7第4章数字彩色电视制式(上)

第4章数字彩色电视制式燕山大学信息科学与工程学院电视原理数字电视广播系统方框图音频视频辅助数据控制数据信源编码视频压缩音频压缩多路复用信道编码调制信道接收机信道编码是指纠错编码。调制:根据传输信道的特点采用效率较高的信号调制方式，常用的方式有QAM、QPSK、TCM、COFDM和VSB。信道有卫星广播信道、有线电视信道和地面广播信道等4.1数字电视制式概述4.1.1.数字电视广播系统的构成多路复用是将视频、音频和数据等各种媒体流按照一定的方法复用成一个节目的数据流，将多个节目的数据流再复用成单一的数据流的过程。SDTV和HDTV数字电视分为标准清晰度电视和高清晰度电视。标准清晰度电视SDTV(StandardDefinitionTelevision)是指质量相当于目前模拟彩色电视系统(PAL、NTSC、SECAM)的数字电视系统，也称为常规电视系统。其定义是，ITU-R601标准的4∶2∶2的视频，经过某些数据压缩处理后所能达到的图像质量。其清晰度约为500电视线，视频数码率约为5Mb/s。高清晰度电视HDTV(HighDefinitionTelevision)是指水平清晰度和垂直清晰度大约为目前模拟彩色电视系统的两倍，宽高比为16∶9的数字电视系统。根据ITU的定义，一个具有正常视觉的观众在距离高清晰度电视机大约是显示屏高度3倍的地方所看到的图像质量应与观看原景象或表演时所得到的印象相同。其清晰度应在800电视线以上，视频数码率约为20Mb/s。国际电联在ITU-RBT.1201建议书中提出了超高清晰度成像HRI(HyperhighResolutionImaging)的若干标准，其基本要素是图像的最小分辨率为1920×1080，传输速率为60帧／秒。HRI分为HRI0～HRI3四个等级,其空间分辨率分别为1920×1080、3840×2160、5760×3240、7680×4320,其量化比特数分别为10、10、12、12，不压缩数据速率分别为2.5、10、40、72Gb/s,传输速率分别为60～80、100～150、150～600、150～600Mb/s。目前按此建议研制的超高清晰度图像可用于医疗、印刷、电影、电视和计算机图形等领域。2数字电视的优点与模拟电视相比，数字电视的优点表现在以下几个方面。1.图像传输质量较高2.具有数字环绕立体声伴音3.4.多信息、多功能5.设备可靠，维护简单6.节省发送功率，覆盖范围广7.易于实现条件接收我国的数字电视战略根据我国的基本国情和广电行业的实际，我国推进广播电视数字化实施的是“三步走”战略。第一步是大力发展有线数字电视。在网络前端建立数字平台，把模拟信号转换成数字信号，在用户端安装机顶盒，实现端到端的数字化传输。第二步是从2008年起大力发展地面数字广播电视和高清晰度数字电视。第三步2015年，我国将停止模拟广播电视播出。6欧洲DVB-T标准派系北京、上海、台湾、广东省、深圳市、山西省、江苏省、安徽省、重庆市、湖南省、甘肃省、浙江省、云南省。7清华DMB-T派系河南省、江西省、山东省、辽宁省、吉林省、内蒙、河北省、海南省、湖北省、湖南省、云南省、香港、澳门、广西省、江苏省、四川省、福建省、陕西省、黑龙江省、贵州省。上海交大ADTB-T派系仅在上海地区开展了出租至的车载试运营，该方案的产业化步伐正在加快。8中国2002年组建音视频技术（AVS）标准工作组2006年视频部分正式颁布为国家标准需要注意：上述标准适用于HDTV和SDTV4.1.2视频图像信号的数字化与分量编码数字电视信号的产生和复原一、采样频率对于525行系统，带宽约为4.2MHz对于625行系统，带宽约为5.6MHz如何选择采样频率以满足正交结构？——采样频率应为行频的整数倍ITU-RBT.601规定亮度信号采样频率13.5MHz色度信号采样频率6.75MHz，且空间同位分量编码采样结构4：2：2采样结构4：2：0采样结构代表亮度样点代表色度样点二、量化等级电视信号一般采用8bit量化，即有256个量化等级亮度Y幅度：0~1V，R-Y幅度：-0.701~0.701V，B-Y幅度：-0.886~0.886V，动态范围不一致引入压缩系数：将动态范围限制为1VCR=KR（R-Y），则KR=0.5/0.701CB=KB（B-Y），则KB=0.5/0.886动态范围为：-0.5~0.5VY=0.299R+0.587G+0.114BCR=KR（R-Y）=0.500R-0.419G-0.081BCB=KB（B-Y）=-0.169R-0.331G+0.500B亮度信号采用自然二进制码，色差信号采用偏移二进制码。(零电平对应128级)为了防止量化过载，预留过载保护带。(亮度：16-235量化级；色差：16-240量化级)4.1.3通用的压缩编码标准数据压缩的必要性4:2:2，PAL：864×625×25×2×8=216Mb/s(108MHz)数字电视系统框图A/D转换信源编码信道编码信道解码信源解码D/A转换信道模拟彩色电视信号输入解码器编码器通用的信源编码标准MPEG-2MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)即活动图像专家组，建立于1988年MPEG-1：4:2:0采样压缩，每秒1.5Mbps的传输码率，图像大小352×240，扫描频率30场/秒。图像质量比电视略强，适合于非专业视频领域，如VCD等。MPEG-4：一种广域传输标准，传输码率10kbps-1Mbps，于2000年正式成为国际标准:内容的交互性,高效的压缩性，通用的访问性MPEG-2：1994-1996年提出的用于广播电视的视频压缩标准。“Profile”和“Level”(“型”和“级”)MPEG-2有4种输入格式(用级(levels)加以划分)和5种不同的处理方法(用类(profiles，也译成档次)加以划分)按视频格式分四个级按编码工具分五个型。图像输入格式最大输出码率主型高型低级LLITU-R601标准的1/44Mb/s352×240×30pel/s352×288×25pel/s主级ML符合ITU-R601标准15Mb/s20Mb/s720×480×30pel/s720×576×25pel/s高1440级H14LITU-R601标准的4倍（4:3）60Mb/s80Mb/s1440×1152×30pel高级HLITU-R601标准的4倍(16:9)80Mb/s100Mb/s1920×1152×30pel在MPEG-2的5个类中，每升高一类将提供前一类未使用的附加的码率压缩工具，编码更为精细。类之间存在向后兼容性，若接收机能解码用高类工具编码的图像，也就能解码用较低类工具编码的图像。(1)简单类SP(SimpleProfile)是最低的类。(2)主类MP(MainProfile)比简单类增加双向预测压缩工具。(3)信噪比可分级类SNRP(SNRScalableProfile)。(4)空间可分级类SSP(SpatiallyScalableProfile)。SNRP和SSP两个类允许将编码的视频数据分为基本层以及一个以上的上层信号。基本层包含编码图像的基本数据，但相应的图像质量较低。上层信号用来改进信噪比或清晰度。(5)高类HP(HighProfile)则支持逐行同时处理色差信号(例如4∶2∶2)，并且支持全部可分级性。MPEG-2的类和级HighLevelHigh-1440LevelMainLevelLowLevelSimpleProfileMainProfileSNRScalableProfileSpstiallyScalableProfileHighProfile020406080100SimpleProfileMainProfileSNRScalableProfileSpstiallyScalableProfileHighProfileMPEG-2适用点4.2.1视频信源编码的理论依据原始图像数据在空间及时间上的统计冗余度很大，存在大量无需传送的多余信息：图像的相邻像素、相邻行之间存在很强的相关性——空间相关性相邻场或帧对应像素间存在相关性——时间相关性信息保持无损压缩编码人眼对图像细节、幅度的变化、图像的运动不同时具有最高的分辨力：信息非保持有损压缩编码4.2视频信源编码原理4.2.2预测编码原理预测编码概述预测编码也称为差分脉冲编码调制(DPCM，DifferentialPulseCodeModulation)，使用已编码像素的线性组合对未编码像素进行预测，传送其预测误差（残差）。约80%-90%以上的残差信号的绝对值落在16-18个量化级以内。可以用较少的比特表示差值，达到数据压缩的目的。帧内预测采用1阶前值预测，利用空间相关性；帧间预测采用1阶前向预测或2阶双向预测，利用时间相关性。预测编码的主要缺点是抗误码能力差。若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧内编码会使误差扩散到图像中一个较大的区域，对于帧间编码会使误差扩散到后续的若干帧中。为便于联合运用帧内编码和帧间编码技术，把由连续的电视画面组成的视频序列（sequence）划分为许多图像组（GOP,GroupofPicture），每个图像组由几帧或十几帧图像组成，这些图像相互间存在预测和生成关系。采用帧内预测编码的图像称为I图像(Intra-CodedPicture)采用前向帧间预测编码的图像称为P图像(Predictively-CodedPicture)采用双向帧间预测编码的图像称为B图像(Bidirectionally-CodedPicture)下页为由9帧图像组成的GOP示意图帧间预测编码是以图像组GOP为单位进行的I图像——帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，它还是P图像和B图像编码、解码的参考图像。使用周期性的I帧便于初始化接收机和捕获频道。I帧出现的频度可以变化，由编码器选择。P图像——前向编码预测图像，像素的预测值为其前面一帧I图像或P图像中相应像素值，即帧间运动补偿前值预测。B图像——双向预测编码图像，像素的预测值为其前后相邻帧相应像素值的加权平均。B图像不能作为其它图像的编码参考图像。使用B帧可提高压缩效率，但需要帧存储器。编码器输入端或解码器输出端的显示顺序编码器输出端或解码器输入端的编解码顺序视频数据结构块:Block8×8像素块宏块:Macroblock16×16像素块像条:Slice——由多个Macroblock组成图像组：GOP视频序列：Sequence图像：Picture宏块的组成124350YCrCb12375460YCrCb12437568910110YCrCb4:2:0格式的宏块4:2:2格式的宏块4:4:4格式的宏块宏块的三种构成方式，其中亮度块的数目均为4，而色度块的数目分别为2、4和8。图中每一块表示8*8像素0000ˆ(1)()ynyn在对I图像进行帧内预测编码之前，首先对每一个8×8的像块进行二维离散余弦变换（DCT，DiscreteCosineTransform），将像块变换为由8×8个变换系数组成的系数块。位于系数块左上角的第一个系数是像块中8×8个像素的平均值，代表像块的直流分量，称为DC系数，其余系数为AC系数。帧内预测编码是对各个系数块的DC系数进行的，目的是去除在相邻像块的直流分量之间较强的相关性。帧内预测编码只在像条所在的区域进行。帧内预测编码采用前值预测：帧间预测编码中的运动补偿最简单的时域预测就是用前一帧作为当前帧的预测参考帧。一个视频序列里两个相邻帧如右图所示。第一帧作为第二帧的参考帧，残差是第二帧与参考帧之差。在右图中，中间灰度代表差值为零，浅灰和深灰分别对应正、负差值。这种简单预测的明显问题是残差帧中剩余能量太多，也就是说预测后还有很多信息需要压缩。多数残差是由于两帧之间物体运动引起的，所以更好的预测是在两帧之间进行运动补偿。运动补偿预测示意图运动矢量：表示从编码帧到参考帧像素运动的方向和距离。运动估值：通过比