數(shù)字化電視原理

1、LOGOLOGO數(shù)字化電視原理數(shù)字化電視原理 電子工程學院電子工程學院2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYContents第一章第一章 數(shù)字壓縮技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)數(shù)字壓縮技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展v 2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYContents 電視的發(fā)展歷程電視的發(fā)展歷程1模擬信號的數(shù)字化處理模擬信號的數(shù)字化處理2 數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理3模擬電視與數(shù)字電視模擬電視與數(shù)字電視4數(shù)字化電視數(shù)字化電視5v1.1 1.1 電視的發(fā)展歷程電視的發(fā)展歷程vA A 電視誕生電視誕

2、生電視是以電的方法即時傳送活動圖像和伴音的技電視是以電的方法即時傳送活動圖像和伴音的技術(shù)。術(shù)。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY基本過程：基本過程：在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號。在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號。加工、處理并進行電傳輸。加工、處理并進行電傳輸。在接收端把收到的電信號逆變成原來景物的圖像。在接收端把收到的電信號逆變成原來景物的圖像。那么如何那么如何在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)電信號的傳輸呢？應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)電信號的傳輸呢？ 2022-3-11XIDIAN UNIVERSI

3、TYv1 1 機械式圓盤掃描機械式圓盤掃描v18841884年，德國發(fā)明家保羅年，德國發(fā)明家保羅尼普科夫設(shè)計了尼普尼普科夫設(shè)計了尼普科夫圓盤科夫圓盤v尼普科夫圓盤的思想：尼普科夫圓盤的思想：v（1 1）圖像分解：圖像分解為一個個像素）圖像分解：圖像分解為一個個像素2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY對于一幅圖像而言，實際上它是由許多小的單元所租成的。對于一幅圖像而言，實際上它是由許多小的單元所租成的。我們把構(gòu)成圖像的基本單元稱為像素。像素越小，單位面積我們把構(gòu)成圖像的基本單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素點數(shù)目就越多，分辨率就越高。上的像素點數(shù)目就越多，分辨率就越高。20

4、22-3-11XIDIAN UNIVERSITYv（2）像素的傳送）像素的傳送2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv2 2 電子式電視電子式電視隨著光電攝像管、電子掃描系統(tǒng)和電子束顯像管隨著光電攝像管、電子掃描系統(tǒng)和電子束顯像管的發(fā)明與完善，電子式電視取代了機械式電視。的發(fā)明與完善，電子式電視取代了機械式電視。3 3 彩色電視彩色電視1 1）彩色電視定義）彩色電視定義攝取、傳送、接收彩色圖像的電視系統(tǒng)。攝取、傳送、接收彩色圖像的電視系統(tǒng)。A A 三基色原理三基色原理三基色？三基色？ R G B R G B 一切色彩可由三基色光

5、混合而成。一切色彩可由三基色光混合而成。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYvB B 彩色電視制式彩色電視制式 彩色電視制式的制定依據(jù)？彩色電視制式的制定依據(jù)？ 依據(jù)：色度信號的編碼方法依據(jù)：色度信號的編碼方法三大制式三大制式: :(1) NTSC(1) NTSC（N N制，美國國家電視制式委員會）制，美國國家電視制式委員會）(2) SECAM(2) SECAM(順序傳送色彩與存儲順序傳送色彩與存儲) )(3) PAL(P(3) PAL(P制，逐行倒相制，逐行倒相) )我國：我國： PAL-DPAL-D2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYvC C 黑白電視體制黑

6、白電視體制 彩色電視的體制以黑白電視體制為基礎(chǔ)。彩色電視的體制以黑白電視體制為基礎(chǔ)。 體制的概念內(nèi)涵：體制的概念內(nèi)涵： 掃描方式、每幀行數(shù)、行幀、場幀、視頻帶寬掃描方式、每幀行數(shù)、行幀、場幀、視頻帶寬2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv1.2 1.2 模擬信號的數(shù)字化處理模擬信號的數(shù)字化處理A A 模擬信號：時間、幅度模擬信號：時間、幅度 連續(xù)連續(xù)B B 數(shù)字信號：時間、幅度數(shù)字信號：時間、幅度 離散離散那么數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在動態(tài)、非線性失真影那么數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在動態(tài)、非線性失真影響等方面的改善。響等方面的改善。C C 模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號如何實

7、現(xiàn)？如何實現(xiàn)？2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv采樣、量化、編碼采樣、量化、編碼（1）采樣）采樣 采樣定理采樣定理2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv（2 2）量化（均勻量化）量化（均勻量化） 最大量化誤差？最大量化誤差？2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY8 8位量化位量化 7 7位量化位量化2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY6 6位量化位量化 4 4位量化位量化2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv(3)(3)編碼編碼定義定義 ：用：用n n位位2 2

8、進制碼表示采樣信號的量化值。進制碼表示采樣信號的量化值。采樣、量化、編碼這樣一個處理流程稱為采樣、量化、編碼這樣一個處理流程稱為脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv1.3 1.3 數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理1 1 壓縮的必要性壓縮的必要性 攝像機輸出的攝像機輸出的RGBRGB信號通過矩陣變換得到信號通過矩陣變換得到Y(jié),CY,CB B和和C CR R信號信號 降低色度分辨率為降低色度分辨率為4:2:24:2:2格式格式 PALPAL按照按照CCIR.601CCIR.601，信號

9、碼率信號碼率216Mbit/s216Mbit/s 通過通過MPEGMPEG視頻壓縮過程，必須壓縮到視頻壓縮過程，必須壓縮到6Mbit/s6Mbit/s，壓縮比壓縮比3636。 數(shù)字數(shù)字SDTVSDTV視頻信號數(shù)碼率視頻信號數(shù)碼率270270Mbit/sMbit/s，必須壓縮到必須壓縮到2 26 6Mbit/sMbit/s才能用于廣播傳輸。才能用于廣播傳輸。 數(shù)字數(shù)字HDTVHDTV視頻信號數(shù)碼率視頻信號數(shù)碼率1.188Gbit/s1.188Gbit/s，必須壓縮到必須壓縮到2 26(15) 6(15) Mbit/sMbit/s才能用于廣播傳輸。才能用于廣播傳輸。2022-3-11XIDIAN

10、UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY冗余度消除冗余度消除多余信息：碼流中多次存在，或沒有信息量，或在接收端可通過數(shù)學方法無失真恢復。無損壓縮無損壓縮2 2 圖像數(shù)據(jù)因何可以實現(xiàn)壓縮圖像數(shù)據(jù)因何可以實現(xiàn)壓縮不相關(guān)性消除不相關(guān)性消除不必要信息：人眼無法察覺的信息。人眼的彩色視覺細胞遠遠少于亮度視覺細胞，因此色度分辨率可以降低，色度信號帶寬可以減少。人眼不能辨別圖像中過于精細結(jié)構(gòu)和粗結(jié)構(gòu)。不能復原的有損過程不能復原的有損過程 v3 3 分類：分類： 無損壓縮和有損壓縮無損壓縮和有損壓縮. . 無損壓縮：無損壓縮： VLCVLC游程編碼游程編碼 霍夫曼編碼：使用頻率

11、高的字母用短碼，使用頻率低霍夫曼編碼：使用頻率高的字母用短碼，使用頻率低的字母用長碼。的字母用長碼。有損壓縮：有損壓縮：離散余弦變換離散余弦變換2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY -10-8-6-4-20246810v4 4 靜止圖像壓縮標準編碼方法靜止圖像壓縮標準編碼方法JPEGJPEGJoint Photo-graphic Experts GroupJoint Photo-graphic Experts Group（1 1）國際標準化組織）國際標準化組織 （2 2）國際電報電話咨詢委員會）國際電報電話咨詢委員會（3 3）

12、國際電工委員會）國際電工委員會適用范圍：彩色和單色多灰度靜止數(shù)字圖像的壓適用范圍：彩色和單色多灰度靜止數(shù)字圖像的壓縮?？s。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYA A 混合編碼方式混合編碼方式 B B 有損壓縮和無損壓縮方法結(jié)合有損壓縮和無損壓縮方法結(jié)合C C 基本算法流程基本算法流程1 1）顏色空間轉(zhuǎn)換）顏色空間轉(zhuǎn)換 （色彩作為獨立的部分處理）（色彩作為獨立的部分處理）2 2）DCTDCT3 3）量化）量化4 4）差分編碼）差分編碼5 5）Z Z字形掃描字形掃描 游程編碼游程編碼6 6）熵編碼）熵編碼 HuffmanHuffman編碼編碼2022-3-11XIDIAN UNIV

13、ERSITY29v 對視頻幀一行中對視頻幀一行中8 8個象素的時域電壓值進行個象素的時域電壓值進行DCTDCT得到頻得到頻域的域的8 8個系數(shù)，依次為直流個系數(shù)，依次為直流DCDC系數(shù)、低頻、中頻和高系數(shù)、低頻、中頻和高頻系數(shù)（視頻信號能量）。頻系數(shù)（視頻信號能量）。v 根據(jù)人眼視覺特性，根據(jù)人眼視覺特性，DCTDCT系數(shù)在頻域進行量化，除以系數(shù)在頻域進行量化，除以某個量化因子。某個量化因子。v 量化因子越大，量化越粗。對較平滑圖象，量化因子量化因子越大，量化越粗。對較平滑圖象，量化因子改變不大或根本不變；而對細節(jié)豐富圖象，量化因子改變不大或根本不變；而對細節(jié)豐富圖象，量化因子隨著頻率增高而變

14、大。隨著頻率增高而變大。v 量化后很多系數(shù)變?yōu)榱炕蠛芏嘞禂?shù)變?yōu)? 0，尤其對高頻系數(shù)而言。，尤其對高頻系數(shù)而言。5、DCT和量化和量化v JPEGJPEG和和MPEGMPEG中采用二維變換編中采用二維變換編碼。碼。v 圖象先被分成圖象先被分成8x88x8象素塊，再通象素塊，再通過二維過二維DCTDCT變換到頻域。變換到頻域。v 為得到帶符號值，在做二維為得到帶符號值，在做二維DCTDCT之前，所有象素值先減去之前，所有象素值先減去128128。v DCTDCT后即量化，除以合適的量化后即量化，除以合適的量化步長步長183198 220 239 244 236 222211198 209 22

15、2 231 229 215 198186144 154 170 184 190 190 185180162 164 166 167 165 161 157154195 191 185 180 178 178 179181174 168 161 156 160 170 183192174 160 138 119 112 115 125133152 138 119 105 104 115 1331468X8象素塊f(x,y)二維DCT減去128557092 111 116 108 94 83708194 103 1018770 5816814256626257 5234363839373329 2

16、667635752505051 5346403328324255 644632109 1613 3524109 23241351813840000000216369900000000000009900000000000000058000000006000000000000001F(v,u)=DCT(f(x,y)173000000061200000000000002000000000000000100000000100000000000000816 19 22 2627 29 3416 16 22 24 2729 34 3719 22 26 27 2934 34 3822 22 26 27 29

17、34 37 4022 26 27 29 3235 40 4826 27 29 32 3540 48 5826 27 29 34 3846 56 6927 29 35 38 4656 69 83QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用3031v 8x88x8象素塊做二維象素塊做二維DCTDCT后得到頻域中的后得到頻域中的8x88x8數(shù)組數(shù)組: : 第一個系數(shù)是第一個系數(shù)是DCDC系數(shù)，對應(yīng)整個塊的直流分量。系數(shù)，對應(yīng)整個塊的直流分量。 第二

18、個系數(shù)對應(yīng)水平方向最粗圖象結(jié)構(gòu)的能量。第二個系數(shù)對應(yīng)水平方向最粗圖象結(jié)構(gòu)的能量。 第一行最后一個系數(shù)對應(yīng)水平方向最精細圖象結(jié)構(gòu)第一行最后一個系數(shù)對應(yīng)水平方向最精細圖象結(jié)構(gòu)的能量。的能量。 第一列從上到下對應(yīng)垂直方向最粗到最細圖象結(jié)構(gòu)第一列從上到下對應(yīng)垂直方向最粗到最細圖象結(jié)構(gòu)的能量。的能量。 對角線上系數(shù)對應(yīng)對角線方向從粗到細圖象結(jié)構(gòu)的對角線上系數(shù)對應(yīng)對角線方向從粗到細圖象結(jié)構(gòu)的能量。能量。MPEG-2視頻編碼及其測量, class 0332數(shù)字電視原理與應(yīng)用v 量化量化DCTDCT系數(shù)進行系數(shù)進行Z Z掃描之后，使得連掃描之后，使得連0 0數(shù)目最大。數(shù)目最大。v 碼流中不傳這些連續(xù)碼流中不傳

19、這些連續(xù)0 0系數(shù)，而是通過游程編碼只傳連系數(shù)，而是通過游程編碼只傳連0 0的個數(shù)，的個數(shù)，v Z Z掃描和游程編碼，與掃描和游程編碼，與DCTDCT和量化相配合，是和量化相配合，是MPEG-2MPEG-2高壓縮比的主高壓縮比的主要因素。要因素。Z掃描和游程編碼掃描和游程編碼Z掃描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173, 6,2*0,-1,1*0,2, 1*0,-2, 6*0,-1,13*0,-1,34*0RLC17300000006120000000000000200000000000

20、000010000000010000000000000033v 游程編碼后的碼流再進行霍夫曼編碼。游程編碼后的碼流再進行霍夫曼編碼。v 出現(xiàn)頻率高的碼字編碼為短碼，出現(xiàn)頻率低的碼字編碼出現(xiàn)頻率高的碼字編碼為短碼，出現(xiàn)頻率低的碼字編碼為長碼。為長碼。v 進一步冗余度消除，無損過程。進一步冗余度消除，無損過程?；舴蚵幋a霍夫曼編碼DCcoefficient173, 6,2*0,-1,1*0,2, 1*0,-2, 6*0,-1,13*0,-1,34*0 Huffman Huffman編碼編碼Huffman code table2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv相同之處：游程編碼相

21、同之處：游程編碼v TIF 40K JPG 10KTIF 40K JPG 10K2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv5 MPEG (5 MPEG (活動圖像壓縮標準活動圖像壓縮標準) ) 活動圖像專家組活動圖像專家組（Moving Picture Expert GroupMoving Picture Expert Group）A A 任務(wù)：開發(fā)運動圖像及其聲音的數(shù)字編碼標準任務(wù)：開發(fā)運動圖像及其聲音的數(shù)字編碼標準B B 標準：標準：MPEG-1: 1.5Mb/s MPEG-1: 1.5Mb/s MPEG-2: 10Mb/s MPEG-2: 10Mb/s 2022-3-11XI

22、DIAN UNIVERSITYv MPEG-1: MPEG-1: 一一 MPEG-1MPEG-1的提出的提出為為CD-ROMCD-ROM的視頻存儲和放像所制定的視頻存儲和放像所制定二二 適用圖像：適用圖像：360360* *288 24-30288 24-30幀幀/s /s 運動圖像運動圖像三三 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： CD-ROM CD-ROM 硬盤硬盤 VCD VCD 數(shù)字音頻磁帶數(shù)字音頻磁帶（2 2）MPEG-2:MPEG-2:一一 MPEG-2MPEG-2的提出的提出提供數(shù)字音頻提供數(shù)字音頻- -視頻服務(wù)和應(yīng)用的國際標準。視頻服務(wù)和應(yīng)用的國際標準。二二 適用圖像：適用圖像：720720*

23、 *480 30480 30幀幀/s/s 1440 1440* *1152 HDTV1152 HDTV2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv 6 MPEG6 MPEG視頻壓縮方法視頻壓縮方法以以MPEG-1MPEG-1為例：為例：壓縮方法：幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮方法結(jié)合壓縮方法：幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮方法結(jié)合（1 1）幀內(nèi)壓縮：）幀內(nèi)壓縮： JPEGJPEG（2 2）幀間壓縮）幀間壓縮依據(jù)依據(jù): :相鄰畫面之間，活動部分的畫面內(nèi)容是相關(guān)的，其相鄰畫面之間，活動部分的畫面內(nèi)容是相關(guān)的，其運動具有連續(xù)性。運動具有連續(xù)性。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY預測需要什么信息？

24、預測需要什么信息？1 1 已知幀內(nèi)畫面中的宏塊已知幀內(nèi)畫面中的宏塊2 2 運動補償矢量運動補償矢量運動補償矢量的估計？運動補償矢量的估計？2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv 運動估計運動估計得到運動向量過程：得到運動向量過程： 對當前要編碼幀的宏塊，在前面的參考幀（對當前要編碼幀的宏塊，在前面的參考幀（P P幀）中搜索最佳幀）中搜索最佳匹配宏塊。匹配宏塊。 在當前宏塊周圍的搜索窗內(nèi)的塊匹配在當前宏塊周圍的搜索窗內(nèi)的塊匹配 找到匹配宏塊后就得到所需傳輸?shù)倪\動向量。找到匹配宏塊后就得到所需傳輸?shù)倪\動向量。 另外還傳輸匹配宏塊的殘差。另外還傳輸匹配宏塊的殘差。 殘差單獨再經(jīng)過殘差

25、單獨再經(jīng)過DCTDCT和量化進一步壓縮。和量化進一步壓縮。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYvMPEGMPEG的應(yīng)用的應(yīng)用MPEG-1MPEG-1： CD-ROM CD-ROM、 硬盤、硬盤、 VCDVCD、 數(shù)字音頻磁數(shù)字音頻磁帶帶MPEG-2MPEG-2： DVDDVD、SDTVSDTV、HDTVHDTV2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYvMPEG-2MPEG-2的方法：的方法：2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY有損有損1 1量化從量化從1010bitsbits降為降為8 8bitsbits無損無損2 2省略水平和垂直空白間隔省略水平和

26、垂直空白間隔有損有損3 3降低垂直方向色度分辨率降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)(4:2:0)無損無損4 4活動圖像的活動圖像的DPCMDPCM有損有損5 5DCTDCT和量化和量化無損無損6 6Z Z掃描和零序列的游程編碼掃描和零序列的游程編碼無損無損7 7HuffmanHuffman編碼編碼v1.4 1.4 模擬電視與數(shù)字電視模擬電視與數(shù)字電視v1.4.1 1.4.1 模擬電視模擬電視v1 1 模擬電視定義：模擬電視定義：信源的形式?jīng)Q定了電視機是模擬電視機還是數(shù)字信源的形式?jīng)Q定了電視機是模擬電視機還是數(shù)字電視機。電視機。目前我國處于模擬電視向數(shù)字電視廣播的過度階目前我國處于模擬電視向數(shù)

27、字電視廣播的過度階段。段。(1)(1)電視臺發(fā)的信號基本是模擬信號。電視臺發(fā)的信號基本是模擬信號。(2)(2)采用的采用的PAL-DPAL-D制式為模擬電視廣播。制式為模擬電視廣播。2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv2 模擬電視制式的內(nèi)在缺陷模擬電視制式的內(nèi)在缺陷v（1）基本概念：）基本概念： 電視線（TVLine） 色度副載波 亮色頻帶共用A 視頻帶寬的限制，電視線個數(shù)（顯示圖像的實際電視線個數(shù)）受限：亮度分解力和色度分解力不足2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYB. B. 亮色頻帶共用亮色頻帶共用1 1）電視機無法將亮度信號與色度信號徹底分離，）電視機無

28、法將亮度信號與色度信號徹底分離，造成亮色互串；造成亮色互串；2 2）亮度信號能量分布在視頻通道的中低頻，）亮度信號能量分布在視頻通道的中低頻，色度信號能量分布在視頻通道的高頻，色度信號能量分布在視頻通道的高頻，視頻通道的線性特性（幅頻特性、相頻特性）的視頻通道的線性特性（幅頻特性、相頻特性）的優(yōu)劣決定是否存在亮色增益差和延時差。優(yōu)劣決定是否存在亮色增益差和延時差。C. C. 長寬比長寬比2022-3-11XIDIAN UNIVERSITYv1.4 1.4 數(shù)字電視數(shù)字電視（1 1）定義：）定義：信源：數(shù)字電視信號信源：數(shù)字電視信號（2 2）與模擬電視的區(qū)別：）與模擬電視的區(qū)別：可利用數(shù)字壓縮技

29、術(shù)可利用數(shù)字壓縮技術(shù)頻道資源專業(yè)化、個性化頻道資源專業(yè)化、個性化數(shù)字技術(shù)對節(jié)目處理、傳輸、儲存數(shù)字技術(shù)對節(jié)目處理、傳輸、儲存功能豐富：查詢功能豐富：查詢 回放回放 預定預定2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY（3 3）數(shù)字電視系統(tǒng)組成）數(shù)字電視系統(tǒng)組成數(shù)字前端系統(tǒng)：數(shù)字前端系統(tǒng)： 數(shù)字化、加擾、授權(quán)、認證數(shù)字化、加擾、授權(quán)、認證雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)：衛(wèi)星、雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)：衛(wèi)星、 CableCable用戶終端系統(tǒng)：機頂盒用戶終端系統(tǒng)：機頂盒（4 4）主要業(yè)務(wù)：）主要業(yè)務(wù)：以以IPTVIPTV為例，基于以太網(wǎng)的電視為例，基于以太網(wǎng)的電視2022-3-11XIDIAN UNIVERSITY（5 5）數(shù)字電視標準）數(shù)字電視標準 1 ATSC 1 ATSC （美國高級電視系統(tǒng)委員會）（美國高級電視系統(tǒng)委員會）2 DVB (Digital video broadc