电视信号进行数字化，然后对数字视频信号进行数字处理，利用数字梳状滤波器构成数字的亮色分离电路，大大提高亮色分离的性能，将亮色之间的串扰降低到人眼难以察觉的程度。隔行扫描所引起的行间闪烁与爬行现象、帧频太低所引起的大面积闪烁以及每帧行数太少引起的行结构粗糙等现象可以用倍行及倍场的方法加以改善。倍行即使行频增加一倍，倍场即使场频增加一倍。倍行、倍场处理后，每帧行数增加了一倍，行结构不再粗糙；场频增加了一倍，从50Hz增加到100Hz，消除了大面积闪烁、行间闪烁与爬行现象，改善了图像质
6、量。而倍行及倍场处理也只有使用数字处理技术才能实现。在电视接收机内用数字处理代替模拟处理，图像质量的改善是有限的。于是人们希望在电视发射端进行改进以达到进一步提高图像质量的目的。20世纪80年代后期西欧及日本相继研制了称为EDTV的新一代电视系统，即增强清晰度电视。西欧的PAL-PLUS及日本的EDTV-1等增强清晰度电视相继开播，图像质量又有了明显的改善。但真正的全数字电视系统在20世纪90年代中期才正式开播，从此就进入了全数字电视时代。1.1.2 数字电视系统及数字电视发展进程1982年，国际无线电咨询委员会（CCIR）通过了601号建议，确定以分量编码4:2:2标准作为电视演播室数字编码
7、的国际标准。601号建议规定，亮度信号和色度信号的取样频率分别为13.5MHz及6.75MHz，每一像素量化为8bit。符合601号建议的数字电视信号的总码率为216Mb/s，要传送这样高码率的数字电视信号至少需要几十MHz带宽的信道，这是不可行的。但当我们采用图像与声音压缩编码技术及数字传输技术后，就能在一路模拟电视频道（8MHz）中传送46路数字标准清晰度电视的节目。 如图1.1所示为数字电视系统方框图，图中左半部为发送端，数字的视频信号、数字的伴音信号及数据信号经压缩编码后使数码率压缩几十倍，大大提高了传输的有效性；接着进行信道编码，加入各种纠错编码，以提高传输的可靠性；最后进行数字调制
8、，以提高信道的频谱利用率。该数字电视信号经发射机发送出去，在接收端由调谐器接收，经数字解调、信道解码及解调复用器后，分别通过视频、伴音及数据的压缩解码，恢复出原来的数字电视信号。数字的视频及伴音信号经数字/模拟（D/A）变换器变换成模拟电视信号后，即可在显示终端看到图像（某些显示终端如PDP，可直接进行数字显示）并听到伴音。图1.1中接收端一侧的大方框内所包含的部分即为数字电视综合接收解码器（IRD）或称数字电视接收机顶盒。1982年以后，随着CCIR601电视信号数字化标准及CCIR656接口规范的出台，迅速开启了电视台内设备数字化的热潮，时基校正器、帧同步机、制式转换器等电视台内几乎所有的
9、设备都被数字设备代替，因此大大提高了节目制作及播出的质量。但最后这些数字信号仍需要被编码成模拟的CVBS信号（复合全电视信号）并经调制后由发射机发送出去。在接收机中，电视信号数字化后可以进行数字的亮色分离、数字彩色解码、数字的轮廓增强、数字的降噪及画中画等操作（以ITT公司的DIGIT2000为代表），使电视的图像质量得到显著提高。但这些改进仍停留在模拟电视的范畴内，只是把模拟信号进行了数字处理，改善了一些图像质量。图1.1 数字电视系统方框图受日本在1985年播出模拟HDTV的推动，欧美各国开始研制全数字的电视系统。但模拟信号数字化后，数据量很大，按601标准4:2:2取样8bit量化后的数
10、码率达到216Mb/s。这么高的数码率，存储、实时传输与处理都是不现实的。于是从20世纪80年代开始，图像与声音压缩编码技术成了数字电视研究发展的核心课题。从1988年的会议电视H.261、标准1991年的JPEG静止图像压缩编码标准到1991年开始制订的MPEG-1、MPEG-2运动图像压缩编码标淮，数码率实现了压缩50倍而图像质量看不出明显失真的效果，这使得数字电视广播成为可能。20世纪80年代末及90年代初世界各国先后成功研制出了全数字的电视系统，主要有美国的ATSC及欧洲的DVB数字电视广播系统。1995年欧美开通了卫星及有线数字电视广播，1998年开通了地面数字电视广播。2003年日
11、本开播了ISDB-T数字电视系统。我国也在1999年国庆50周年时成功地试播了自行研制的HDTV地面数字电视系统；2002年开始全国各地相继开播了有线及卫星数字电视广播；2006年8月我国颁布了地面数字电视国家标准；2008年1月1日，地面数字电视在北京开播，数字地面高清频道相继播出。新媒体的发展也取得突破，网络电视（IPTV）、手机电视等发展迅速。2008年6月9日，我国成功地发射第一颗直播卫星“中星9号”。2008年8月期间，我国成功举办了北京奥运会，广播影视服务奥运取得了圆满成功，数字高清晰度电视、移动多媒体广播电视、互联网广播电视等新手段的应用，丰富了科技奥运的内涵，成为了北京奥运会的
12、亮点。 目前，我国已建成世界上覆盖人口最多，无线、有线、卫星、互联网等多种技术手段并用，中央与地方、城市与农村、国内与国外并重的规模庞大的广播影视网络。从2007年3月1日起，美国出产的电视机抛弃传统的模拟信号，转为只接收数字信号。因此，从全世界范围来看，数字取代模拟已成为大势所趋。美国和英国已分别宣布要在2009年及2010年全部转为数字电视广播信号，中国也计划在2015年停播模拟电视广播信号。1.1.3 图像通信的发展图像通信是现代通信技术的主要研究内容，它的发展与计算机多媒体技术及数字电视技术相辅相成。传真、可视图文（Videotex）、图文电视（Teletext）、静止图像通信、可视电
13、话和会议电视等均是图像通信的内容。美国贝尔实验室早在1927年就进行了可视电话的实验。1964年，贝尔公司在纽约世界博览会上展出了世界上第一部可视电话（PicturephoneI），直到1984年国际电报电话咨询委员会（CCITT，即现在的ITU-T）才制订出首个会议电视及可视电话H.100系列建议。1996年5月ITU-T批准了H.320会议电视系统，对会议电视系统的性能指标、压缩算法、信息结构、控制命令及组建会议电视网的原则等作了完整的规定，随后又公布了H.324建议、H.323建议和H.310建议等。这些建议的发表大大推动了可视电话及会议电视的发展及商品化。近几年发展起来的高清晰会议电视
14、提供的9倍CIF的高清晰图像带来了视觉的新体验，其色彩更加鲜明逼真，运动更加清晰流畅。无论是哪种数字电视广播及现代图像通信的方式，其核心技术图像与声音压缩编码技术仍是开发的重点。为适应网络电视、移动视频、交互电视等的要求，在图像压缩编码上H.264（MPEG-4第10部分）的压缩效率比MPEG-4（第2部分）提高了一倍多。我国开发的具有自主知识产权的AVS标准已在卫星及网络传输上得到应用。除了压缩编码外，还必须大力研究信道编码（纠错编码）、先进的数字调制技术、数字版权（DRM）及条件接收（CA）技术等。随着通信网络技术即信息高速公路基础设施技术的飞速发展，原来的电信网、有线电视网及计算机网这三
15、大网络有合一的趋势，数字电视信号及图像通信信号所产生的数字码流可以在这三大网络中进行传输、交换。人们可以通过信息高速公路收看世界上任一电视台播放的电视节目（只要向这一电视台发送一个点播信息即可），还可以根据需要收看不同清晰度电视的节目（所付费用不同）。可以和世界各地任何地方的人们“面对面”地进行通话或召开电视会议讨论某一重大决策。数字电视和图像通信已经没有什么本质上的区别，两者达到了实质性融合，人类已经进入了多媒体信息时代。1.2 数字电视与图像通信的关键技术1.2.1 数字视频压缩编解码技术数字电视与图像通信所传送的视频与音频在数字化后均有极高的数码率，例如，对图像亮度信号与色差信号分别用1
16、3.5MHz及6.75MHz的取样频率进行取样，用10位二进制数进行量化，其数码率达270Mb/s。而一个频带宽为8MHz的模拟电视频道若只使用二进制调制方法则只能传送不大于16Mb/s的二进制数据流。因此必须想法去除图像信号中的多余信息，将码率从270Mb/s压缩到能在一个频道中传送。通过研究电视图像信号的统计特性，可以发现在电视图像中存在着很大的相关性。去除这些相关性（即冗余度）就能实现码率压缩。能否实现高效的图像压缩编码成了是否能实现数字电视及图像通信的关键技术之一。20世纪80年代以来，图像与声音压缩编码技术有了长足的进展，图像预测编码技术、图像变换编码技术、统计编码（包括霍夫曼编码、算术编码与行程编码）及矢量量化编码等是基本的图像压缩编码技术。 MPEG（Moving Picture Experts Group，运动图像专家组）是专门从事多媒体视频和音频压缩标准制定的国际组织，MPEG系列标准已成
