第5章数字电视的国际标准0

数字电视原理第五章数字电视的国际标准通信工程系22019/10/135.1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32019/10/13通信工程系42019/10/13通信工程系52019/10/13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62019/10/13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72019/10/13－超高清晰度成像(HRI)建议(ITU-RBT.1201)ITU-RBT.1201建议书提出了超高清晰度成像(HRI，HighResolutionImage)格式和规范建议。HDTV：1920像素×1080像素，有p（逐行）和i（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82019/10/135.2JPEG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•JointPhoto-GraphicExpertsGroup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92019/10/135.2JPEG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(BaselineSequentialCodec)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),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102019/10/135.2JPEG标准1.基于DCT的编码器和解码器编码器：正向DCT量化器熵编码器压缩图像数据专用数据表专用数据表基于DCT的编码器源图像数据8×8方块通信工程系112019/10/13基于DCT的JPEG解码器：5.2JPEG标准反向DCT去量化器熵解码器压缩图像数据专用数据表专用数据表基于DCT的解码器重建源图像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122019/10/135.2JPEG标准JPEG压缩流程示意图通信工程系132019/10/135.2JPEG标准－JPEG标准中的像素1.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9MHz2.NTSC制①行频②行周期③每行的显示时间④若设抽样频率52559.9415734.252HfHz163.5556HHtsf0.835dHtt0.83563.555653.069dts9.045sfMHz通信工程系142019/10/13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9.04553.069480sdNftMHzsdt5.2JPEG标准通信工程系152019/10/135.2JPEG标准－像素形状的概念1.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；2.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480×3／4＝360行；3.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。360/45180%通信工程系162019/10/135.2JPEG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161110162440516112121419265860551413162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121120101729295981121001039917182447999999991821266699999999242656999999999947669999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999通信工程系172019/10/135.2JPEG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DIFF=DCi-DCi-1DCiDCi-1Bi-1Bi通信工程系182019/10/133.数据交换格式5.2JPEG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192019/10/13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202019/10/13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212019/10/13第三行的扫描头(ScanHeader)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(EntropyCodedSegment)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222019/10/135.3MPEG-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352×288，标准速率为1.2Mbit/sMPEG是活动图像专家组(MovingPictureExpertGroup)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ISO11172标准的建议草案，通称MPEG-l标准。该标准予1992年l1月被通过，1993年8月公布。通信工程系232019/10/135.3MPEG-1标准1.MPEG-1标准的内容ISO/IEC11172包括三大部分:①ISO/IEC11172-1第一部分系统②ISO/IEC11172-2第二部分视频③ISO/IEC11172-3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242019/10/135.3MPEG-1标准MPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比:①对色差信号进行亚采样，减少数据量；②采用运动补偿技术减少帧间冗余度；③做二维DCT变换去除空间相关性；④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；⑤将DCT系数进行变字长的熵编码；⑥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252019/10/13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：1.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262019/10/132.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。3．B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272019/10/13帧内图像I的压缩编码算法框图5.3MPEG-1标准通信工程系282019/10/135.3MPEG-1标准预测图像P的压缩编码算法框图通信工程系292019/10/135.3MPEG-1标准双向预测图像B的压缩编码算法框图通信工程系302019/10/135.3MPEG-1标准I帧、P帧和B帧图像的依赖关系I帧图像一般在0.5s（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312019/10/13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322019/10/135.3MPEG-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0.8～1秒时间。•这种延时对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0.8～1秒时间；乙方图像传至甲方经编码、解码也要延时0.8～1秒时间，这样，如果甲对乙提一个问题，则1.6～2秒以后才能得到回答。通信工程系332019/10/135.3MPE