數(shù)字化電視原理教材

數(shù)字化電視原理

電子工程學(xué)院2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITYContents第一章數(shù)字壓縮技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展

2024/7/2XIDIANUNIVERSITYContents

電視的發(fā)展歷程1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3模擬電視與數(shù)字電視4數(shù)字化電視51.1電視的發(fā)展歷程A電視誕生

電視是以電的方法即時傳送活動圖像和伴音的技術(shù)。

2024/7/2XIDIANUNIVERSITY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。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。

那么如何在發(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？

2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1機械式圓盤掃描1884年，德國發(fā)明家保羅·尼普科夫設(shè)計了尼普科夫圓盤尼普科夫圓盤的思想：（1）圖像分解：圖像分解為一個個像素2024/7/2XIDIANUNIVERSITY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，單位面積上的像素點數(shù)目就越多，分辨率就越高。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（2）像素的傳送2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2電子式電視

隨著光電攝像管、電子掃描系統(tǒng)和電子束顯像管的發(fā)明與完善，電子式電視取代了機械式電視。 3彩色電視 1）彩色電視定義

攝取、傳送、接收彩色圖像的電視系統(tǒng)。 A三基色原理

三基色？

RGB一切色彩可由三基色光混合而成。2024/7/2XIDIANUNIVERSITYB彩色電視制式彩色電視制式的制定依據(jù)？

依據(jù)：色度信號的編碼方法

三大制式: (1)NTSC（N制，美國國家電視制式委員會） (2)SECAM(順序傳送色彩與存儲) (3)PAL(P制，逐行倒相)

我國：PAL-D

2024/7/2XIDIANUNIVERSITYC黑白電視體制

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：

掃描方式、每幀行數(shù)、行幀、場幀、視頻帶寬…2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.2模擬信號的數(shù)字化處理 A模擬信號：時間、幅度連續(xù) B數(shù)字信號：時間、幅度離散

那么數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在動態(tài)、非線性失真影響等方面的改善。 C模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號

如何實現(xiàn)？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY采樣、量化、編碼（1）采樣

采樣定理2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（2）量化（均勻量化）

最大量化誤差？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY8位量化7位量化2024/7/2XIDIANUNIVERSITY6位量化4位量化2024/7/2XIDIANUNIVERSITY(3)編碼

定義：用n位2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

脈沖編碼調(diào)制2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.3數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理 1壓縮的必要性攝像機輸出的RGB信號通過矩陣變換得到Y(jié),CB和CR信號降低色度分辨率為4:2:2格式PAL按照CCIR.601，信號碼率216Mbit/s通過MPEG視頻壓縮過程，必須壓縮到6Mbit/s，壓縮比36。數(shù)字SDTV視頻信號數(shù)碼率270Mbit/s，必須壓縮到2～6Mbit/s才能用于廣播傳輸。數(shù)字HDTV視頻信號數(shù)碼率1.188Gbit/s，必須壓縮到2～6(15)Mbit/s才能用于廣播傳輸。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY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(xué)方法無失真恢復(fù)。無損壓縮2圖像數(shù)據(jù)因何可以實現(xiàn)壓縮不相關(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(fù)原的有損過程

3分類：

無損壓縮和有損壓縮.

無損壓縮：VLC游程編碼霍夫曼編碼：使用頻率高的字母用短碼，使用頻率低的字母用長碼。

有損壓縮：

離散余弦變換2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2024/7/2XIDIANUNIVERSITY4靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)編碼方法 JPEG JointPhoto-graphicExpertsGroup

（1）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織

（2）國際電報電話咨詢委員會

（3）國際電工委員會

適用范圍：彩色和單色多灰度靜止數(shù)字圖像的壓縮。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY A混合編碼方式 B有損壓縮和無損壓縮方法結(jié)合 C基本算法流程 1）顏色空間轉(zhuǎn)換（色彩作為獨立的部分處理） 2）DCT 3）量化 4）差分編碼 5）Z字形掃描游程編碼 6）熵編碼Huffman編碼2024/7/2XIDIANUNIVERSITY29對視頻幀一行中8個象素的時域電壓值進行DCT得到頻域的8個系數(shù)，依次為直流DC系數(shù)、低頻、中頻和高頻系數(shù)（視頻信號能量）。根據(jù)人眼視覺特性，DCT系數(shù)在頻域進行量化，除以某個量化因子。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，量化因子隨著頻率增高而變大。量化后很多系數(shù)變?yōu)?，尤其對高頻系數(shù)而言。30數(shù)字電視原理與應(yīng)用5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二維變換編碼。圖象先被分成8x8象素塊，再通過二維DCT變換到頻域。為得到帶符號值，在做二維DCT之前，所有象素值先減去128。DCT后即量化，除以合適的量化步長1831982202392442362222111982092222312292151981861441541701841901901851801621641661671651611571541951911851801781781791811741681611561601701831921741601381191121151251331521381191051041151331468X8象素塊f(x,y)二維DCT減去12855709211111610894837081941031018770581681425662625752343638393733292667635752505051534640332832425564463210－9－16－13－352410－9－23－24－1351813840000000216－36－99000000000000099000000000000000－5800000000－6000000000000001F(v,u)=DCT(f(x,y)1－200000000000002000000000000000－100000000－1000000000000008161922262729341616222427293437192226272934343822222627293437402226272932354048262729323540485826272934384656692729353846566983QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化318x8象素塊做二維DCT后得到頻域中的8x8數(shù)組:第一個系數(shù)是DC系數(shù)，對應(yīng)整個塊的直流分量。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)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)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)的能量。MPEG-2視頻編碼及其測量,

class0332數(shù)字電視原理與應(yīng)用量化DCT系數(shù)進行Z掃描之后，使得連0數(shù)目最大。碼流中不傳這些連續(xù)0系數(shù)，而是通過游程編碼只傳連0的個數(shù)，Z掃描和游程編碼，與DCT和量化相配合，是MPEG-2高壓縮比的主要因素。Z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*0RL1－200000000000002000000000000000－100000000－10000000000000033游程編碼后的碼流再進行霍夫曼編碼。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。進一步冗余度消除，無損過程。霍夫曼編碼DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman編碼HuffmancodetableCodesofvariablelength2024/7/2XIDIANUNIVERSITY相同之處：游程編碼

TIF40KJPG10K2024/7/2XIDIANUNIVERSITY5MPEG(活動圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn))

活動圖像專家組

（MovingPictureExpertGroup） A任務(wù)：開發(fā)運動圖像及其聲音的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn) B標(biāo)準(zhǔn)： MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-2:10Mb/s2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG-1:

一MPEG-1的提出

為CD-ROM的視頻存儲和放像所制定

二適用圖像：360*28824-30幀/s運動圖像

三應(yīng)用領(lǐng)域：CD-ROM硬盤VCD數(shù)字音頻磁帶（2）MPEG-2:

一MPEG-2的提出

提供數(shù)字音頻-視頻服務(wù)和應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)。

二適用圖像：720*48030幀/s 1440*1152HDTV2024/7/2XIDIANUNIVERSITY6MPEG視頻壓縮方法

以MPEG-1為例：

壓縮方法：幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮方法結(jié)合

（1）幀內(nèi)壓縮：JPEG

（2）幀間壓縮

依據(jù):相鄰畫面之間，活動部分的畫面內(nèi)容是相關(guān)的，其運動具有連續(xù)性。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY預(yù)測需要什么信息？1已知幀內(nèi)畫面中的宏塊2運動補償矢量

運動補償矢量的估計？2024/7/2XIDIANUNIVERSITY運動估計——得到運動向量過程：對當(dāng)前要編碼幀的宏塊，在前面的參考幀（P幀）中搜索最佳匹配宏塊。在當(dāng)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。另外還傳輸匹配宏塊的殘差。殘差單獨再經(jīng)過DCT和量化進一步壓縮。2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG的應(yīng)用 MPEG-1：CD-ROM、

硬盤、VCD、

數(shù)字音頻磁帶 MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV2024/7/2XIDIANUNIVERSITYMPEG-2的方法：2024/7/2XIDIANUNIVERSITY有損1量化從10bits降為8bits無損2省略水平和垂直空白間隔有損3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)無損4活動圖像的DPCM有損5DCT和量化無損6Z掃描和零序列的游程編碼無損7Huffman編碼1.4模擬電視與數(shù)字電視1.4.1模擬電視1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段。 (1)電視臺發(fā)的信號基本是模擬信號。 (2)采用的PAL-D制式為模擬電視廣播。2024/7/2XIDIANUNIVERSITY2模擬電視制式的內(nèi)在缺陷（1）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2024/7/2XIDIANUNIVERSITYB.亮色頻帶共用 1）電視機無法將亮度信號與色度信號徹底分離，造成亮色互串； 2）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，

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。

C.長寬比2024/7/2XIDIANUNIVERSITY1.4數(shù)字電視

（1）定義：

信源：數(shù)字電視信號

（2）與模擬電視的區(qū)別：

可利用數(shù)字壓縮技術(shù)

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

功能豐富：查詢回放預(yù)定2024/7/2XIDIANUNIVERSITY（3）數(shù)字電視系統(tǒng)組成

數(shù)字前端系統(tǒng)：數(shù)字化、加擾、授權(quán)、認(rèn)證

雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)：衛(wèi)星、Cable

用戶終端系統(tǒng)：機頂盒（4）主要業(yè)務(wù)：

以IPTV為例，基于以太網(wǎng)的電視