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1、第4章 数字彩色电视制式1第4章 数字彩色电视制式1 4.1 数字彩色电视制式概述 4.2 视频信源编码原理 4.1 数字彩色电视制式概述4.1.1. 多极化的传输规范“全数字： 是指从摄像头之后不断到接纳机中显像之前，整个传输过程都是以数字方式的信号进展的。数字电视制式的优点：抗干扰才干强减小发射功率提高频谱资源的利用率易于把视频音频信号与数据等其它信号交错传输便于实现与数字通讯网和计算机网的互操作 4.1 数字彩色电视制式概述.数字电视的分类数字电视的分类按信号传输方式分类：可分为地面无线传输按信号传输方式分类：可分为地面无线传输(地面数字电地面数字电视视)、卫星传输、卫星传输(卫星数字电
2、视卫星数字电视)、有线传输、有线传输(有线数字电视有线数字电视)三类。三类。按产品类型分类：可分为数字电视显示器、数字电视机顶按产品类型分类：可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接纳机。盒、一体化数字电视接纳机。按明晰度分类：可分为低明晰度数字电视按明晰度分类：可分为低明晰度数字电视(图像程度明晰图像程度明晰度大于度大于250线线)、规范明晰度数字电视、规范明晰度数字电视(图像程度明晰度大图像程度明晰度大于于500线线)、高明晰度数字电视、高明晰度数字电视(图像程度明晰度大于图像程度明晰度大于800线，即线，即HDTV)。按显示屏幕幅型分类：可分为按显示屏幕幅型分类：可分为4：
3、3幅型比和幅型比和16：9幅型比幅型比两种类型。两种类型。按扫描线数按扫描线数(显示格式显示格式)分类：可分为分类：可分为HDTV扫描线数扫描线数(大于大于1000线线)和和SDTV扫描线数扫描线数(600800线线)等。等。 4.1 数字彩色电视制式概述三大数字电视规范1.美国ATSC规范 美国于1996年12月24日决议采用以HDTV为根底的ATSC作为美国国家数字电视规范。美国联邦通讯委员会(FCC)决议用9年的时间完成模拟电视向数字电视的历史性过渡。2.欧洲DVB规范 欧洲在其HD-MAC制因受美国推出数字制式影响而夭折之后，在1993年开展DVB工程的研讨。 DVB-S(用于卫星电视
4、，QPSK) DVB-C(用于有线电视，QAM) DVB-T(用于的地面广播电视，COFDM) 4.1 数字彩色电视制式概述3.日本ISDB-T1998年提出了ISDB-T(综合业务数字广播)采用BTS-OFDM调制方式(频带分段传输-正交频分复用)4.1.2 通用的紧缩编码规范目的：为实现数字电视制式，必需处理紧缩数字电视信号 的传输带宽数字电视系统的简要框图如下见图4-1： 4.1 数字彩色电视制式概述数字电视系统的简要框图如下： 4.1 数字彩色电视制式概述目前世界上不同的数字电视制式采用的信源编码技术都基于MPEG制定的MPEG-2规范。MPEG-2规范 为顺应各种需求和不同的数字电视
5、体系，MPEG-2可划分4级和5型：低级 (LL, Low Level) : 35224030 象素/s 或 352288 25象素/s 最高码率 4Mb/s 主级 ML, Main Level: ITU-R BT.601 72048030 象素/s 或 720576 25象素/s 最高码率 15Mb/s(高级主型为20Mb/s) 高1440级(H14L, High-1440 level): 14401152 , 最高输出比特率 为 60Mb/s 高型为80Mb/s)高级(HL, High Level): 19201152, 最高码率 80Mb/s(高型为100Mb/s) 4.1 数字彩色电视
6、制式概述MPEG-2 的五个型：简单型SP, Simple Profile主型比简单型添加了双向预测紧缩工具信噪比可分级型SNRP, SNR Scalable Profile空间可分级型(SSP, Spatially Scalable Profile)高型(High Profile) 4.1 数字彩色电视制式概述MPEG2的型和级见图4-2，例如：MPML指主型和主级，用于SDTV；MPHL是指主型和高级，用于HDTV。 4.2 视频信源编码的原理4.2.1.视频信源编码的实际根据1.视频信源编码的目的： 紧缩数字电视图像的数据量，从而降低已编码比特流的传输速率，减小传输带宽 2.实际根据：
7、(1) 原始图像数据在空间和时间上的冗余度大信息坚持 紧缩编码 (2) 允许经过紧缩编码的复原图像在客观上存在一 定的失真信息非坚持紧缩编码视频信源编码的实际根据 图像冗余信息类型 虽然表示图像需求大量的数据，但图像数据是高度相关的， 或者说存在冗余Redundancy信息，去掉这些冗余信息后可以有效紧缩图像， 同时又不会损害图像的有效信息。数字图像的冗余主要表现为以下几种方式：空间冗余、时间冗余、视觉冗余、 信息熵冗余、构造冗余和知识冗余。 空间冗余：图像内部相邻像素之间存在较强的相关性所呵斥的冗余。 时间冗余： 视频图像序列中的不同帧之间的相关性所呵斥的冗余。 视觉冗余： 是指人眼不能感知
8、或不敏感的那部分图像信息。 信息熵冗余： 也称编码冗余，假设图像中平均每个像素运用的比特数大于该图像的信息熵，那么图像中存在冗余，这种冗余称为信息熵冗余。 构造冗余： 是指图像中存在很强的纹理构造或自类似性。 知识冗余： 是指在有些图像中还包含与某些先验知识有关的信息。视频信源编码的实际根据 图像数据的这些冗余信息为图像紧缩编码提供了根据。例如， 利用人眼对蓝光不敏感的视觉特性，在对彩色图像编码时， 就可以用较低的精度对蓝色分量进展编码。图像编码的目的就是充分利用图像中存在的各种冗余信息，特别是空间冗余、时间冗余以及视觉冗余，以尽量少的比特数来表示图像。利用各种冗余信息， 紧缩编码技术可以很好
9、地处理在将模拟信号转换为数字信号后所产生的带宽需求添加的问题， 它是使数字信号走上适用化的关键技术之一，表4-0中列出了几种常见运用的码率。 视频信源编码的实际根据表表4-0 几种常见运用的码率几种常见运用的码率 图像编码的方法图像编码的方法 根根据据编编码码过过程程中中能能否否存存在在信信息息损损耗耗可可将将图图像像编编码码分分为为有有损损紧紧缩缩和和无无损损紧紧缩缩。无无损损紧紧缩缩无无信信息息损损失失，解解紧紧缩缩时时可可以以从从紧紧缩缩数数据据准准确确地地恢恢复复原原始始图图像像；有有损损紧紧缩缩不不能能准准确确重重建建原原始始图图像像，存存在在一一定定程程度度的的失失真真。根根据据编
10、编码码原原理理可可以以将将图图像像编编码码分分为为熵熵编编码码、预预测编码、测编码、 变换编码和混合编码等。变换编码和混合编码等。 1熵熵编编码码。熵熵编编码码是是纯纯粹粹基基于于信信号号统统计计特特性性的的编编码码技技术术， 是是一一种种无无损损编编码码。熵熵编编码码的的根根本本原原理理是是给给出出现现概概率率较较大大的的符符号号赋赋予予一一个个短短码码字字，而而给给出出现现概概率率较较小小的的符符号号赋赋予予一一个个长长码码字字， 从从而而使使得得最最终终的的平平均均码码长长很很小小。常常见见的的熵熵编编码码方方法法有有行行程程编编码码Run Length Encoding、哈夫曼编码和算
11、术编码。、哈夫曼编码和算术编码。 2 预测编码。预测编码是基于图像数据的空间或时间冗余特性，用相邻的知像素或像素块来预测当前像素或像素块的取值，然后再对预测误差进展量化和编码。预测编码可分为帧内预测和帧间预测，常用的预测编码有差分脉码调制Differential Pulse Code Modulation， DPCM和运动补偿法。 3变换编码。变换编码通常是将空间域上的图像经过正交变换映射到另一变换域上，使变换后的系数之间的相关性降低。图像变换本身并不能紧缩数据，但变换后图像的大部分能量只集中到少数几个变换系数上，采用适当的量化和熵编码就可以有效地紧缩图像。 4 混合编码。混合编码是指综合了熵
12、编码、变换编码或预测编码的编码方法，如JPEG规范和MPEG规范。 根据对紧缩编码后的图像进展重建的准确程度， 可将常用的图像编码方法分为三类： 1 信息坚持编码： 也称无失真编码， 它要求在编解码过程中保证图像信息不丧失，从而可以完好地重建图像。信息坚持编码的紧缩比较低， 普通不超越3: 1，主要运用在图像的数字存储方面，常用于医学图像编码中。 2 保真度编码： 主要利用人眼的视觉特性，在允许的失真Lossy条件下或一定的保真度准那么下，最大限制地紧缩图像。保真度编码可以实现较大的紧缩比，主要用于数字电视技术、静止图像通讯、文娱等方面。对于这些图像，过高的空间分辨率和过多的灰度层次，不仅添加
13、了数据量，而且人眼也接纳不到。因此在编码过程中，可以丢掉一些人眼不敏感的信息， 在保证一定的视觉效果条件下提高紧缩比。 3 特征提取： 在图像识别、 分析和分类等技术中， 往往并不需求全部图像信息，而只需对感兴趣的部分特征信息进展编码即可紧缩数据。例如，对遥感图像进展农作物分类时， 就只需对用于区别农作物与非农作物，以及农作物类别之间的特征进展编码，而可以忽略道路、河流、建筑物等其他背景信息。 图像编码新技术图像编码新技术 图图像像编编码码曾曾经经开开展展了了几几十十年年，人人们们不不断断提提出出新新的的紧紧缩缩方方法法。如如， 利利用用人人工工神神经经网网络络Artificial Neura
14、l Network， ANN的的紧紧缩缩编编码码、 分分形形编编码码Fractal Coding、 小小波波编编码码Wavelet Coding、基基于于对对象象的的紧紧缩缩编编码码Object Based Coding和基于模型的紧缩编码和基于模型的紧缩编码Model Based Coding等等。等等。 4.2 视频信源编码的原理4.2.2 .预测编码原理1.概述 预测编码又称差分脉码调制(DPCM,Differential Pulse Code Modulation)，图4-3是DPCM系统方框图： 4.2 视频信源编码的原理在DPCM系统中传送的是Xn与预测值的差值预测值：是用与它在空
15、间或时间上相关性强的假设干个 数据的线性组合产生的，即 其中：N为预测器的阶数；ai为预测系数，其大小由Xn-i与Xn相关性的强弱确定。预测值充分反映了预测区中各像素的共性部分。因 此，预测差值 根本上去除了像素间的 相关性，其变化幅度比像素本身的幅度在统计上要小得多，可以用较少的比特进展量化和编码，从而使图像数据得到紧缩。 4.2 视频信源编码的原理预测器： 空间相关性的帧内预测器帧内预测编码 时间相关性的帧内预测器帧间预测编码数字电视实现数据紧缩的主要手段： 结合运用帧内和帧间预测编码，特别是带运动补偿的帧间预测编码 4.2 视频信源编码的原理图像组(GOP)包括：I 图像帧内预测编码图像
16、 P图像帧间预测编码图像 B图像双向预测编码图像 4.2 视频信源编码的原理2.帧内预测编码 1划分为像块block，如图4-6a 2组合成宏块macroblock，如图4-6b 4.2 视频信源编码的原理3相邻的宏块组成像条slice，包括通用结 构和特殊构造，如以下图4-7所示： 4.2 视频信源编码的原理3.帧间预测编码概述I图像是帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，同时它还是P图像、B图像编码、解码的参考图像。P图像是前向预测编码图像，像素的预测值取为前面与其相邻的I图像或P图像中相应像素的值，即帧间运动补偿前值预测。B图像是双向预测编码图像，像素的预测值取为前后与其间隔最近的I图像
17、或P图像相应像素值的加权平均，即帧间运动补偿前后平均预测。 4.2 视频信源编码的原理4.帧间预测编码中的运动补偿1运动估值：求出运动物 体像素的运动矢量2采用“块匹配进展运动 估值，如右图4-8所示：3像块匹配程度的断定 准那么：平均绝对差准 那么MAD，Mean Abasolute Difference4“全搜索方式最可靠 4.2 视频信源编码的原理5.帧间预测方式 1帧图像的帧预测 4.2 视频信源编码的原理2帧图像的场预测用于运动猛烈的情况 4.2 视频信源编码的原理3场图像的场预测 4.2 视频信源编码的原理4双基预测5 168预测仅用于场图像 4.2 视频信源编码的原理4.2.3.
18、 变换编码原理1.概述： 在MPEG-2规范中采用二维DCT，它将空间域的 电视图像信号变换到由正交的DCT基图像定义的变换域中，以去除其空间相关性，并对变换域系数采用适当的编码方法，到达数据紧缩的目的。 4.2 视频信源编码的原理2.DCT系数的量化 1对DCT系数的量化是基于有限失真Finite Distortion编码实际 2根据人的视觉对高频幅度失真比较不敏感的特点，在I 帧的变换编码中， 位于系数矩阵左上 角部位的系数采用 较小的量化间隔， 位于右下角部位的 系数那么采用较大的 量化间隔。 4.2 视频信源编码的原理3.游程编码1游程编码RLC，Run Length Coding：
19、用适当的扫描方式将已量化的二维DCT系数矩阵变换为一维序列，所用扫描方式应使序列中连零数目尽量多，或者说使连零的游程尽量长，对游程的长度进展游程编码以替代逐个地传送这些零值，就能进一步实现数据紧缩。2MPEG2规范中规 定了两种扫描方式， 如右图4-16所示：Z 形扫描方式 交替扫描方式 4.2 视频信源编码的原理3游程编码的方法： 将扫描得到的一维序列转化为一个由二元数组run，level组成的数组序列，其中run表示连零的长度，level表示这串连零之后出现的一个非零值。剩下的一切系数为零时，用EOBEnd of Block来表示。如图4-17所示： DCT 量化除以16 4.2 视频信源
20、编码的原理 Z 形扫描 游程编码 图4-17 游程编码举例 4.2 视频信源编码的原理4.2.4. 熵编码原理 1. 霍夫曼Huffman编码1多用可变长编码VLC，Variable Length Coding实现2根本思想： 对信源中出现概率大的符号赋以短码，对出现概率小的符号赋以长码，从而在统计上获得较短的平均码长。 2. 运动矢量的熵编码 宏快运动矢量在程度或垂直方向的差值D等于运动码motioncodeM与f 的乘积，即 D=Mf ，其中f=2m。运动码采用霍夫曼编码，见表4-1所列： 可变长码 运动码 可变长码 运动码 100000 0011 001-1601010000 0111
21、011-15001020000 0011 101-140001 030000 0011 111-130000 11040000 0100 001-120000 101050000 0100 011-110000 100060000 0100 11-100000 011070000 0101 01-90000 0101 1080000 0101 11-80000 0100 0090000 0111-70000 0100 010100000 1001 -60000 0100 000110000 1011-50000 0011 000120000 111-40000 0011 110130001 1
22、-30000 0011 100140011-20000 0011 01015011-1 4.2 视频信源编码的原理3.DCT系数的熵编码 I 帧的DC系数差值的编 码采用“size+differential 差值码长度+差值的方 法，表4-2示出了亮度信 号size的霍夫曼编码。表4-3示出了部分游程码的可变长编码。 可变长码 DC系数 size1000001012101311041110 051111 061111 1071111 110 81111 111091111 1111 0101111 1111 111 4.2 视频信源编码的原理 可变长码Runlevel10 EOB码1s（用于DC系数）0111s（用于AC系数）010010Escape码011s110100s020101s210010 1s030011 1s310001 10s410001 11s120001 01s51 4.2 视频信源编码的原理4.2.5. MPEG-2视频编码器和编码器 4.2 视频信源编码的原理
