數(shù)字電視的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)0

1、數(shù)字電視原理第五章 數(shù)字電視的國(guó)際規(guī)范5.1 視頻緊縮編碼規(guī)范的開(kāi)展歷程視頻緊縮編碼規(guī)范的制定：國(guó)際規(guī)范化組織(ISO/IEC)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU) 完成的。 由上述兩個(gè)國(guó)際組織制定了：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。圖像緊縮編碼規(guī)范可分為兩大系列：MPEG-X和H.26X。MPEG-X是由國(guó)際規(guī)范化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)提出的規(guī)范，H.26X 是由國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU)規(guī)范委員會(huì)提出的。圖像緊縮編碼規(guī)范可分為兩大系列：MPEG-X和H.26X。MP

2、EG-X是由國(guó)際規(guī)范化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)提出的規(guī)范，H.26X 是由國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU)規(guī)范委員會(huì)提出的。超高明晰度成像(HRI)建議(ITU-R BT.1201)ITU-R BT.1201 建議書提出了超高明晰度成像(HRI，High Resolution Image)格式和規(guī)范建議。HDTV：1920像素1080像素，有p逐行和i隔行之分標(biāo)清電視：6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，超高清電視5.2 JPEG規(guī)范JPEG的目的：JPEG用于延續(xù)變化的靜止圖

3、像 延續(xù)變化是指灰度等級(jí)和顏色兩方面的延續(xù)變化靜止圖像數(shù)據(jù)緊縮規(guī)范 JPEGJoint Photo-Graphic Experts Group結(jié)合圖像專家組從1986年正式開(kāi)場(chǎng)制定,由多個(gè)國(guó)際組織結(jié)合制定:國(guó)際規(guī)范組織 ISO國(guó)際電報(bào)咨詢委員會(huì) CCITT(后改為ITU)。 國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)也參與協(xié)作1992年7月經(jīng)過(guò)了規(guī)范的第一部分，后又對(duì)有關(guān)測(cè)試規(guī)范草案(即規(guī)范的第二部分)作了進(jìn)一步修正 5.2 JPEG規(guī)范JPEG包含兩種根本緊縮方法：有損緊縮：基于DCT的有損緊縮，又稱為基線順序編解碼(Baseline Sequential Codec)方法無(wú)損緊縮：又稱預(yù)測(cè)緊縮方法JPEG的

4、圖像緊縮是在本幀內(nèi)進(jìn)展, 與前后幀無(wú)關(guān)；JPEG可以采用逐漸浮現(xiàn)重建方式；JPEG可用于活動(dòng)圖像緊縮編碼，只不過(guò)緊縮方法只限于幀內(nèi)進(jìn)展，不作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和幀間差運(yùn)算。這種用于活動(dòng)圖像的緊縮技術(shù)稱作：M-JPEG(Motion-JPEG), 主要用于高質(zhì)量圖像緊縮編碼方案中，例如電視臺(tái)節(jié)目編輯中。5.2 JPEG規(guī)范1. 基于DCT的編碼器和解碼器 編碼器： 基于DCT的JPEG解碼器：5.2 JPEG規(guī)范接納端收到的緊縮圖像數(shù)據(jù)應(yīng)包含重建圖像的公用數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)5.2 JPEG規(guī)范JPEG緊縮流程表示圖5.2 JPEG規(guī)范JPEG規(guī)范中的像素 以NTSC制為例，它的視頻最高頻率為4.2MHz，故抽樣

5、頻率可取8.4MHz至9MHz NTSC制行頻 行周期 每行的顯示時(shí)間假設(shè)設(shè)抽樣頻率 那么 時(shí)間內(nèi)的抽樣數(shù)N如下式所示 抽樣數(shù)N:一行中的顯示區(qū)或稱有效像素區(qū)中的像素?cái)?shù) 5.2 JPEG規(guī)范5.2 JPEG規(guī)范像素外形的概念又稱為縱橫比，按JPEG規(guī)范規(guī)定像素縱橫比為1：1，也就是像素為正方形；例如上述NTSC制中一行像素為480個(gè)，假設(shè)像素縱橫比為1：1，圖像尺寸縱橫比為3：4，那么一幀圖像應(yīng)有的行數(shù)為48034360行；光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換：NTSC制一幀圖像為525行，其中包含兩場(chǎng)，假設(shè)扣除兩場(chǎng)的場(chǎng)消隱所需74行，那么余451行,轉(zhuǎn)換到360行,那么需求合并。按 ，那么每10行需求并成8行

6、，這就是圖像光柵處置中常用的光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換。5.2 JPEG規(guī)范2. DCT變換及其系數(shù)的量化、編碼JPEG規(guī)范是將“二維空間的圖像數(shù)據(jù)用離散余弦變換DCT公式變換到二維頻域成為二維頻率系數(shù)。變換后的系數(shù)經(jīng)量化矩陣量化 亮度量化矩陣 色度量化矩陣 5.2 JPEG規(guī)范經(jīng)Zig-Zag掃描后，把二維量化系數(shù)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)據(jù)序列，以便進(jìn)展熵編碼 這種低頻在前高頻在后Zig-Zag掃描的陳列方式也稱帶狀編碼，由于它和頻帶由低到高呈帶狀一致。這和量化步長(zhǎng)逐漸提高的方式一致，所以也稱門限系數(shù)陳列方式。對(duì)于直流分量DC進(jìn)展差分脈沖編碼對(duì)交流分量AC進(jìn)展霍夫曼或者游程編碼3. 數(shù)據(jù)交換格式5.2 JPEG

7、規(guī)范靜像數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，得到緊縮數(shù)據(jù)流。為了便于交換和儲(chǔ)存，需求有一致的交換格式，同時(shí)也便于解碼器解碼。第一行為緊縮圖像數(shù)據(jù)。圖中SOI表示圖像開(kāi)場(chǎng)。中間方框表示一幀圖像數(shù)據(jù)。最后的EOI表示圖像終了。SOI和EOI均稱為標(biāo)志符號(hào)，各占2字節(jié)(Byte)。 第二行給出幀內(nèi)包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容。首先是表雜項(xiàng)，其中表即為數(shù)據(jù)表，如量化表、霍夫曼DC和AC表等，雜項(xiàng)即為其它必要的信息。幀頭表示幀頭信息，包含所選方法(如基線DCT方法等)、抽樣精度、量化位數(shù)、源圖像行數(shù)、每行抽樣數(shù)、各分量圖像尺寸比例等。掃描1表示掃描數(shù)據(jù)1。第三行的掃描頭(Scan Header)包含掃描起始信息、分量圖像號(hào)碼、該分量圖像的

8、參數(shù)、熵編碼表選擇等內(nèi)容。ECS0(Entropy Coded Segment)表示第0段熵編碼。 第四行用于闡明初始和終了的熵編碼段。各編碼段內(nèi)包含假設(shè)干個(gè)最小編碼單元MCU。5.3 MPEG-1規(guī)范MPEG-1的目的MPEG-1規(guī)范的設(shè)計(jì)思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低帶寬條件下，提供盡能夠高的圖像質(zhì)量包括音頻。它是針對(duì)CD-ROM、光盤的視頻存儲(chǔ)和放像所制定的數(shù)字電視規(guī)范。 VCD運(yùn)用MPEG-1規(guī)范，圖像尺寸為352288，規(guī)范速率為1.2Mbit/sMPEG是活動(dòng)圖像專家組(Moving Picture Expert Group)的英文縮寫，MPEG的義務(wù)是開(kāi)發(fā)活動(dòng)圖像

9、及其聲音的數(shù)字編碼規(guī)范，成立于 1988年?；顒?dòng)圖像專家組(MPEG)在1991年11月提出了ISO 11172規(guī)范的建議草案，通稱MPEG-l規(guī)范。該規(guī)范予 1992年 l 1月被經(jīng)過(guò)， 1993年 8月公布。5.3 MPEG-1規(guī)范1. MPEG-1規(guī)范的內(nèi)容ISO/IEC 11172 包括三大部分:ISO/IEC 11172-1 第一部分 系統(tǒng)ISO/IEC 11172-2 第二部分 視頻ISO/IEC 11172-3 第三部分 音頻 MPEG-l規(guī)范可以處置各種類型的活動(dòng)圖像，其根本算法對(duì)于緊縮程度方向 352個(gè)像素、豎直方向 288個(gè)像素的空間分辨力，每秒 24/25/30幅畫面的運(yùn)

10、動(dòng)圖像有很好的效果；在MPEG-l規(guī)范中的一幀圖像的概念不同于電視中幀的概念，前者一定是逐行掃描的圖像，假設(shè)待處置信號(hào)是隔行掃描的圖像，那么編碼前必需將其轉(zhuǎn)換成逐行掃描的格式5.3 MPEG-1規(guī)范MPEG-1規(guī)范采用了一系列技術(shù)以獲得高緊縮比:對(duì)色差信號(hào)進(jìn)展亞采樣，減少數(shù)據(jù)量；采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)減少幀間冗余度；做二維DCT變換去除空間相關(guān)性；對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)展量化，舍去不重要的信息，將量化后的DCT系數(shù)按照頻率重新排序；將DCT系數(shù)進(jìn)展變字長(zhǎng)的熵編碼；對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊的直流分量(DC)進(jìn)展預(yù)測(cè)差分編碼；在 MPEG-l規(guī)范中，思索到緊縮比和隨機(jī)存取這對(duì)矛盾，一共定義了3種圖像類型： I幀： 幀內(nèi)幀圖

11、像，采用幀內(nèi)編碼，不參照其他圖像。它作為預(yù)測(cè)基準(zhǔn)的獨(dú)立幀。設(shè)置I幀的主要要素是：1當(dāng)某幀找不到匹配的參考幀時(shí)，就只好進(jìn)展幀內(nèi)編碼，場(chǎng)景切換就是這種情況的例子；2解碼I幀不需求參考幀，因此可以在I幀進(jìn)展碼流的切換和編輯等操作，提供隨機(jī)存取的插入點(diǎn)；3長(zhǎng)時(shí)間延續(xù)地進(jìn)展預(yù)測(cè)編碼，預(yù)測(cè)誤差會(huì)不斷累積，圖像質(zhì)量不斷下降。為防止解碼圖像損傷的逐漸加劇，需定時(shí)進(jìn)展幀刷新，即周期性地插入I幀，以便重新開(kāi)場(chǎng)一個(gè)新的預(yù)測(cè)編碼過(guò)程。 2. P幀，又稱前向預(yù)測(cè)編碼幀。 它用前面最近的I幀或P幀作為參考進(jìn)展前向預(yù)測(cè)，采用帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)編碼方式。由于同時(shí)利用了空間和時(shí)間上的相關(guān)性，所以P幀比I幀的緊縮效率高。P幀也

12、可作為參考幀。 3B幀，又稱雙向預(yù)測(cè)編碼幀。 它既用源視頻序列中位于前面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進(jìn)展前向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)，又用位于后面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進(jìn)展后向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)。即B幀可采用幀內(nèi)編碼、前向預(yù)測(cè)編碼、后向預(yù)測(cè)編碼、或雙向預(yù)測(cè)編碼4種技術(shù)，其緊縮比最高。但B幀不能用作對(duì)其他幀進(jìn)展運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的參考幀。幀內(nèi)圖像I的緊縮編碼算法框圖5.3 MPEG-1規(guī)范5.3 MPEG-1規(guī)范預(yù)測(cè)圖像P的緊縮編碼算法框圖5.3 MPEG-1規(guī)范雙向預(yù)測(cè)圖像B的緊縮編碼算法框圖 5.3 MPEG-1規(guī)范I 幀、P幀和B幀圖像的依賴關(guān)系 I幀圖像普通在0.5 s相隔12幀左右一幅，它作為

13、P幀和 B幀圖像的參照?qǐng)D像，要求圖像質(zhì)量較高，否那么會(huì)引起誤差向 P幀和 B幀圖像分散，因此 I幀圖像的量化系數(shù)較小。兩個(gè)相鄰的 I幀圖像之間會(huì)插入假設(shè)干個(gè) P幀圖像，兩個(gè)相鄰的 P幀或 I幀圖像之間會(huì)插入假設(shè)干個(gè)B幀圖像。應(yīng)該留意的是，圖像的顯示順序和編碼順序并不一樣。 上圖所示的顯示順序陳列。 以下圖所示為編碼順序陳列。5.3 MPEG-1規(guī)范編解碼延時(shí)問(wèn)題由于編碼順序和顯示順序之間的差別，帶來(lái)編、解碼總延時(shí)達(dá)0.81秒時(shí)間。這種延時(shí)對(duì)廣播性質(zhì)的圖像傳輸不會(huì)帶來(lái)任何影響，由于用戶并不能發(fā)現(xiàn)發(fā)射端與接納端信號(hào)起始時(shí)間的差別；對(duì)于交互性質(zhì)的圖像傳輸，例如，數(shù)字會(huì)議電視那么帶來(lái)非常不便。由于甲方

14、圖像傳至乙方經(jīng)編碼、解碼要延時(shí)0.81秒時(shí)間；乙方圖像傳至甲方經(jīng)編碼、解碼也要延時(shí)0.81秒時(shí)間，這樣，假設(shè)甲對(duì)乙提一個(gè)問(wèn)題，那么1.62秒以后才干得到回答 。5.3 MPEG-1規(guī)范處理編解碼延時(shí)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題減少B幀使兩個(gè)I幀之間的幀數(shù)減少，那么編、解碼總延時(shí)下降，甚至可以把B幀、P幀全部取消，這樣，可以得到0延時(shí)。這種方式也稱M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此時(shí)的緊縮比降到了5:17:1；延時(shí)與緊縮倍數(shù)是相互矛盾的 MPEG為了更好地表示編碼比特流，用句法規(guī)定了一個(gè)分層構(gòu)造，共分6層，從高到低依次是: 視頻序列、圖像組GOP、圖像、宏塊條Slice、宏塊層及像塊層。圖像圖像組視頻

15、序列宏塊條宏塊像塊 視頻序列是指構(gòu)成一段或整個(gè)電視節(jié)目的延續(xù)圖像序列，是隨機(jī)選取節(jié)目的一個(gè)根本單元。從節(jié)目?jī)?nèi)容看，一個(gè)視頻序列大致對(duì)應(yīng)于一個(gè)鏡頭。切換一個(gè)鏡頭，即表示開(kāi)場(chǎng)一個(gè)新的序列。 在視頻序列層，起始碼后是序列頭，它包含有視頻序列參數(shù)，如圖像的尺寸大小、幅型比、幀頻、數(shù)碼率、緩沖區(qū)大小等。 為了確保能在不同的時(shí)間隨時(shí)進(jìn)入視頻序列，MPEG允許反復(fù)發(fā)送序列頭。序列擴(kuò)展數(shù)據(jù)后面跟假設(shè)干個(gè)圖像組層的數(shù)據(jù)。視頻序列層以序列終了碼SEQEC終了。 GOP是由一個(gè)視頻序列中延續(xù)的假設(shè)干幀圖像組成。每個(gè)GOP由一個(gè)I幀和一些P幀、B幀組成，GOP的第一幀一定為I幀。 圖像是一個(gè)獨(dú)立的顯示單元，它可以作為

16、一個(gè)整體被顯示設(shè)備顯示。 圖像層包括不同編碼類型的圖像，即I、B、P幀。在圖像層頭中包含了圖像編碼的類型和時(shí)間參考信息。 在MPEG-1中，圖像的掃描方式是逐行的，因此圖像總是幀格式。而在MPEG-2中，圖像的掃描方式既可以逐行的，也可以是隔行的。逐行掃描的圖像只能是幀格式；而隔行掃描的圖像可以是幀格式，也可以是場(chǎng)格式。 一個(gè)圖像包含亮度分量和色度分量。在MPEG-1中，亮度和色度的采樣格式是420；而在MPEG-2中，除了這一格式，還可以采用422及444的格式。 每個(gè)宏塊條包括假設(shè)干個(gè)延續(xù)宏塊，其順序和行掃描順序一致。宏塊條可以從一個(gè)宏塊行16行寬的任何一個(gè)宏塊開(kāi)場(chǎng)。 宏塊條是比特流重新同步的根本單元。一旦因傳輸過(guò)失發(fā)生誤碼而導(dǎo)致接納端解碼失步，此時(shí)，可根據(jù)起始碼重新獲得同步。劃分成宏塊條的主要目的在于防止誤碼的分散，即假設(shè)一個(gè)宏塊條內(nèi)的數(shù)據(jù)因傳輸過(guò)失發(fā)生誤碼，但又不可糾正時(shí)，下一個(gè)宏塊條不受其影響，仍能準(zhǔn)確地找到下一個(gè)宏塊條的起始位置并正常解碼。 一個(gè)宏塊由1616像素的亮度陣列和同區(qū)域內(nèi)的Cb、Cr色差陣列共同組成。在MPEG-1中只采用420宏塊構(gòu)造。 宏塊是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的根本單元。 一個(gè)420的宏塊由6個(gè)塊組成，其中有4個(gè)亮度塊