数字彩色电视制式.ppt

,第4章 数字彩色电视制式,天津大学电子信息工程学院,电视原理,4.1 数字彩色电视制式概述,模拟彩色电视制式的缺陷 高清晰度电视的需求 数字技术的发展 国际电信联盟(ITU)对高清晰度电视的定义： 垂直和水平方向的空间分解力大致是CCIR601号建议书中规定值的两倍，例如水平1920像素，垂直1080像素； 宽高比为16:9，屏幕对角线长度大于1米，并配有多声道优质伴音； 观看距离为屏幕高度的三倍时，图像的主观质量接近或达到观看真实景物的效果，相当于35mm电影放映的图像质量。,4.1.1 多极化的传输标准,美国 1986年以前支持日本的MUSE制 1987年提出发展ATV(Advanced Television，高级电视) 1990年5月,美国GI公司正式发表全数字HDTV传输制式DigiCipher 1993年5月成立HDTV大联盟(Grand Alliance, GA)，着手制定统一的美国HDTV标准 1995年4月通过了ATSC(Advanced Television System Committee)数字电视标准,欧洲 1981年英国独立广播公司研制出C-MAC(Multipled Analogue Component)制: 亮度、色差时分，两个色差逐行轮换，射频载波调频传送，视频带宽8.4MHz 1986年提出HD-MAC制 受美国数字制式影响，1993年开展DVB(Digital Video Broadcasting)研究 1995年，欧洲成立了DVB联盟，共同制定数字电视的DVB标准： DVB-S(Satellite)、 DVB-C(Cable)、 DVB-T(Terrestrial),日本 日本广播协会(NHK)1970-80年代提出模拟高清晰度电视制式MUSE制（多重亚奈抽样编码）： 1125行，60场，隔行扫描，16:9幅型比；色度信号与亮度信号时分复用：TCI（时间压缩合成）；多重亚奈抽样压缩信号频带：4场传送1幅HDTV图像；8.1MHz带宽，调频传送 1996年启动数字电视研制 1998年9月制订ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting -Terrestrial)数字电视地面广播系统标准，与欧洲的DVB-T类似,中国 2002年组建音视频技术（AVS）标准工作组 2006年视频部分正式颁布为国家标准 需要注意：上述标准适用于HDTV和SDTV,4.1.2 通用的压缩编码标准,数据压缩的必要性 4:2:2 ，PAL：8646252528=216Mb/s(108MHz) 数字电视系统框图,通用的信源编码标准MPEG-2 MPEG(Moving Pictures Experts Group)即活动图像专家组，建立于1988年 MPEG-1： 4:2:0采样压缩，每秒1.5Mbps的传输码率，图像大小352240，扫描频率30场/秒。图像质量比电视略强，适合于非专业视频领域，如VCD等。 MPEG-4：一种广域传输标准，传输码率10kbps- 1Mbps，于2000年正式成为国际标准:内容的交互性, 高效的压缩性，通用的访问性,MPEG-2：1994-1996年提出的用于广播电视的视频压缩标准。 “Profile”和“Level”(“型”和“级”) 按视频格式分四个级 按编码工具分五个型 “级”与“型”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集：对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。在20种可能的组合中，目前有11种是已获通过的，称为MPEG-2适用点。,MPEG-2适用点,4.2.1 视频信源编码的理论依据,原始图像数据在空间及时间上的统计冗余度很大，存在大量无需传送的多余信息： 图像的相邻像素、相邻行之间存在很强的相关性空间相关性 相邻场或帧对应像素间存在相关性时间相关性 信息保持无损压缩编码 人眼对图像细节、幅度的变化、图像的运动不同时具有最高的分辨力： 信息非保持有损压缩编码,4.2 视频信源编码原理,4.2.2 预测编码原理,预测编码概述 预测编码也称为差分脉冲编码调制(DPCM，Differential Pulse Code Modulation)，使用已编码像素的线性组合对未编码像素进行预测，传送其预测误差（残差）。 约80%-90%以上的残差信号的绝对值落在16-18个量化级以内。可以用较少的比特表示差值，达到数据压缩的目的。 帧内预测采用1阶前值预测，利用空间相关性；帧间预测采用1阶前向预测或2阶双向预测，利用时间相关性。 预测编码的主要缺点是抗误码能力差。若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧内编码会使误差扩散到图像中一个较大的区域，对于帧间编码会使误差扩散到后续的若干帧中。,为便于联合运用帧内编码和帧间编码技术，把由连续的电视画面组成的视频序列 （ sequence ） 划分为许多图像组（GOP,Group of Picture），每个图像组由几帧或十几帧图像组成，这些图像相互间存在预测和生成关系。,采用帧内预测编码的图像称为I图像(Intra-Coded Picture) 采用前向帧间预测编码的图像称为P图像(Predictively-Coded Picture) 采用双向帧间预测编码的图像称为B图像(Bidirectionally-Coded Picture) 下页为由9帧图像组成的GOP示意图,编码器输入端或解码器输出端的显示顺序,编码器输出端或解码器输入端的编解码顺序,视频数据结构,块:Block 88像素块,宏块:Macroblock 1616像素块,像条:Slice由多个Macroblock组成,图像组：GOP,视频序列：Sequence,图像：Picture,宏块的组成,4:2:0格式的宏块,4:2:2格式的宏块,4:4:4格式的宏块,宏块的三种构成方式，其中亮度块的数目均为4，而色度块的数目分别为2、4和8。,在对I图像进行帧内预测编码之前，首先对每一个88的像块进行二维离散余弦变换（DCT，Discrete Cosine Transform），将像块变换为由88个变换系数组成的系数块。 位于系数块左上角的第一个系数是像块中88个像素的平均值，代表像块的直流分量，称为DC系数，其余系数为AC系数。 帧内预测编码是对各个系数块的DC系数进行的，目的是去除在相邻像块的直流分量之间较强的相关性。 帧内预测编码只在像条所在的区域进行。 帧内预测编码采用前值预测：,帧间预测编码是以图像组GOP为单位进行的 I图像帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，它还是P图像和B图像编码、解码的参考图像。使用周期性的I帧便于初始化接收机和捕获频道。I帧出现的频度可以变化，由编码器选择。 P图像前向编码预测图像，像素的预测值为其前面一帧I图像或P图像中相应像素值，即帧间运动补偿前值预测。 B图像双向预测编码图像，像素的预测值为其前后相邻帧相应像素值的加权平均。B图像不能作为其它图像的编码参考图像。使用B帧可提高压缩效率，但需要帧存储器。,帧间预测编码中的运动补偿 最简单的时域预测就是用前一帧作为当前帧的预测参考帧。 一个视频序列里两个相邻帧如右图所示。第一帧作为第二帧的参考帧，残差是第二帧与参考帧之差。,在右图中，中间灰度代表差值为零，浅灰和深灰分别对应正、负差值。这种简单预测的明显问题是残差帧中剩余能量太多，也就是说预测后还有很多信息需要压缩。多数残差是由于两帧之间物体运动引起的，所以更好的预测是在两帧之间进行运动补偿。,运动补偿预测示意图,运动矢量：表示从编码帧到参考帧像素运动的方向和距离。 运动估值：通过比较参考帧与编码帧中的图像，求出运动物体像素的运动矢量。 运动补偿：考虑了运动矢量的帧间预测称为具有运动补偿的帧间预测。 采用块匹配算法进行运动估值 摄像机所摄取的景物的运动可能是十分复杂的，精确对每个像素进行运动估值是十分困难的。 在许多情况下物体上的各个像素均做相同的 运动，这时只需估计其整体的运动就可以了。,块匹配算法：对每个编码帧宏块中的1616亮度块，在参考帧中一定搜索范围内，搜索与它最相似的亮度块匹配块，并根据匹配块与它的坐标差，确定运动矢量。,像块匹配程度的判定常采用平均绝对差准则（MAD，Mean Absolute Difference），即在搜索范围内按下式求帧间像素块亮度差的绝对值的平均值。,当MAD(i,j)达到最小时，两个像素块匹配。此时运动矢量为MV（i,j）。 这种搜索方法称为全搜索，运算量相当大。为加快搜索过程，提出了三步法、共轭方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。,MPEG-2中运动补偿的精度是半像素，H.264中运动补偿的精度是四分之一像素，都需要在参考帧中根据已知整像素值，用线性内插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再进行块匹配计算。,B帧图像的帧间预测编码 预测值是其前面参考帧的前向预测值与其后面参考帧的后向预测值的平均值双向预测。 在进行运动补偿时，需要前向和后向两个运动矢量。 图4-9 在图像序列中，P帧和B帧传送的是像素值与预测值的差值和每个宏块的运动矢量。考虑到邻近宏块间运动矢量存在相关性，对运动矢量也采用预测编码。,帧间预测模式 为了既能处理逐行扫描图像，又能处理隔行扫描图像， 数字电视的帧间预测编码主要有两类：帧预测和场预测。 帧预测：预测来自于最近的重构参考图像。,P帧预测示意,B帧预测示意,P场预测：预测来自于最近的重构参考图像。,编码帧中第一场图像的预测,编码帧中第二场图像为底场的预测,B场预测：用于预测的两个参考场来自于最近的解码参考顶场和底场。,编码帧中第二场图像为顶场的预测,B场图像或B帧图像的预测,4.2.3 变换编码原理,变换编码是为了将图像数据或运动补偿残差数据转换到变换域，以去除空间相关性，对变换后的系数编码，达到数据压缩的目的。,变换编码系统基本结构,离散余弦变换(DCT，Discrete Cosine Transform) 考虑到空间相关性只在一定范围内存在，变换是以块为单位进行的，采用88块。 设由88像素组成的像素块用矩阵X表示，变换后的系数块用矩阵Y表示，则： 正向DCT 反DCT 其中C表示88的DCT矩阵，CT是其转置矩阵,C满足正交矩阵性质,右图为88DCT基本图像。任何88图像块都可以用基本图像与变换系数乘积的组合来表示。 DCT系数矩阵左上角系数y00对应空间直流分量，称为DC系数，其他63个对应交流分量，称为AC系数。,经过DCT变换后，64个样值仍然得到64个系数。原样值是9比特，数据从0511；得到的直流系数的范围是04095，交流系数的范围是-20482047；量化之后大多数高频分量的系数变为0。人眼对低频分量比较敏感，对高频分量则不太敏感；因而量化的结果是去掉了不太重要的高频分量，降低了码率。 I帧：系数矩阵左上角部位的系数对应空间低频分量，采用较小的量化间隔，位于右下角部位的系数采用较大的量化间隔。 P帧和B帧：是对帧间预测差值的变换，DCT系数不仅仅决定于空间频率，故采用相同的量化间隔。,DCT系数的量化,对于I帧的亮度和色度的量化加权矩阵,对于P帧和B帧的亮度和色度的量化加权矩阵,对自然景物图像的统计表明，DCT系数矩阵的能量集中在反映水平和垂直低频分量的左上角。 图 游程编码的方法是将扫描得到的一维序列转化为一个由二元数组(run,level)组成的数组序列，其中run表示连零的长度，level表示紧接在这串连零之后出现的非零值。当剩下的所有系数都为零时，用符号EOB(End of Block)来代表。,游程编码(RLC，Run Length Coding),帧图像的DCT系数分布（按非零系数可能性画图）,场图像的DCT系数分布（对照帧图像，左侧有更多的非零系数，这是由于场图像在垂直方向有更强的高频分量）,对应这两种图像结构，规定了两种扫描方式，Zigzag扫描与交替扫描。,经DCT变换以后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此按Zigzag扫描读出实际上是按二维频率的高低顺序读出系数的。扫描后出现连零的机会比较多，特别到最后，如果都是零，在读到最后一个数后，只要给出“块结束”（EOB）码，就可以结束输出，因此节省了很多码率。如图,4.2.4 熵编码原理,熵编码（Entropy Coding）是一类无损编码，编码后的平均码长接近信源的熵。 霍夫曼(Huffman)编码：变长编码，对出现概率大的信源符号分配较短的码字，对出现概率小的信源符号分配较长的码字，以获得较短的平均码长。 运动矢量的熵编码：对运动矢量的水平和垂直方向差值进行熵编码。 DCT系数的熵编码,4.2.5 MPEG-2视频编码器和解码器,MPEG-2视频编码器,MPEG-2视频解码器,4.3 ATSC数字电视制式,ATSC制的视频格式,4.3.1 ATSC制概述,系统分为三部分：信源编码和压缩、业务复用和传送、射频发送。,信源编码和压缩 视频编码和压缩MPEG-2 音频编码和压缩Dolby AC-3(384Kb/s,5.1声道)，AAC 辅助数据条件接收(CA)等控制数据 业务复用和传送 把不同信息类型的比特流打成包 给每一个包以唯一的标识符(ID) 将视频、音频和辅助数据比特流包时分复用组合成传送包(TSP) 射频发送 对传送流进行信道编码和调制，形成用于发送的射频信号 调制系统的两种模式： 8VSB调制的地面广播模式(19Mb/s) 16VSB调制的有线高比特率模式(38Mb/s),4.3.2 传送层的功能和格式,数字电视码流有多个不同的层次和类型：ES、PES、PS、TS。 ES(Elementary Stream)基本流，是直接从编码器出来的数据流，可以是视频数据流，音频数据流，或其他编码数据流。 PES(Packetized Elementary Stream)打包基本流，ES流经过PES打包器之后，被转换成PES包。 PS(Program Stream)节目流，是将一个或几个具有公共时间基准的PES组合成的复用流。PS流比较适用于相对误码率小的传输环境中，如交互式多媒体环境和媒体存储管理系统。 TS(Transport Stream)传输流，是有一个或几个不同的PES经传输流打包后组成的复合流。TS流更适合在有干扰或误码的环境中传输。,PES包,PES包头标志（说明比特流特性的标识符）： 加扰指示，优先级指示，数据相配指示，有无版权，原版或复制，有无PTS（显示时间标志）和DTS（解码时间标志），包头是否含时钟基准，包头是否含比特率，包头是否含说明流来源的DSM (数字存储媒体)模式的字段，是否有CRC（循环冗余校验），是否有扩展段。 PES包头区（各段可选）： PTS/DTS，DSM模式，附加复制信息，扩展数据，填充字节 PES包数据块： 有效负载数据，即来自相应编码器的一个连续的基本流。,TS包,固定长度（188字节）： 包头（4字节） 包同步，包识别（PID），连续计数，加扰控制等 适配区（可变长度） 同步和定时对27MHz系统时钟（STC）周期性抽样形成的节目时钟基准 (PSR)，每100ms至少传送一次 基本流的随机进入点指示频道切换用 本地节目插入指示 有效负载数据（最多184字节）,每一个新的PES包需要启动一个新的TS包,4.3.3 前向纠错信道编码,去信道,能量扩散,RS编码,交织,卷积编码,8VSB 调 制,传送流包,ATSC制信道编码和调制,RS编码及其纠错译码 RS（207，187），缩短的RS（255，235）,1个同步字节,缩短的RS（255，235）对应于,域生成多项式：,中的元素由0和 组成,加法：模2加，即二进制异或运算,乘法：,校验生成多项式：,187个信息字节,信息多项式：,校验多项式：,20个校验字节：,A,信息字节,RS(207,187)编码电路,RS(207,187)码：,码字多项式：,可纠正 t=10个字节或80比特的误码,无误码时c(x)能被g(x)整除，有误码时c(x)不能被g(x)整除，收端根据余式和商式确定误码的位置和样式，实现纠错译码。,卷积编码及维特比译码基础知识,11,00,01,10,0/01,0/00,1/11,1/11,1/10,1/10,0/01,0/00,用于ATSC制的1/2比率4状态反馈卷积编码器,(a)编码器结构图,(b) 状态图,(c) 格形图,（4-52）,对于长度为L的bit序列，由于误码，存在 条不同的可能路径。从这些可能的不同路径中找到编码时走过的路径，进而推算出编码时的输入bit。 维特比译码从所产生的各种可能路径中找出一条最大似然路径，使沿着这条路径得到的序列与接收的码序列相同或差别最小。 设格形图上的序列为 ，接收到的幅度失真的码序列为 ，其判决再生的序列为 ，则格形图序列与接收序列之间差别测度： 汉明距离（硬判决） 若发送端将码序列映射为电平序列 ，接收到的幅度失真的电平序列量化编码为 ，格形图上的数字序列为 ，则格形图序列与接收序列之间的差别测度： 欧几里得距离（软判决） ATSC制维特比译码采用软判决，其最大似然路径是欧几里得距离为最小的路径。,TCM-8VSB调制技术,从格形图上可以看出，在两个状态间至少需要3个时间段才有不同的编码路径，维特比译码从这些路径中选择与接收到的幅度失真电平序列欧几里得距离为最小的路径，从而实现纠错译码。这些路径之间的最小欧几里得距离越大，信号的抗噪能力越强。 ATSC制采用ASK调制（幅移键控调制） 若将两比特数据映射为4电平符号：Ai =-3,-1,1,3,分别调制4个不同幅度的高频信号，称为4ASK调制。直接映射时，最小欧几里得距离为2，用平均功率归一化的最小欧几里得距离为D0=0.894， 8ASK归一化的最小欧几里得距离为D0=0.436。 ATSC制采用2/3比率的格形编码，格形图的欧几里得自由距离为dfree=3D0=30.436=1.31。 编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB,预编码器,格形编码器,D,M2,M1,Z2Z1Z0 8VSB,0 0 0 -7 0 0 1 -5 0 1 0 -3 0 1 1 -1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +7,8VSB,X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2,Z0,(a),8VSB格形编码器 (a)格形编码器、预编码器和符号映射器；(b) 格形图,(b),8电平符号映射器,格形编码器,预编码器,交织,通过交织(interleaving)可使突发差错分散为随机差错，以充分发挥纠错编码的作用。,段间卷积字节交织器：由I=52个分支组成，在第j(j=0,1,I-1)分支上设有容量为jM个字节的移位寄存器，M=4,N=IM=524=208 即4个切换周期正好是一个纠错编码包的长度。,交织器用参数 描述， 对于(208,52)交织器交织前同一数据段的数据在交织后将分散到52个数据段中(一个纠错编码包对应一个数据段)。 段内交织：是与格形编码结合进行的，由每字节1位置切换的12个格形编码器组成。,能量扩散（随机化）改善传输频谱特性,随机化电路是一个 16bit最大长度伪随机码发生器，其生成多项式为 由它生成的伪随机二进序列（PRBS, Pseudo-random Binary Sequence）与输入码流进行模2加，使数据随机化。,每个数据场的第一个数据段的段同步期间初始化F180H,VSB数据帧和 频谱,随机化,RS编码器,交织器,格形编码器,复用器,导频信号插入,VSB 调 制 器,射频上变频器,段同步,场同步,VSB发射机框图,6,5.38,导频,抑制载波,1,0.7,ATSC制射频信号频谱,段同步,场同步#1,场同步#2,数据+FEC,数据+FEC,313段,313段,828符号,4,数据段,832符号（208字节）,数据段同步,数据段同步,4符号,4符号,数据+FEC,24.2ms,24.2ms,+5,+3,-1,+1,-3,-5,-7,+7,导频1.25,1段（77.3um）,PN 511,PN63,PN63,PN63,模式,保留,符号率Rs=10.76MS/s 有效负载数据率Rp=19.28Mb/s,VSB数据帧结构,4.4 DVB制式,4.4.1 DVB制的视频格式与接口,DVB制的视频格式,DVB设备的接口 SPI 同步并行接口，用在设备相距较近的场合。它有11对信号线，并行地发送时钟、数据（占8对信号线）和同步信号等。全部信号与时钟同步，它的频率随传送流的码率而定。 SSI 同步串行接口，是同步并行接口的一种扩展。它的功能与SPI相当，只是在两端进行了并串的正、反变换。这种接口使用的连接速率就是传送流的码率，传输介质可以是电缆或光纤。SSI目前用得较少。 ASI 异步串行接口，传输介质可以是电缆或光纤。它采用固定的连接速率（270Mbps）。,按DVB-T制采用的信道编码和射频信号形成的特点，它又被称为编码正交频分复用(COFDM，Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)多载波制式。 采用“数据容器”模型，容纳各类数据，在一个频道内实现准无误码传输。 适应8MHz频道。 系统具有单频网运行能力。能够克服来自采用相同频率的邻近发射机的类似回波的同频道干扰。,4.4.2 DVB-T制概述,DVB-T系统功能框图,4.4.3 DVB-T的信道编码,能量扩散 PRBS生成多项式为 移位寄存器每8个MPEG-2数据包初始化一次，初始值为100101010000000。 外编码 DVB-T的外码采用RS(204,188)码，它是由RS(255,239)码缩短而成的。 外交织 数据流经外码编码后送到卷积交织器进行字节交织。DVB-T采用(204,12)交织器，M=17，I=12，N=IM=204，交织深度为12个纠错编码包。 内编码 基于1/2比率64状态的基本卷积码生成的收缩卷积码,基本卷积编码器具有6个移位寄存器，每输入1个比特 输出2个比特 和 ：,卷积收缩码图样和输出序列,接收端使用1/2比率的维特比译码器，在被收缩的位置上插入一个 特殊的符号“”(=Dont Care）。,内交织,比特交织：,符号交织：,2K模式：,8K模式：,QPSK： v=2 16-QAM：v=4 64-QAM：v=6,QPSK和QAM调制,QPSK调制：一个符号包含2bit即,映射到 星座图,生成4种相位不同但幅度相同的调制载波：,、,、,称为四相键控调制即QPSK。若原始数字序列的码率为R，则经 QPSK调制后的符号率为R/2，提高了信号传输的效率。,M-QAM调制：,和 分别对正交的载波调制，生成M种不同相位或不同幅度的调制载波，称为M正交幅度调制即M-QAM,若原始数字序列的码率为R，则经M-QAM调制后的符号率为 。,M越大传输效率越高，但在相同的信号平均功率S下，星座点的最小欧氏距离越小，抗误码性能越差。,4.4.4 COFDM信号的形成与传输,在多径传播下，当多径延时较大时，相关带宽f =1/可能小于 信号带宽，造成频率选择性衰落，产生严重的码间干扰。正交频分 复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 是一种多载波并行传输方式，N路降码率的数据符号并行地在N路 载波中传送，使每路载波的带宽小于f ，有效地抑制码间干扰。 多径传播还会引起平坦性衰落和多普勒频移，使OFDM各载波间的 正交性受到破坏。COFDM（Coded OFDM）借助编码和交织，使 各路载波受到的衰落近似统计独立，从而消除平坦性衰落及多普 勒频移的影响。,OFDM原理,OFDM的N个载波单元定义为：,fk=fc+k/Tu k=0，1，N-1,j,k（t）= gk（t-jTu