数字视频信号源的编码器和解码器的研究

课程设计说明书第I页摘要数字视频/音频压缩编码是数字电视广播系统中非常重要的环节，主要解决电视信号数字化后所带来的海量数据量如何能够有效地存储和传输的问题。近20年来，视频/音频压缩编码技术一直处于快速发展之中，新技术和新标准不断涌现，现代视频/音频压缩编码技术已经比较成熟，可以在保持较好图像质量前提下，达到较高的压缩比。数字化技术的发展和成熟已使数字高清晰度电视（HDTV）成为现实。高清晰度电视是新一代电视，其扫描线在1000行以上，每行1920个像素，宽高比为16:9，较常规电视更符合人们的视觉特性，使图像质量与35mm首映电影相当。但是由于像素数大幅度增加，使本来数码位就较高的二进制编码形成极大的编码数据，使HDTV的信息量可达常规电视的5倍以上，传输时占用频带宽，存储时占用媒体容量大，特别是对计算量最为庞大的运动估算的运动算法来说，编码器无疑要有非常高的处理速度，这样给实际应用开发带来了极大困难。因此，必须对HDTV图像进行压缩编码。本文主要针对数字视频信号源的编码器和解码器的研究。关键词：视频/音频压缩编码技术，编码器，译码器课程设计说明书第II页目录1数字电视的优点和发展概况及其基本结构.......................................................11.1数字电视的优点和发展概况....................................................................................11.2数字电视的基本组成..................................................................................................32视频压缩编码的方法.......................................................................................................32.1莫尔斯码与信源编码..................................................................................................42.2差值脉冲编码...............................................................................................................42.3预测编码基本原理......................................................................................................42.4游程长度编码...............................................................................................................62.5霍夫曼编码....................................................................................................................72.6运动估计的运动补偿编码.........................................................................................83MPEG-2编码器原理.......................................................................................................103.1MPEG-2的编码方式..................................................................................................103.2PAL解码器..................................................................................................................133.3MPEG-2视频编码器..................................................................................................144MPEG-2解码器原理.......................................................................................................154.1视频基本码流结构....................................................................................................154.2MPEG-2解码................................................................................................................16总结.........................................................................................................................................17致谢.........................................................................................................................................18参考文献...................................................................................................................................19课程设计说明书第1页1数字电视的优点和发展概况及其基本结构1.1数字电视的优点和发展概况数字电视是高科技的产物，数字电视是指电视节目的采集、制作、编辑、播出、传输、接收的全过程都采用数字技术。与模拟电视相比，数字电视在技术上具有以下优势和特点：(1)、清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。数字电视信号在传输过程中不会出现噪声积累效应，几乎完全不受噪声干扰，电视信号的强度衰减与失真度很低，电视画面十分逼近演播室水平。数字电视的音频效果很好，支持五声道的杜比数码（AC-3）5.1环绕立体声家庭影院服务；(2)、数字频道数成倍增加。基于现有模拟电视频道，可同时传输6-8套DVD质量或15-18套VCD质量的数字电视节目。如全部采用数字电视技术传输，可同时传送大约200套DVD质量或500多套VCD质量的电视节目。电视频道资源利用率高，可完全满足用户自由收看电视节目的个性化要求；(3)、数字业务功能极大拓展。随着有线电视传输和用户接收的数字化，以前模拟方式无法提供的服务都将成为可能，如电视网站、交互电视、股票行情与分析、视频点播等，电视互动数字新业务的开展将变得更加容易；(4)、数字电视信号容易加密，保密性好，便于采用现代数字信号处理。总之，数字电视替代模拟电视的趋势是现代科技发展的必然结果。数字电视在我国具有强大的国家、政府支持和重视优势，就广播电视行业发展而言，数字电视技术为满足人民群众日益增长的精神文化需求提供强有力的技术和市场基础，为广播电视事业的大繁荣大发展带来了历史良机，因此受到广电行业的高度重视和大力推进，并取得快速的发展。截止到2008年，全国有线数字电视整体转换城市超过100个，其中33个城市实现全市用户数字化整转，全国数字电视用户已达4450万户。图1.1显示我国数字电视用户在2003-2008年间的快速发展规模和占全国电视用户量的比例，5年用户增长了158.9倍，比例增长了13个百分点。图1.2、表1.1则给出了华北等六个地区2007-2008两年的数字电视用户及在本地区所占课程设计说明书第2页图1.12003-2008年全国数字电视用户规模和所占比例图比例的发展情况，其中华北地区发展的最快提高了12.9个百分点，西北地区提高了11.7个百分点，最少的东北地区也提高了4个百分点。另据国内In-Stat和络达咨询的研究报告，预计到2009年底我国数字电视规模将达8522万户，2010年将达到1.0284亿户，2011年将达到1.1165亿户，2012年将达到1.1606亿户。图1.22007年与2008年不同地区数字电视用户所占比例虽然我国数字电视在发展上具备很多优势，但与发达国家相比，我国数字电视整体上仍然处在发展的初期阶段，尚存在很多的问题。概括的说，有广电体制方面因素，条块分割、性质单一，既难统一规划、布局与实施，又难以引入市场竞争；有政策指导方面的因素，地域差异经济发展不平衡导致受众需求差别大而难以指导；有技术方面的缺乏配套齐全、规范和可操作的技术标准因课程设计说明书第3页素；有市场运营方面投、融资、运行成本高，难以短期盈利的因素；也有运营模式、产业规范、业务性质等等因素形成的问题。应该说我国数字电视的发展是机遇与挑战并存，只要我们按照科学规律办事，充分发挥中国特色社会主义的体制优势、行业优势、产业和市场优势，汲取发达国家发展数字电视所遇到的经验与教训，规避市场风险，就一定能推动我国数字电视的大发展。表1.12007年与2008年不同地区数字电视用户所占比较1.2数字电视的基本组成交互式数字电视系统由三部分组成：数字前端系统、双向传输网络和用户终端系统。数字前端系统通常划分为信源处理、信息处理和传输处理三部分，完成节目的数字化、加扰、授权和认证等功能；双向传输网络主要通过卫星、Cable、地面发射、MMDS等方式将节目传送到用户家中，回传可采用HFC回传通道、PSTN和其它网络；用户终端系统采用机顶盒（STB）收看数字电视节目或实现交互式功能，如收看付费电视、实现Internet浏览、远程教育等。2视频压缩编码的方法压缩编码的方法有几十种之多，并在编码过程中涉及较深的的数学里理论课程设计说明书第4页基础问题，在此仅介绍几种常用的压缩编码方法。2.1莫尔斯码与信源编码莫尔斯码即电报码，其精华之处在于用短码来表示常出现的英文字母，用长码来表示不常出现的字母，以减小码率。2.2差值脉冲编码其原理框图见图2.1(a)。发端将当前样值和前一样值相减所得差值经量化后进行传输，收端将收到的差值与前一个样值相加得到当前样值。在这个原理图中，输出的当前样值是输出的前一样值加上收到的差值，由于在当前差值中包括当前的量化误差，而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差，这就造成了量化误差的积累。因此实用电路为图2.1(b)。这时输入当前样值不是与输入的前一样值相减，而是与输出的前一样值相减，因此在差值中已经包含了前一样值的量化误差的负值，在与输出的前一个样值相加时，这部分量化误差被抵消，只剩下当前的量化误差，这就避免了量化误差的积累。TT量化量化T（a）（b）T图2.1差值脉冲编码2.3预测编码基本原理由于语音信号的相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以，可根据以前课程