數(shù)字電視信號(hào)基礎(chǔ)概念

數(shù)字電視基礎(chǔ) 數(shù)字電視的基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生數(shù)字電視信號(hào)的數(shù)碼率壓縮的可能性 必要性數(shù)字電視信號(hào)的編碼數(shù)字電視信號(hào)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視信號(hào)誤碼控制數(shù)字電視信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字電視技術(shù)是近20年來發(fā)展最快的技術(shù)之一 總體來看 數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)主要階段 第一階段 在20世紀(jì)80年代以前 當(dāng)時(shí)以研究開發(fā)單獨(dú)的局部設(shè)備為主 投入使用的有數(shù)字時(shí)基校正器 DTBC 數(shù)字幀同步機(jī) DFS 數(shù)字特技機(jī) DVE 等 第二階段 是在80年代到90年代 這一階段的特點(diǎn)是開發(fā)成功了數(shù)字整機(jī)電視設(shè)備 如數(shù)字錄像機(jī) 數(shù)字信號(hào)處理攝像機(jī)等 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 第三階段 是在90年代以后 在這一階段 數(shù)字電視技術(shù)已開始從單個(gè)設(shè)備向整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展 一些研究機(jī)構(gòu)提出了全數(shù)字化的數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn) 如歐洲的DVB格式 美國的ATSC格式等 而且數(shù)字電視技術(shù)與高清晰度電視技術(shù)結(jié)合在一起 一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始進(jìn)行數(shù)字電視或數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)的試播 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 什么叫數(shù)字電視 數(shù)字電視有什么好處 所謂數(shù)字電視 就是將模擬電視信號(hào)經(jīng)取樣 量化和編碼后轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)字信號(hào) 然后進(jìn)行各種處理 如編碼 調(diào)制 傳輸 存儲(chǔ)等 采用數(shù)字技術(shù)不僅可以使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬設(shè)備更高的性能 而且還可以實(shí)現(xiàn)模擬技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的新功能 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn) 信號(hào)經(jīng)過多次復(fù)制 轉(zhuǎn)接和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí) 不會(huì)有干擾和失真的積累 信躁比好 抗干擾性能強(qiáng) 圖像質(zhì)量好 數(shù)字電視系統(tǒng)主要由數(shù)字集成電路組成 系統(tǒng)的性能和可靠性可望大幅度提高 它可以實(shí)現(xiàn)模擬電視不易實(shí)現(xiàn)的功能 譬如 時(shí)軸處理 制式轉(zhuǎn)換 特技等功能 它也易于實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的實(shí)時(shí)處理 以完成圖像質(zhì)量的改善 壓縮頻帶 二維濾波等功能 在傳輸中 它易于將圖像信號(hào)和伴音信號(hào)時(shí)分復(fù)用 充分利用數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 6 信號(hào)雜波比和連續(xù)處理的次數(shù)無關(guān) 7 可避免系統(tǒng)的非線性失真的影響 8 數(shù)字設(shè)備輸出信號(hào)穩(wěn)定可靠 9 易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ) 而且存儲(chǔ)時(shí)間與信號(hào)的特性無關(guān) 10 由于采用數(shù)字技術(shù) 與計(jì)算機(jī)配合可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制和調(diào)整 11 數(shù)字技術(shù)可充分利用信道容量 利用電視信號(hào)中行 場消隱時(shí)間 可實(shí)現(xiàn)文字多工廣播 Teletext 數(shù)字電視基礎(chǔ)知識(shí) 12 壓縮后的數(shù)字電視信號(hào)經(jīng)數(shù)字調(diào)制后 在開路廣播時(shí) 可抗多徑干擾 收看到的電視圖像及聲音質(zhì)量非常接近演播室質(zhì)量 13 可以合理地利用各種類型的頻譜資源 14 很容易實(shí)現(xiàn)加密 解密和加擾 解擾技術(shù) 便于增值應(yīng)用 開展各類收費(fèi)業(yè)務(wù) 15 具有可擴(kuò)展性 可分級(jí)性和互操作性 便于在各類通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸 也便于與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通 數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 從攝像機(jī)光電轉(zhuǎn)換后得到的電視信號(hào)都是模擬信號(hào) 將模擬電視信號(hào)變成數(shù)字電視信號(hào)要經(jīng)過模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換過程 模 數(shù)轉(zhuǎn)換包含三個(gè)過程 即取樣 量化及編碼 其中 取樣的目的是將時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào) 量化是將幅度上連續(xù)的取樣值變成幅度上離散的取樣值 而編碼的作用是將離散化的取樣值編成二進(jìn)制數(shù)碼 數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生 將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)稱為模 數(shù) A D 轉(zhuǎn)換 最基本的方法是所謂脈沖編碼調(diào)制 PCM 運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟 抽樣 量化和編碼 抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來代替原來的時(shí)間上連續(xù)的信號(hào) 也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散 其理論基礎(chǔ)是奈奎斯特抽樣定理 數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生 量化是用有限個(gè)幅度近似原來連續(xù)變化的幅度值 把模擬信號(hào)的幅度離散化 編碼則是按照一定的規(guī)律 把量化后的值用數(shù)字表示 然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流 這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過電纜 微波干線 衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸 數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生 在接收端則與上述模擬信號(hào)數(shù)字化過程相反 再經(jīng)過后置濾波又恢復(fù)成原來的模擬信號(hào) 稱為數(shù)模 D A 轉(zhuǎn)換 將輸入的每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其相對應(yīng)的模擬量 各位對應(yīng)的模擬量相加則得到D A轉(zhuǎn)換器的輸出 模擬輸出與數(shù)字量輸入成正比 一般的D A轉(zhuǎn)換器都是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的 圖 數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生 D A轉(zhuǎn)換基本原理 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 根據(jù)電視信號(hào)的特點(diǎn) 其數(shù)字化的方式有兩種 即復(fù)合編碼方式和分量編碼方式 復(fù)合編碼方式 將彩色電視信號(hào)作為一個(gè)整體進(jìn)行取樣 量化和編碼 得到一個(gè)數(shù)字復(fù)合電視信號(hào) 分量編碼方式 對亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行取樣 量化和編碼 得到三個(gè)數(shù)字分量電視信號(hào) 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 復(fù)合編碼的優(yōu)點(diǎn)是碼率低些 設(shè)備較簡單 適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個(gè)數(shù)字設(shè)備的情況 它的缺點(diǎn)是由于數(shù)字電視的取樣頻率必須與彩色副載波頻率保持一定的關(guān)系 而各種制式的副載波頻率各不相同 難以統(tǒng)一 采用復(fù)合編碼時(shí)由取樣頻率和副載波頻率間的差拍造成的干擾將影響圖像的質(zhì)量 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 取樣頻率 在選擇取樣頻率時(shí) 要考慮以下幾個(gè)方面 取樣頻率 fs 必須大于或等于信號(hào)最高頻率 fm 的二倍取樣頻率選取為色副載波的整數(shù)倍 即fs nfsc 這樣可避免取樣信號(hào)與色副載波的高次諧波產(chǎn)生的差拍成分串入視頻信號(hào)中形成網(wǎng)紋干擾 取樣頻率還必須是行頻的整數(shù)倍 這樣才能實(shí)現(xiàn)固定正交取樣結(jié)構(gòu) 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 取樣結(jié)構(gòu) 固定正交結(jié)構(gòu) 固定正交取樣結(jié)構(gòu) 每一行的樣點(diǎn)正好處于前一場和前一行樣點(diǎn)的正下方 而且與前一幀的樣點(diǎn)重合 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 量化 量化過程是把取樣后的信號(hào)幅值歸并到有限個(gè)幅度等級(jí)上 并用一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)來表示 歸并過程使得量化后的信號(hào)幅度與取樣信號(hào)實(shí)際幅度之間有偏差 這稱為量化誤差 量化誤差的存在會(huì)使重現(xiàn)圖像上產(chǎn)生雜波干擾 稱為量化雜波或量化噪聲 為了使量化后的電視信號(hào)具有足夠的信噪比 應(yīng)盡量減小量化誤差 即盡量增加量化級(jí)數(shù) 在電視信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中 如果要保證實(shí)際圖像的量化信噪比大于50dB 則量化級(jí)數(shù)至少應(yīng)為256級(jí) 即量化比特?cái)?shù)為8比特 在有些應(yīng)用場合 量化比特?cái)?shù)可達(dá)10比特或更高 這時(shí)可得到量化信噪比更高的信號(hào) 不過 量化級(jí)數(shù)增加后 量化比特?cái)?shù)也相應(yīng)增加 導(dǎo)致數(shù)碼率的增加 這會(huì)給后續(xù)的信號(hào)處理和傳輸帶來很多困難 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 編碼 編碼過程是將量化后的取樣值用一組二進(jìn)制碼表示 例如 設(shè)量化級(jí)數(shù)為256級(jí) 0 255級(jí) 即8比特量化 若用自然二進(jìn)制碼方式進(jìn)行編碼 則對應(yīng)這256個(gè)量化值 就可用00000000 11111111這一組二進(jìn)制碼表示 經(jīng)過取樣 量化和編碼之后 原模擬電視信號(hào)就變成了由一系列 0 1 組成的數(shù)據(jù)流 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 分量編碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼與制式無關(guān) 分量編碼方式是將亮度信號(hào)和色差信號(hào)分別進(jìn)行取樣 量化和編碼 因此不需考慮色副載波的影響 只要抽樣頻率與行頻有一定的關(guān)系 便于制式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一 而且由于Y R Y B Y 分別編碼 可采用時(shí)分復(fù)用方式 避免亮色互串 可獲得高質(zhì)量的圖像 在分量編碼中 亮度信號(hào)用較高的碼率傳送 兩個(gè)色差信號(hào)的碼率可低一些 但總的碼率比較高 設(shè)備價(jià)格相應(yīng)較貴 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 根據(jù)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)取樣頻率及取樣結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 分量編碼方式可分為4 2 2 4 4 4 4 1 1和4 2 0四種 4 2 2編碼方式 亮度信號(hào)的取樣頻率為13 5MHz 兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率均為6 75MHz 顯然 這種方式下色差信號(hào)的水平分解力是亮度信號(hào)的一半 4 2 2編碼方式廣泛應(yīng)用于演播室節(jié)目制作和傳輸中 數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生 4 4 4編碼方式 亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào) 或R G B信號(hào) 的取樣頻率均為13 5MHz 且取樣結(jié)構(gòu)完全相同 這種方式下 三個(gè)信號(hào)具有相同的水平和垂直分解力 這種方式一般用在對R G B信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的場合 4 1 1編碼方式 亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率分別為13 5MHz 3 375MHz 3 375MHz 因此兩個(gè)色差信號(hào)在垂直方向上的分解力與亮度信號(hào)相同 但在水平方向上的分解力是亮度信號(hào)的1 4 數(shù)字電視信號(hào)的數(shù)碼率 數(shù)碼率 在單位時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)量 在實(shí)時(shí)傳輸情況下 數(shù)碼率等于取樣頻率與量化比特?cái)?shù)的乘積 在數(shù)字電視中 數(shù)碼率的單位通常為Mbps 即兆比特 秒 量化級(jí)數(shù)越多 信躁比越高 但量化級(jí)數(shù)增加后 量化比特?cái)?shù)也相應(yīng)增加 導(dǎo)致數(shù)碼率的增加 這會(huì)給后續(xù)的信號(hào)處理和傳輸帶來很多困難 取樣頻率越高 量化比特?cái)?shù)越大 數(shù)碼率就越高 所需要的傳輸帶寬就越寬 數(shù)字電視信號(hào)的數(shù)碼率 SDTV系統(tǒng)的數(shù)碼率 復(fù)合編碼方式 采用8比特量化時(shí) 數(shù)碼率為 17 72 MHz 8 bit 141 76Mbps采用10比特量化時(shí) 數(shù)碼率為 17 72 MHz 10 bit 177 2Mbps4 2 2分量編碼方式 當(dāng)采用10比特量化時(shí) 亮度信號(hào)的數(shù)碼率為 13 5 MHz 10 bit 135Mbps兩個(gè)色差信號(hào)的數(shù)碼率為 2 6 75 MHz 10 bit 135Mbps所以總的數(shù)碼率為 亮度信號(hào)數(shù)碼率 色差信號(hào)數(shù)碼率 270Mbps 數(shù)字電視信號(hào)的數(shù)碼率 HDTV系統(tǒng)的數(shù)碼率 4 2 2分量編碼方式 采用10比特量化時(shí) 亮度信號(hào)的數(shù)碼率為 74 25 MHz 10 bit 742 5Mbps兩個(gè)色差信號(hào)的數(shù)碼率為 2 37 125 MHz 10 bit 742 5Mbps所以總的數(shù)碼率為 亮度信號(hào)數(shù)碼率 色差信號(hào)數(shù)碼率 1485Mbps 壓縮的可能性 必要性 數(shù)字電視信號(hào)為什么要壓縮 電視信號(hào)數(shù)字化后有很多優(yōu)點(diǎn) 但同時(shí)也有一個(gè)缺點(diǎn) 即數(shù)碼率很高 例如4 2 2編碼 8比特量化的SDTV信號(hào)數(shù)碼率為216Mbps 則傳輸這樣一路數(shù)字電視信號(hào)需要有108MHz的通道帶寬 而對于10比特量化的HDTV信號(hào)來說 其數(shù)碼率達(dá)到1485Mbps 所需的傳輸通道帶寬高達(dá)742 5MHz 因此 若不采取措施 這樣的信號(hào)無法在一般的通道中傳輸 更無法在現(xiàn)有電視的6MHz帶寬中傳輸 壓縮的可能性 必要性 數(shù)據(jù)量非常大之后 除了信號(hào)傳輸有問題外 信號(hào)的存貯也有問題 在4 2 2編碼 8比特量化情況下 一幀SDTV圖像的數(shù)據(jù)量約為8 6Mb 要記錄10分鐘的電視節(jié)目就需要130Gb的存儲(chǔ)器容量 記錄10分鐘HDTV的節(jié)目需要891Gb的存儲(chǔ)器容量 可見 若不壓縮數(shù)據(jù)量 就無法在普通的存儲(chǔ)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的存儲(chǔ) 要實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的有效存儲(chǔ)和傳輸 就需要采取措施降低其數(shù)據(jù)量和數(shù)碼率 也就是說要設(shè)法對數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行壓縮 通常將這一過程稱為信源編碼 壓縮的可能性 必要性 壓縮的可能性 電視信號(hào)壓縮的目的是減小數(shù)據(jù)量 降低信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)碼率 壓縮過程實(shí)際上就是去除圖像中那些與信息無關(guān)或?qū)D像質(zhì)量影響不大的部分 即冗余部分 根據(jù)電視信號(hào)的特點(diǎn)及人眼的視覺特性 電視信號(hào)中存在很多的冗余部分 去除圖像中那些與信息無關(guān)或?qū)D像質(zhì)量影響不大的部分 這就為圖像壓縮提供了可能性 電視信號(hào)的冗余性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 時(shí)間和空間相關(guān)冗余 視覺冗余 熵冗余 電視信號(hào)的冗余表現(xiàn)在以下幾個(gè)部分 壓縮的可能性 必要性 空間相關(guān)性 對于大多數(shù)電視圖像來說 相鄰像素之間 相鄰行之間圖像內(nèi)容變化很小 即具有很大的相關(guān)性 或稱相似性 這種相關(guān)性稱為電視信號(hào)的空間相關(guān)性或幀內(nèi)相關(guān)性 時(shí)間相關(guān)性 電視信號(hào)是利用人眼的視覺特性 借助于快速傳送相關(guān)畫面的方式來再現(xiàn)活動(dòng)畫面的 因此在相鄰場或幀的對應(yīng)像素間也存在很強(qiáng)的相關(guān)性 稱之為時(shí)間相關(guān)性或幀間相關(guān)性 時(shí)間和空間相關(guān)性造成了電視信號(hào)的冗余 減少這些冗余就可以實(shí)現(xiàn)圖像壓縮 壓縮的可能性 必要性 人眼的視覺效果是圖像質(zhì)量的最直接也是最終的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 對于人眼難以識(shí)別的數(shù)據(jù)或?qū)σ曈X效果影響甚微的數(shù)據(jù) 都可認(rèn)為是多余的數(shù)據(jù) 可以省去 這些多余部分就是視覺冗余 例如 通過對人眼視覺特性的研究 發(fā)現(xiàn)人眼對靜止或緩慢運(yùn)動(dòng)圖像的灰度等級(jí)及圖像細(xì)節(jié)的分辨力很高 而對快速運(yùn)動(dòng)圖像的灰度等級(jí)及圖像細(xì)節(jié)的分辨力卻較低 人眼在觀察大面積像塊時(shí) 對灰度等級(jí)分辨力很高 而對輪廓細(xì)節(jié)的分辨力則較低 這些說明人眼接收綜合信息的速率有限 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 數(shù)字電視信號(hào)經(jīng)壓縮后可大大降低數(shù)碼率 所要求的傳輸帶寬也隨之降低 壓縮后的一路數(shù)字電視信號(hào)可在通常的模擬電視頻道內(nèi)傳輸 而且還可在一個(gè)頻道內(nèi)傳輸多套 4 6套 數(shù)字電視節(jié)目 因此 信源壓縮編碼為數(shù)字電視信號(hào)的傳輸提供了可能性 如上所述 電視信號(hào)存在多方面的冗余性 因此壓縮時(shí)采用的編碼方式也有多種多樣 這些方式可從不同角度進(jìn)行分類編碼 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 無損壓縮編碼 也稱可逆壓縮編碼或信息保持編碼 采用這種編碼方式可使接收端解碼后的信息量與發(fā)送端原信息量完全相同 因此再現(xiàn)的圖像也與原圖像嚴(yán)格一致 也即壓縮后的圖像完全可以恢復(fù)或無損傷 有損壓縮編碼 這種方法在編碼過程中會(huì)損失一部分信息 因此接收端解碼后再現(xiàn)的圖像質(zhì)量會(huì)比原圖像質(zhì)量有所降低 即壓縮后圖像有損傷 不能完全恢復(fù) 但如果視覺上能夠接受甚至覺察不出質(zhì)量的降低 則這種壓縮就是可行的 這種壓縮主要以消去視覺冗余信息為前提 可根據(jù)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來選定數(shù)據(jù)壓縮的程度 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 幀間壓縮編碼 又稱時(shí)間冗余壓縮編碼 此方式在相鄰幀之間進(jìn)行 它利用了電視圖像信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性來消除相鄰幀之間的冗余信息 這種方式對于靜止圖像或緩慢運(yùn)動(dòng)圖像有很強(qiáng)的壓縮能力 但對于快速運(yùn)動(dòng)圖像 由于其時(shí)間相關(guān)性降低 因此壓縮能力也相應(yīng)減弱 幀內(nèi)壓縮編碼 又稱空間冗余壓縮編碼 這種編碼方式是在一幀 或一場 內(nèi)進(jìn)行的 它利用了電視圖像信號(hào)的空間相關(guān)性來消除一幀 或一場 內(nèi)圖像的冗余信息 在畫面細(xì)節(jié)較少的情況下 這種方式可實(shí)現(xiàn)較大的數(shù)碼率壓縮 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 預(yù)測編碼 預(yù)測編碼的目的是消除圖像信息的空間相關(guān)性 幀內(nèi)預(yù)測 和時(shí)間相關(guān)性 幀間預(yù)測 編碼時(shí)可從不同區(qū)域選取參與預(yù)測的像素 如果只選取前一個(gè)像素來預(yù)測當(dāng)前像素 稱為前值預(yù)測 若選取同一行內(nèi)前幾個(gè)像素來預(yù)測當(dāng)前像素 稱為一維預(yù)測 若選取同一行及上一行內(nèi)若干個(gè)像素來預(yù)測當(dāng)前像素 稱為二維預(yù)測 上述幾種預(yù)測方式都屬于幀內(nèi)預(yù)測 如果除了選取同一行及上一行內(nèi)相鄰像素外 還選取上一幀相關(guān)位置上的像素來預(yù)測當(dāng)前像素 則稱為三維預(yù)測 也即幀間預(yù)測 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 變換編碼 變換編碼是利用圖像在空間分布上的規(guī)律性來消除圖像冗余的另一種編碼方式 它將原來在空間域內(nèi)描述的圖像信號(hào)利用數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成在另一變換域內(nèi)描述的信號(hào) 在空間上相關(guān)性很強(qiáng)的圖像信號(hào)在變換域上表現(xiàn)為在某些特定區(qū)域內(nèi)能量很集中 即變換系數(shù)矩陣具有某種規(guī)律性 利用這一規(guī)律性即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的 數(shù)字電視信號(hào)的壓縮編碼 熵編碼 熵編碼是一種無損壓縮編碼方式 若信源熵小于平均碼長 則存在熵冗余 熵編碼的目的就是去除熵冗余 使平均碼長接近熵值 從而實(shí)現(xiàn)壓縮碼率 熵編碼的基本思想是對出現(xiàn)概論大的符號(hào) 攜帶較少的信息量 用短的碼字編碼 對出現(xiàn)概論小的符號(hào) 攜帶較多的信息量 用長的碼字編碼 這樣可使對不同符號(hào)編碼的平均碼長接近于信源熵 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字視頻信號(hào)格式種類繁多 按信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分SDTV標(biāo)準(zhǔn)清晰度 HDTV高清晰度 按掃描行數(shù)區(qū)分有525行 625行 1125行 1250行等 按掃描方式區(qū)分有逐行掃描和隔行掃描等 SDTV 一般是指對傳統(tǒng)的模擬電視 如NTSC PAL等 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后得到的信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視系統(tǒng)具有和模擬電視系統(tǒng)相同或相似的掃描格式和參數(shù) HDTV 是新一代的電視系統(tǒng) 其性能和指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視 掃描格式及參數(shù)也完全不同于傳統(tǒng)的模擬電視系統(tǒng) 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG標(biāo)準(zhǔn) JPEG是聯(lián)合圖片專家組 JointPhotographicExpertsGroup 的簡稱 此方案于1992年被正式批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn) 成為現(xiàn)在的JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG的基本算法是 首先將一幅靜止圖像分成若干個(gè)8 8的象素塊 對每一個(gè)象素塊進(jìn)行DCT變換和系數(shù)量化 并利用Z形掃描形成一維量化系數(shù)序列 然后對每一象素塊的直流系數(shù)進(jìn)行差值脈沖編碼 DPCM 即對本象素塊直流系數(shù)與前一象素塊直流系數(shù)的差值進(jìn)行無損編碼 而對交流系數(shù)進(jìn)行有損的游程編碼 RLC 并在最后加上塊結(jié)束碼 EOB 最后對直流差值碼和交流游程碼再進(jìn)行可變字長的霍夫曼 Huffman 編碼 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG是活動(dòng)圖像專家組 MovingPictureExpertGroup 的簡稱 成立于1988年 負(fù)責(zé)制定視頻及其伴音的編碼標(biāo)準(zhǔn) 該組織于1990年9月完成了視頻算法的定義 于1991年11月提出了編碼的建議草案 主要用于活動(dòng)圖像及其伴音壓縮標(biāo)準(zhǔn) 比特率為1 5Mbps 這一草案于1992年下半年被正式批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字電視的格式 壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG1的輸入信號(hào)格式為SIF格式的視頻及其伴音 采用逐行掃描方式 速率為1 5Mbps 主要應(yīng)用于交互式多媒體系統(tǒng)中 MPEG1在1 2Mbps速率下壓縮 解壓縮SIF格式 視頻質(zhì)量可以和用VHS錄象機(jī)記錄的模擬視頻的質(zhì)量相媲美 在我國較為普及的VCD采用的就是MPEG1壓縮標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)用范圍 應(yīng)用MPEG 1技術(shù)最成功的產(chǎn)品非VCD莫屬了 VCD作為價(jià)格低廉的影像播放設(shè)備 得到廣泛的應(yīng)用和普及 MPEG 1也被用于數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸 如非對稱數(shù)字用戶線路 ADSL 視頻點(diǎn)播 VOD 以及教育網(wǎng)絡(luò)等 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG2是1994年公布的另一視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) 主要用于數(shù)字電視 實(shí)際上 MPEG2是MPEG1的兼容擴(kuò)展 可廣泛用于各種速率 2 20Mbps 和各種分辨率的情況 而且可接受隔行掃描的輸入信號(hào) MPEG2的基本算法也是基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測和帶有DCT的幀間內(nèi)插編碼 與MPEG1的主要區(qū)別是 MPEG2支持場預(yù)測和幀預(yù)測 允許4 2 2和4 4 4色度再取樣等 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)特點(diǎn) MPEG 2制定于1994年 設(shè)計(jì)目標(biāo)是高級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量以及更高的傳輸率 MPEG 2所能提供的傳輸率在3MB 10MB s間 在NTSC制式下的分辨率可達(dá)720 486 MPEG 2能夠提供廣播級(jí)的視像和CD級(jí)的音質(zhì) MPEG 2的音頻編碼可提供左右中及兩個(gè)環(huán)繞聲道 以及一個(gè)加重低音聲道和多達(dá)七個(gè)伴音聲道 MPEG 2的另一特點(diǎn)是 可提供一個(gè)較廣范圍的可變壓縮比 以適應(yīng)不同的畫面質(zhì)量 存儲(chǔ)容量以及帶寬的要求 應(yīng)用范圍 MPEG 2技術(shù)是DVD的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) 現(xiàn)在DVD播放器也開始在家庭中普及起來了 除了作為DVD的指定標(biāo)準(zhǔn)外 MPEG 2還可用于為廣播 有線電視網(wǎng) 電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播提供廣播級(jí)的數(shù)字視頻 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG 2的編碼圖像被分為三類 分別稱為I幀 P幀和B幀 I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式 即只利用了單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性 而沒有利用時(shí)間相關(guān)性 P幀和B幀圖像采用幀間編碼方式 即同時(shí)利用了空間和時(shí)間上的相關(guān)性 P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測 可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量 P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分 即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測 也可以是幀內(nèi)編碼 B幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測 可以大大提高壓縮倍數(shù) 為更好地表示編碼數(shù)據(jù) MPEG 2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu) 它的編碼碼流分為六層 自上到下分別是 圖像序列層 圖像組 GOP 圖像 宏塊條 宏塊 塊 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG2的一個(gè)主要特點(diǎn)是有多種描述格式 它包含很多類 Profile 和級(jí) Level 其中 級(jí) 指的是輸入信號(hào)的格式 MPEG2有四種輸入信號(hào)格式 即有四級(jí) 最低級(jí)與MPEG1的輸入信號(hào)格式相同 為SIF格式 最高級(jí)為HDTV信號(hào)格式 主級(jí) 即典型的輸入信號(hào)格式 為ITU R601規(guī)定的數(shù)字電視信號(hào)格式 類 指的是不同的處理方法 MPEG2共有五類 每一類都包括壓縮和使用方法的一個(gè)集合 不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具 類越高則編碼越精細(xì) 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) 由于MPEG 2的出色性能表現(xiàn) 已能適用于HDTV 高清晰度電視 使得原打算為HDTV設(shè)計(jì)的MPEG 3 還沒出世就被拋棄了 MPEG4是MPEG專家組于1994年開始制定 并于1998年11月得到批準(zhǔn)的一個(gè)新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) 其主要目的是提高多媒體業(yè)務(wù)的交互性 與MPEG1和MPEG2所不同的是 MPEG4標(biāo)準(zhǔn)是對圖像中的某個(gè)內(nèi)容進(jìn)行編碼 其具體的編碼對象就是圖像中的音頻和視頻對象 稱為AV對象 因此 MPEG4標(biāo)準(zhǔn)就是圍繞著AV對象的編碼 存儲(chǔ) 傳輸和組合而制定的 數(shù)字電視的壓縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG4標(biāo)準(zhǔn)支持多種輸入視頻格式 亮度空間分辨率可以是8 8到2048 2048之間的任一格式 色度空間可以是單色 Y Cr Cb加上一個(gè)Alpha通道 或是R G B 取樣格式可為4 0 0 4 2 0 4 2 2和4 4 4 還可支持逐行和隔行掃描 MPEG4的視頻編碼主要由兩個(gè)部分組成 即形狀編碼和傳統(tǒng)的紋理 運(yùn)動(dòng)信息編碼 其中紋理編碼 運(yùn)動(dòng)預(yù)測和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償部分在原理上與以前的MPEG標(biāo)準(zhǔn)基本一致 而形狀編碼則是第一次引入到視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中 能夠表示AV對象形狀的信息有兩類 即二值形狀信息和灰度信息 另外 MPEG4還提出了分級(jí)編碼的概念 它對系統(tǒng)在時(shí)間 空間及質(zhì)量方面提供了一定的伸縮性 使解碼系統(tǒng)可按具體的信道帶寬 系統(tǒng)處理能力 顯示能力及用戶需求進(jìn)行多分辨率的解碼 數(shù)字信號(hào)誤碼控制 誤碼控制的必要性 在傳輸過程中 由于信道特性不理想以及內(nèi)外雜波的影響等原因 使接收到的數(shù)字信號(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤 即誤碼 從而造成信息失真 另外 經(jīng)過高倍壓縮之后的數(shù)字電視信號(hào)對傳輸干擾變得非常敏感 嚴(yán)重時(shí)甚至完全解碼不出正確的數(shù)據(jù) 表現(xiàn)為圖像和聲音的重現(xiàn)徹底崩潰 定性來說 壓縮倍數(shù)越高 數(shù)字電視對傳輸干擾的抵抗能力越弱 因此對傳輸可靠性的要求也就越高 數(shù)字信號(hào)誤碼控制 誤碼控制基本原理 誤碼控制是通過特定的糾錯(cuò)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 糾錯(cuò)編碼利用數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算這一特點(diǎn) 將若干個(gè)數(shù)字信號(hào)組成一個(gè)碼組 按照某種運(yùn)算法則進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算 然后將運(yùn)算結(jié)果 也是數(shù)字信號(hào) 附加在碼組后面一起傳送給接收機(jī) 由于每個(gè)信號(hào)碼組與它們的運(yùn)算結(jié)果之間保持著一定的關(guān)系 所以如果傳輸過程中發(fā)生了錯(cuò)誤 這種運(yùn)算關(guān)系就會(huì)遭到破壞 接收端按照規(guī)定的運(yùn)算法則對接收到的每個(gè)信號(hào)碼組及其運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行檢查 如符合運(yùn)算關(guān)系 則認(rèn)為信號(hào)中沒有誤碼 如不符合運(yùn)算關(guān)系 則說明發(fā)生了誤碼 糾錯(cuò)編碼一般可分為前向糾錯(cuò)和后向糾錯(cuò)兩類方法 數(shù)字信號(hào)誤碼控制 前向糾錯(cuò)是使信源代碼本身包含檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力 當(dāng)接收端檢測出誤碼后 可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行糾錯(cuò) 這種編碼一般稱為FEC 前向誤碼控制編碼 在數(shù)字電視中普遍采用 后向糾錯(cuò)是當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)有誤碼時(shí) 立即通過反饋信道請求發(fā)送端重發(fā) 這種方式稱為反饋重發(fā) 在點(diǎn)對點(diǎn)的交互通信中可以采用 而在點(diǎn)對面且實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的單向廣播中顯然不適用 還有一種掩錯(cuò)方式 由于電視信號(hào)具有空間和時(shí)間相關(guān)性 故當(dāng)誤碼范圍過大而接收端無法糾正時(shí) 可以利用前面已接收 存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)來代替 這與反饋重發(fā)類似 這就是我們經(jīng)?？吹降?馬賽克 現(xiàn)象 數(shù)字信號(hào)誤碼控制 數(shù)字電視調(diào)制方式 數(shù)字電視的調(diào)制方式 正交振幅調(diào)制 QAM 調(diào)制效率高 要求傳送途徑的信噪比高 適合有線電視電纜傳輸 鍵控移相調(diào)制 QPSK 調(diào)制效率高 要求傳送途徑的信噪比低 適合衛(wèi)星廣播 殘留邊帶調(diào)制 VSB 抗多徑傳播效應(yīng)好 即消除重影效果好 適合地面廣播 編碼正交頻分調(diào)制 COFDM 抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好 適合地面廣播和同頻網(wǎng)廣播 數(shù)字電視信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)主要指地面 有線和衛(wèi)星三大數(shù)字電視廣播傳輸網(wǎng)絡(luò) 目前 數(shù)字電視傳輸有三大標(biāo)準(zhǔn) 即美國的ATSC 歐洲的DVB和日本的ISDB三種不同的標(biāo)準(zhǔn) ATSC的英文全稱是AdvancedTelevisionSystemsCommittee 美國高級(jí)電視業(yè)務(wù)顧問委員會(huì) 該委員會(huì)于1995年9月15日正式通過ATSC數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn) ATSC制信源編碼采用MPEG 2視頻壓縮和AC 3音頻壓縮 信道編碼采用VSB調(diào)制 提供了兩種模式 地面廣播模式 8VSB 和高數(shù)據(jù)率模式 16VSB 隨著多媒體傳輸業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展 為