数字电视原理

数字电视原理,产品中心2010年11月,内容安排,一、数字电视基本概念二、数字电视系统组成及关键技术三、数字电视标准四、有线数字电视技术基础五、信源编码技术-压缩编码技术六、信道编码和调制七、有线数字电视传输技术八、条件接收（CA）系统九、有线电视传输系统对数字电视信号质量的影响,1.什么是数字电视数字电视是一个系统。它指一个从节目摄制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视系统。,一、数字电视基本概念,2.数字电视实现的意义数字电视系统建成后将成为一个数字信号传输平台：它使整个广播电视节目制作和传输质量显著改善信道资源利用率大大提高提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电视购物，为“三网融合”提供了技术上的可能性。,3.数字电视分类（按清晰度）HDTV：图像分辨率19201080（16：9）SDTV：图像分辨率720756（PAL）720480（NTSC）LDTV：VCD级图像分辨率,4.数字电视的优点数字传输，信号质量高彩色逼真可实现不同分辨率等级接收（HDTV，SDTV）可移动接收，无重影增加节目频道应实现加解密和加解扰，便于展开CA业务准交互和交互其它增值业务,二.数字电视系统组成及关键技术,1、系统组成从横向看：（硬件系统）节目制作数字信号处理传输接收显示从纵向看：（软件系统）物理层传输协议中间件标准信息表示信息使用内容保护,节目制作设备：数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑机、数字字幕机、非线性编辑系统数字处理设备及技术：压缩编/解码设备及技术、数据加/解扰设备及技术、加/解密设备及技术信号传输：地面、有线、卫星接收设备：数字电视接收机（卫星、有线）显示：CRT、LCD、PDP、投影显示等,2.关键技术1)信源编码技术视频压缩编码MPEG-2音频压缩编码MPEG-2（欧洲、日本）AC-3(美国)我国标准：GB/T17975.22000“信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范第2部分：视频”GB/T17975.32000“信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范第部分：音频”,2)传输复用技术数据打包：N个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组传输流复用：将N个打包的数据复合成单路串行传输流标准：国际MPEG-2我国GB/T17975.12000“信息技术运动图像及其伴音信号通用编码第1部分：系统”传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传输，从而使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。,3)信道编码和调制经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有线、卫星）中传输，必须经过某种处理，使之变成适合在规定的信道中传输的形式。在通信原理中把这种处理称为信道编码和调制。信道编码包括：纠错编码、网格编码、均衡等。信道编码目的：提高传输信号在信道中的抗干扰能力标准：GY/T1702001“有线数字电视广播系统信道编码与调制规范”,4)有条件接收（CA）CA只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用户不能使用这一业务。CA涉及技术：前端的加密和加扰技术接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术标准：GY/Z175-2001“数字电视广播条件接收系统规范”,5)软件平台中间件机顶盒中硬件功能：接收RF信号、信道解码、解调。MPEG-2码流解码，模拟视/音频输出。机顶盒中软件功能：电视节目内容显示、EPG节目信息、操作界面的实现等。中间件：是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统。中间件构成：Java虚拟机、JavaScript虚拟机、HTML虚拟机等。,三.数字电视标准,1.国际：三大标准DVB-S欧洲：DVB（数字视频广播）DVB-TDVB-C美国：ATSC（高级电视制式）日本：ISDB（综合业务数字广播）,2.中国：数字电视演播室参数标准数字电视广播标准,GY/T170-2001有线数字电视广播信道编码与调制规范GY/T106-1999有线电视广播系统技术规范GY/Z174-2001数字电视广播业务信息规范GY/Z175-2001数字电视广播条件接收系统规范GY/T148-2000卫星数字电视接收机技术要求GY/T158-2000演播室数字音频信号接口GY/T160-2000数字分量演播室接口中的附属数据信号格式GY/T161-2000数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范GY/T163-2000数字电视附属数据空间内时间码和控制码的传输格式GY/T164-2000演播室串行数字光纤传输系统GY/T167-2000数字分量演播室的同步基准信号GY/T180-2001HFC网络上行传输物理通道技术规范GB/T16694-1996智能卡接口规范,GB/T17975.1-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第1部分系统GB/T17975.2-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第2部分视频GB/T17975.3-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第3部分音频GB/T17881-1999广播电视光缆干线同步数字体系(SDH)传输接口技术规范GB/T17953-20004：2：2数字分量图像信号接口ISO7816智能卡接口规范,符合2003年4月1日国家广电总局科技司发行的有线数字电视暂行技术要求文件汇编,用户管理系统监管平台数据交换接口要求(暂行)运动图像及其伴音信号的通用编码系统、视频和音频部分的实施指南(暂行)有线数字电视条件接收系统应用指南(暂行)有线数字电视广播业务信息应用指南(暂行)有线数字电视电子节目指南指导性意见(暂行)有线数字电视中间件指导性意见(暂行)有线数字电视机顶盒和遥控器功能实施指导性意见(暂行)节目订购单和用户结账单格式基本要求(暂行)有线数字电视广播条件接收系统入网技术要求和评测方法(暂行)有线数字电视广播用户管理系统入网技术要求和评测方法(暂行)EN300429DVB系统中的帧结构、信道编码和调制(DVB-C)EN300428DVB系统中服务信息(SI)规范(DVB-SI)ETR211DVB服务信息(SI)的使用和执行指南(DVB-SI)EN300472DVB的比特流中传送图文信息和规范(DVB-TXT)EN301192数据广播的DVB规范(DVB-DATA)EN50083-9CATV/SMATV前端和DVB/MPEG-2传输流同类专业设备和接口(DVB-PI),EN50221关于条件接收和其它DVB解码器运营的通用接口规范(DVB-CI)TS102201DVBIRD的接口技术规范(DBVB-IRD)TS101197DVB系统中同时加密(simulcrypt)的技术规范(DVB-SIM)TS103197.V1.1.1同密接口ETR289通用加扰系统描述(DVB-CS)ETR154MPEG-2系统、视频和音频在卫星、有线和地面广播应用中的实现指南(DVB-MPEG)ETS300743DVB字幕系统(DVB-SUB)ETS300802DVB交互服务独立网络协议(DVB-NIP)ETS/EN300429DVB系统中的帧结构、信道编码和调制(DVB-C),四.有线数字电视技术基础,1.有线数字电视信号传输等级及传输系统模式1）传输等级LDTV，SDTV，HDTV2)传输系统模式电缆传输PCM方式光纤传输SDH方式光纤同轴混合传输HFC数字调制方式,2有线数字电视的主流标准与方式1)标准：DVB-CATSC-16VSB，ATSC-64QAMISDB-C,2)四种方式：DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C传送方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM频带宽度8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率41.34Mb/s31.64Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s接收滚降15%15%11.5%18%纠错率RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188)压缩方式MPEG-2,3数字电视信号的产生直接产生：字幕机，数字摄像机等转换生产：电影胶片电视电影机模拟-数字（A/D转换）信号数字化,1)信号数字化过程取样：取样频率，Nyquist定理连续信号变换成离散信号量化：将离散信号样值进行离散化处理离散化的量化级量化噪声编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列起来，就得到基带数字信息流。传输速率：传输速率=取样频率fs量化比特数,2）音频信号的数字化取样频率：40KHz。常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。量化比特数：8bit，12bit，16bit。声道：单声道，双声道（立体声）取样频率量化比特数声道数数字音存储量：（字节）8bit例：CD标准取样频率44.1KHz，量化比特数16bit，立体声，存储一分钟数字音乐的容量为10,584,000字节或84,672,000比特。,3）视频信号的数字化编码方式：复合编码将彩色全电视信息直接编成PCM码分量编码将亮度信号Y，色差信号R-Y和B-Y分别编码成PCM码,二者比较：“复合编码”与电视制式有关“分量编码”与电视制式无关在节目后期制作中：“复合”需解码“分量”无需解码传输时：“复合”由于频分复用，产生亮，色串扰“分量”采用时分复用，无亮，色串扰,分量编码取样频率亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声fs=（2.22.7）fmfm=5.8-6MHzfs12.7613.2MHz满足行锁相采样fs=mfH,m为整数使525/652行兼容（525行/60场625行/50场）要采用同一取样频率在13.2MHz附近，只有13.5MHz=15625Hz864(625/50)=15734.264Hz858(525/60)亮度信号取样频率取样13.5MHz,色差信号取样频率：需要满足与亮度信号同样的三个要求取为fS=6.75MHz分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：13.5MHz：13.5MHz=4：4：4Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz=4：2：2（演播室图像质量标准）Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz=4：1：1（4：2：0）4：4：4，4：2：2和4：2：0三种是可以相互兼容，相互转换的由高档转为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。,4：4：44：2：24：2：0,4）量化比特数和量化级,量化比特：Y，B-Y，R-Y都采用8bit均匀量化未经较正的信号采用10bit均匀量化量化级：亮度信号8bit，256个量化级，0-255为防止过载上端留20级下端留16级量化级16表示黑电平量化级235表示白电平,5）ITU-R601建议编码主要参数（4：4：4格式）参数625行50场/s制式525行60场/s制式1，编码信号经过校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB2，各信号的全行样点数8648583，取样结构正交，按场，行，帧重复，并与此4：2：2标准的亮度样点重合4，每种信号的取样频率13.5MHz5，编码方式每样值至少8比特均匀量化PCM6，用样点表示的数字有效行长度至少7207，视频信号电平每样值共220量化级，黑电平对应于第16量化级；8比特的最高有效位峰值白电平相应于第235量化级（MSB）量化级之间的在量化等级中部共分224级，零电平对应128级对应值（范围：0255）,参数625行50场/s制式525行60场/s制式1、编码信号Y、R-Y、B-Y2、全行样点数亮度信号(Y)864858每个色差信号(R-Y、B-Y)4324293、取样结构正交，场、行、帧重复，R-Y和B-Y的样点同位，并和每行第奇数个(1，3，5.)Y样点同位4、取样频率亮度信号13.5MHz每个色差信号6.75MHz5、编码方式线性PCM、8比特量化/每个取样值6、每数字有效行数样点数亮度信号720每个色差信号3607、视频信号电平与量化级间的对应值亮度信号共22个量化级，黑电平对应量化级16；峰值白电平对应量化级235每个色差信号在量化等级中间部，共分224级，零电平对应于128级,6）ITU-R601建议编码主要参数（4：2：2格式）,数字电视信号的码率,1）标准清晰度数字电视（SDTV）：在ITU-R601标准中，采用10bit量化时，亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=13.5MHzX10bit=135Mbps2个色差信号的码率为2X6.75MHzX10bit=135MbpsSDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=135Mbps+135Mbps=270Mbps,2）高清晰度电视（HDTV）：在SMPTE274M数字电视标准中，采用10bit量化时，亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2个色差信号的码率为2X37.125MHzX10bit=742.5MbpsHDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=742.5Mbps+742.5Mbps=1485Mbps,数字电视信号的有效码率,有效码率（视频有效码率）：1）标准清晰度数字电视信号的有效码率是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的60%-80%。在ITU-R601标准中，8bit量化时，NTSC（480/60i）亮度信号的有效码率为：每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=720X480X8X30=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：2X360X480X8X30=82.944Mbps总有效码率为：亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（480/60i）,PAL（576/50i）亮度信号的有效码率为：每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=720X576X8X25=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：2X360X576X8X25=82.944Mbps总有效码率为：亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（576/50i）,2）高清晰度数字电视信号的有效码率在SMPTE274M数字电视标准中，采用8bits量化时1080/60i信号格式量度信号的有效码率为每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=1920X1080X8X30=497.664Mbps2个色差信号的有效码率为2X960X1080X8X30=497.664Mbps总有效码率为2X497.664=995.328Mbps（1080/60i）1080/50i信号格式的有效码率为1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i）,数字电视技术中电视系统的表示方法示例,1080/60i：1080表示每帧有效扫描行数，60表示帧频或场频，i表示隔行扫描。720/50P：720表示每帧有效扫描行数，50表示帧频或场频，P表示逐行扫描。NTSC制可表示为：480/60iPAL制可表示为：576/50i1080/60i还可表示为：1080/60/2：1720/50P还可表示为：720/50/1：11080/60i还可表示为：108060i720/50P还可表示为：72050P,五.信源编码技术压缩编码技术,1数字视频压缩的必要性HDTV19201080显示格式数字化后传输速率995Mb/SSDTV复合编码135Mb/S分量编码4：2：2216Mb/S存储：2小时HDTV，存储量7164Gbit/S2小时SDTV，存储量972Gbit/S复合编码1555Gbit/S分量编码传输：HDTV需1Gb/S信道SDTV需12个155Mb/S信道无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。,2压缩编码方法,1)利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩电视图象中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同，具有时间相关性，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。2)利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。,3)利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩对经常出现的数据用短码组表，对不经常出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。从而实现与统计冗余有关的压缩。4)利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩人眼的视觉特性：对亮度信号比对色度信号敏感对低频信号比对高频信号敏感对静止图象比对运动图象敏感对图象中水平和垂直线条比对斜线条敏感包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。,3基本的图象压缩编码技术,1)分类冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。即它是可还原的。信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。即它是不可还原的。,2)图象压缩技术优劣评估条件信息压缩比：压缩前后所需的信息存储量之比重现图象精度：重现的图象与原图象相比有多大失真执行速度：压缩算法要多少时间完成压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。,电视节目制作：压缩比2：1至8：1Sony数字Betacam录象机2.37：1模拟分量录象机BetacamSP8：1VCD母盘，压缩比12：1采用帧内压缩方式，JPEG标准。电视广播：压缩比15：120：1采用帧间预测编码，MPEG2标准有线数字电视压缩比可加大至30：1，MPEG2标准,3)基本压缩编码方法,预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测）。利用象素的相关性还可进一步减小差值。,DPCM系统原理图,离散余弦变换（DCT）DCT(DiscreteCosineTransform)是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。DCT是先将整体图像分成NN像素块，然后对NN像素块逐一进行DCT变换。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受的。,游程长度编码（RunlengthEncoding）是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。在用之字形读出方式情况下，出现连零的机会较多，尤其在最后，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，从而节省很多码率。通常，DCT系数量化之后，都采用之字形方式读出。霍夫曼（Hoffman）编码霍夫曼(Hoffman)编码(属于统计编码)是可变字长编码(VLC:Variable-LengthCoding)的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。,4视频压缩编解码标准,1）H.261标准1980年CCITT通过为国际标准用于可视电话，P64Kb/S，P=130可变，（641920)Kb/S用于会议电视，P36H.261(又称P64)是最早的一个码率压缩标准。,2）JPEG标准1986年提出，1992年公布为国际标准。属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。压缩比：325.3接近原始图象质量5.311图象很好,满足绝大多数应用1116图象好,满足多数应用1532图象较好,满足某些应用,3）MPEG1标准1988年提出，1992年公布为国际标准典型应用如VCD等家用数字音象产品。最高编码速率1.8Mb/S实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码信源输入格式为SIF（SourceInpntFormat），如为CCIR601格式的信源要转换成SIF格式才能输入MPEG1编码器。,a）MPEG-1标准于1992年出版，目标是“对当比特率为1.5Mb/s时，用于数字存储媒体的动态图像及其伴音的编码”。它首先提出了流（Sequence）数据结构，使视频数据的描述更加完善。b）为了解决随机访问和高效压缩的要求冲突，在MPEG-1中定义了四种主要的图像类型：I帧、P帧、B帧和D图像。I帧只使用帧内编码，必须传递，P帧用于前向预测，B帧用于双向预测，D图像用于甚低频图像的浏览。c）MPEG-1视频压缩中主要用到两项基本技术：1、基于1616块运动补偿：适用于预测编码和插补编码，用于减少帧序列的时间冗余度；2、基于变换域(DCT)的压缩技术：用于减少空间冗余度。在MPEG-1中，DCT不仅用于帧内压缩，而且对帧间预测误差，也可再作DCT变换，以达到进一步压缩的目的。MPEG-1中的帧内编码：像素点的DCT编码与JPEG相似，先进行DCT变换，然后通过量化和零行程等混合编码达到压缩。但在系数量化阶段，MPEG的量化器考虑到运动信息和视觉质量提出了若干改进，如视觉权量化，即以视觉域值作为量化矩阵的步长；帧内块和非帧内块区别量化，对帧内的宏块和非帧内块采取两种不同的量化器；可调整量化器，在块与块的基础上对量化步长作自适应调整。,d）MPEG-1中用到帧间编码：视频压缩标准中，几乎都用到了运动补偿技术(简称MC技术)，一般为“简单帧间预测+运动补偿”框架。MC技术通常由以下几个方面组成：1、图像分割：将视频图像分割成静止和运动两部分；2、运动检测和估值：检测运动类型(平移、旋转和缩放等)，估计运动物体的位移值；3、运动补偿：用位移估值(即运动矢量)进行运动补偿预测；4、预测信息编码：对预测信息进行编码，作为边信息传送给接收端。图像分割（它是MC技术的基础），采用了两种方法：块匹配法(BMA)和像素递归法(PRA)。1、BMA是把图像分成若干矩形子块，适当选择子块大小，把子块分成静止和运动两类，估计出运动子块的位移，进行预测编码。2、PRA则是对每个像素的位移进行递归估计,其精度相对来说较高，对多运动图像适应能力强，但跟综能力较弱，且实现复杂。BMA虽精度较低，但位移跟综能力较强，且实现简单，很有实用性。e）在MPEG-1中，帧间预测后宏块被送入DCT变换，而运动矢量则用DPCM编码，再经VLC量化和霍夫曼编码后完成压缩过程。,4）MPEG2标准1988年提出，1994年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括SDTV和HDTV）的信源编码标准。MPEG是运动图像专家组(MovingPicturesExpertGroup)的缩写，成立于1988年，以建立活动图像及相应音频的编码标准。MPEG-2的主级和主类提供720576(PAL)25帧的ITUR601建议图像质量。在压缩比为301或更小时，MPEG-2可以提供广播质量的编码图像，MPEG-2也可工作在大压缩比如2001下，效果与MPEG1相差不大（即与MPEG-1兼容）。a）MPEG2是一个系统，它的作用是：对音频、视频、数据、控制等基本比特流实现复用提供各种定时及初始化经解码器提供PSI（节目特定信息）支持有条件接收（CA），随机接入，数字存储和纠错b）MPEG-2系统输出两个数码流：节目比特流PS，用于相对无误差的环境传输比特流TS，用于有噪声媒质,c）MPEG-2的类与级1、MPEG-2有4种输入格式，称为级(Levels或等级)。从有限清晰度的VHS(家用录像系统)质量图像直到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。除了在源格式提供这种灵活性之外，MPEG-2还有不同的处理方法，称为类(profiles或层面)，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。2、MPEG2共分类，较高的类编码更精细，而且每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具。简单类(SP)主类(MP)信噪比可分级类SNRP空间可分级类SSP高级类(HP)：格式在主类上的类是信噪比可分级类(SNRP)、空间可分级类(SSP)、高级类和4:2:2格式。这允许将编码的视频数据分为基本层和另一个或更多的上层信号。基本层表示编码图像的基本数据但代表的图像质量较低。上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。,d）图像的4个级别：低级(LL：LowLevel)的输入格式的像素是ITU-R601格式的1/4，即35224030或35228825，相应编码最大输出码率为4Mb/s。主级(ML：Mainlevel)：输入格式完全符合ITU-RRec.601格式，72048030或72057625，输出最大码率除高级类和4:2:2外是15Mb/s，高级类主级是20Mb/s，4:2:2是50Mb/s。高1440级(H14L：High1440Level)：是每行1440有效像素的高清晰度格式。除高级类外，最大输出码率为60Mb/s，相应的高级类输出码率为80Mb/s。高级(HL)：输入是每行1920有效像素的高清晰度格式，输出最大码率为80Mb/s，相应的高类输出码率为100Mb/s。,e）MPEG-2的类和级的组合如下图(常用缩写表示如MPML主类主级、MPHL主类高级等)。,在24个所选组合中有12个是获准通过的。图中显示了每种组合的最大分辨率(水平垂直)、最大帧速、最高码速和解码器必须的缓存容量。最广泛采用的类和级是MPML和SPML。4:2:2是对主类的修改，它用4:2:2色度格式代替了MPEG-2标准中其它类所共用的4:2:0格式。由于色差数据量增加，故规定了比主类更高的数据率。4:2:2主要用于演播室设备，故又称演播室类或专业类。MPEG-2的色度格式除专业类外，都是4:2:0(或4:1:1)，图像类型(除简单类为I、P外)都是I、P、B。在所有MPEG-2实际实现中应指明所选用的组合，由于MPML最普及，通常说MPEG-2，就意味着MPML。,f）系统结构及基本码流结构MPEG-2标准的系统部分：它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，使之便于存贮和传输。定义了一套系统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。系统层中的信息流通方式如下：首先，数据从视频、音频编码器而来，称为基本码流(ES)，然后，ES被分别打包，形成两个打包的基本码流(PES)，再后，PES被复接成一个节目码流(PS)和一个传输码流(TS)，附图给出了MPEG-2系统的简化总体结构。,两种比特流的区别：节目码流（PS）用于误码比较小的传输或存贮媒介，节目码流可以是固定码率也可以是可变码率，其数值在系统时钟参考(SCR)中定义，为本地应用相对于无误码的环境设计；传输码流（TS）用于误码比较大的传输或存贮媒介，其码率可以是固定的或不固定的，其数值在节目时钟参考(PCR)中定义。它是为广播应用而设计，即TS是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的，那里往往需要把几个信道集合成一束数据。TS用在广播系统和长距离网络中。在TS中可以包括多个节目。因此接收TS时首先要解复用。PS和TS是各针对一类应用而设计的。都以数据包为基础。PS的包长可变，通常较长；TS的包长固定为188字节，包头4个字节，184个净荷字节。并可与ATM适配。,MPEG-2系统作用如下：a）对音频、视频、数据、控制等基本比特流起系统复用的作用。b）提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始化和管理，音频和视频的解码时间、显示时间。c）给解码器提供PSI信息，使之更容易和更迅速的找到所需要的节目。d）给误差恢复、有条件接收（CA）、随机接入以及数字存储控制提供支持。,视频基本码流(ES)层次结构：如附图所示。不管那一种码流，都可以分成6个层次：视频序列层(Sequence)，图像组层（GOP），图像层，像条层，宏块层，像块层，除了宏块和像块层，上四层都从相应的起始码(SC：StartCode)开始。这种码是专门预留的，从来不出现在码流中，因此可以作为同步识别用。一旦因误码或其他原因收发失去同步时，重新同步的过程首先就是从比特流中寻找相应的起始码。一旦在正确的间隔上发现有效的起始码时，解码就可以重新开始。,视频序列层：在起始码后是序列头，包括了图像尺寸，宽高比，图像速率等信息。在序列头后面总是跟着包含附加数据的序列扩展数据。为了确保能在不同的时间随时进入视频序列，MPEG-2允许重复发送序列头。序列层结束在序列结束码(SEQEC)。图像组层：图像组是指相互间有预测和生成关系的一组图像。在起始码后面是可选的GOP头，包括了时间信息，但这一信息并不是解码中实际使用的信息，即便丢失，解码也可以继续进行。分成图像组的一个目的是在同一序列内可随时进入不同的图像。图像层：它包括了不同种类编码的图像。在MPEG2中图像分成三种编码类型：帧内编码的图像(IntraCodedPicture)称为I帧；双向预测编码的图像称为B帧；前向预测编码的图像称为P帧。在某些场合下还有D帧(Dframe：DCCodedPicture)或称D图像，指只使用DCT数据中的DC分量编码的图像。,像条层：图像层下面是像条层(slice)。每一个像条包括一定数量的宏块，其顺序和行扫描顺序一致。像条可以从一个宏块行(16行宽)的任何一个宏块开始。在MPEG-l中，像条可以包括多个宏块行，但在MPEG-2MPML中一个像条必须在同一宏块行中起始和结束。一个像条至少应包括一个宏块。像条是最低的比特流级别，即一旦因误码失步可以根据起始码重新同步。起始码对以上各层都是相同的。宏块层：像条层下面的是宏块层(Macroblock)，宏块层已是整个结构的最下层。最前面是宏块层说明，表示用什么编码模式，后面是运动矢量以及1616位数据。像条的第一个宏块中包含了绝对运动矢量值，而其他宏块包含的是前面宏块运动矢量的差值。MPEG-2定义了三种宏块结构，如附图所示。这三种结构为：4:2:0宏块；4:2:2宏块和4:4:4宏块，分别包括6，8，16个像块。尽管像块是最低一层，但从数据结构来说除了有块结束码外，已无结构描述码，因此把宏块作为结构的最下层。,像块层：在MPEG-2中，块“Block”可以是88样值，既可称为像块，也可以是88DCT系数或重组数据，这时应称为系数块或数据块。所有上述各个层次都与一定的信号处理有关:视频序列实际上是节目的随机进入点；GOP则是视频编辑的随机进入点；图像（或帧）是编码处理的单位；像条是用于同步的单位；宏块是运动补偿处理的单位；像块是DCT处理单位。,MPEG-2简化的编、解码方框图MPEG-2的编码流程是：输入一个I帧、P帧或B帧；在B帧或P帧的情况下进行运动预测补偿；进行88像素的DCT变换；变换系数被量化(量化级安排依赖于可用的比特率)；完成变字长编码，实现比特率的缩减。MPEG-2的解码流程是MPEG-2的编码流程的反过程。以下分别示出了MPEG-2编码器和解码器的简化方框图。,PES的结构及其产生框图视频基本码流(ES)经打包器输出的是打包的基本码流(PES)，它是编码器与解码器的直接连接形式。通常PES包的长度固定，视频一般一个帧一个PES包，音频不超过64k比特。PES包，其结构示于附图。由图可见，它侧重于编、解码的控制，包括版权说明（是原始的节目还是复制节目），加入解码时间和显示时间的时间标志，表达时间印记和显示时间印记PTS和DTS，说明数字存储媒体(DSM)的特殊模式等。,TS的结构及其产生框图PES经过复用再打成188比特的固定长度包便形成TS流或TS包。TS流是各传输系统之间的连接形式，是传输设备间的基本接口。其结构如图示。TS由带有一个或多个独立时基的一个或多个节目组合而成，注意：TS不是由节目码流PS构成，而由PES复接而成。,每一个打包在TS中的PES都伴有一个包标识符(PID)。一个特定节目的所有TS包不管它是视频、音频还是数据，都能借助于它们的PID从复合的码流中提取出来。一个或几个节目被加进（复接）TS中，也可被提取（解复用）出来。一个TS中的每一个节目关联到一个独立的时钟。TS侧重于传输方面的结构和说明，如加入同步、说明有无差错、有无加扰等。其中包的识别对解码有着重要作用，是识别码流和信息的标签。产生TS的结构图和产生TS分接和解码框图亦如下。,MPEG-2的同步MPEG算法提供一定的定时方法，保证视音频的同步。MPEG-1为解码器制定了两个时钟：系统时钟基准（SCR）显示时间标记（PTS）MPEG-2为解码器制定了三个时钟：系统时钟基准（SCR）显示时间标记（PTS）节目时钟基准（PCR）系统时钟基准（SCR）：90KHz，即一天24小时中产生7.8x10E9个时钟。为保持SCR对视音频的一致性，MPEG视频及音频编码器至少每0.7s（最小值）将SCR插入到MPEG的码流中。在接收端的系统解码器中SCR被提取出来，再分别送到视频、音频解码器中。视频及音频解码器使用由系统解码器送来的SCR值刷新它们的内部时钟。从而与发送端的编码器同步。,显示时间标记（PTS）：是与视频及音频显示单元有关的编码器系统时钟的样本，显示单元是一个解码的视频或音频时间序列。PTS代表了视频图像被显示的时间或音频时间序列的起始回放时间。编码器至少每0.7s（最小值）将SCR插入一个PTS到MPEG码流中。PTS用于通知解码器何时显示一个已解码的图像帧，由于一个PES包对应一帧图像，因此每个PES包中均应设定与该图像帧对应的PTS值。节目时钟基准（PCR）：仅应用在MPEG-2中。PCR用在传送码流（TS）中（如像SCR被用在MPEG-1的系统码流中一样），由于每个节目均有其本身的时钟基准，故包含多个节目的传送码流（TS），对每个节目各有其本身的PCR域值。,MPEG-2编/解码器接口,MPEG-2数据信号的三种接口：同步并行接口（SPI）同步串行接口（SSI）异步串行接口（ASI）三种接口连接的设备：QPSK解调器、QAM调制器、复用器、解复用器、电信网络适配器。三种接口采用的传送包结构：204/188,同步并行接口（SPI）应用：用于数据速率可变的并行传输系统，主要用于设备较多的环境。同步：数据传输通过MPEG-2传输流中的字节时钟来同步。传输链路：传输输送链路采用LVDS（低压差分驱动）、25针D型超小型连接器。信号格式：SPI信号是将时钟、数据和同步信号并行传输，即8个数据位、1个MPEG-2包同步（PSYNC）信号、1个数据有效（DVALID）信号，一共10bits一起并行传输。所有信号均与时钟信号同步，且以非归零码（NRZ）形式编码。时钟信号频率fp=fu/8（包长为188字节）；fp=（204/188）fu/8fp（包长为204节）。fu对应于MPEG-2传送层的有用比特率Ru，时钟信号频率fp=13.5MHz。,异步串行接口（ASI）：应用：ASI仅用于点对点链路。ASI协议结构：三层结构，第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器、传输速率。物理接口有LED驱动的多模光纤和同轴电缆两种。光纤连接器符合IEC874-14的SC型连接器，同轴电缆连接器为BNC型。基本传输速率定义为270Mb/s（传输信道速率）。第1层为数据编码层：规定串行编码规则、专用字符及差错控制。编码采用8B/10B传输码；差错校验由无效传输码点和“游程”不等性来实现；专用字符定义为编码数据字节未用的附加码点。第2层为MPEG-2层：定义传送包同步、传送包格式、传送包定时。由MPEG-2标准规定。,同步串行接口（SSI）：同步串行是指以不同速率的串行输出方式，其传输速率与数据速率相等。应用：几条链路级联的多级传输链路。SSI协议结构：三层结构，第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器。第1层为数据编码层：规定与传输媒介无关的编码处理，保证全透明地进行串行或解串行处理。第2层为传送协议层：符合MPEG-2标准。,串行数据接口SDISDI信号指符合ITU-RBT601建议的数字视频信号。我国已将该建议等同为国家标准GB/T17953-2000，其中规定了比特并行和比特串行两种接口信号格式。对SDI信号而言，它是一种10bits字长的复用数据流，以27MS/s的符号率传送，即它的传输速率为270Mb/s。SDI的取样采用4：2：2格式，传送顺序为Cb、Y、Cr、Y、Cb、Y。,HD-SDI高清晰度串行数字分量接口:HDTV使用符合SMPTE292M标准的串行数字分量接口传输数字分量电视信号及其内嵌的多路数字音频信号,其取样频率为国为74.25MHz,量化电平10bits,码率为1485Mbps。使用75BNC连接器和75同轴电缆，用8281电缆时最大传输距离100米。,5）MPEG4标准1993年提出，2000年公布为国际标准。与MPEG1和MPEG2有很大不同，它更基于内容的交互性，高的压缩率和灵活多样的存取模式。目前主要用于流媒体。,MPEG-4主要是针对多媒体交互应用等通信领域。MPEG-4试图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，MPEG-4引入AV对象（Audio/VisaulObjects），使得更多的交互操作成为可能。1AV对象（AVO）：AV对象的基本单位是原始“AV对象”，它们可能是一个没有背景的说话的人，也可能是这个人的语音或一段背景音乐等。它具有高效编码、高效存储与传播及可交互操作的特性。在MPEG-4中，AV对象有着重要的地位。MPEG-4对AV对象的操作主要有：(1)采用AV对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容。(2)允许组合已有的AV对象来生成复合的AV对象，并由此生成AV场景。(3)允许对AV对象的数据灵活地多路合成与同步，以便选择合适的网络来传输这些AV对象数据。(4)允许接收端的用户在AV场景中对AV对象进行交互操作。(5)MPEG-4支持AV对象知识产权与保护。,2MPEG-4标准的构成1）多媒体传送整体框架（DMIF，TheDelliveryMultimediaIntegrationFramework）。DMIF主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过传输多路合成比特信息来建立客户端和服务器端的握手和传输。通过DMIF，MPEG-4可以建立起具有特殊品质服务(QoS)的信道和面向每个基本流的带宽。2）数据平面。MPEG-4中的数据平面可以分为两部分：传输关系部分和媒体关系部分。为了使基本流和AV对象在同一场景中出现，MPEG4引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT）的概念。OD传输与特殊AV对象相关的基本流的信息流图。桌面把每一个流与一个CAT（ChannelAssosiationTag）相连，CAT可实现该流的顺利传输。3）缓冲区管理和实时识别。MPEG-4定义了一个系统解码模式（SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。,4）音频编码。MPEG-4的优越之处在于，它不仅支持自然声音，而且支持合成声音。MPEG-4的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征。5）视频编码。与音频编码类似，MPEG-4也支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。6）场景描述。MPEG-4提供了一系列工具，用于组成场景中的一组对象。一些必要的合成信息就组成了场景描述，这些场景描述以二进制格式BIFS（BinaryFormatforScenedescription）表示，BIFS与AV对象一同传输、编码。场景描述主要用于描述各AV对象在一具体AV场景坐标下，如何组织与同步等问题。同时还有AV对象与AV场景的知识产权保护等问题。MPEG4为我们提供了丰富的AV场景。,3.应用前景：MPEG4的应用前景将是非常广阔的。它的出现将对以下各方面产生较大的推动作用：数字电视；动态图象；万维网（WWW）；实时多媒体监控；低比特率下的移动多媒体通信；用于内容存储和检索多媒系统；Internet/Intranet上的视频流与可视游戏；基于面部表情模拟的虚拟会议；DVD上的交互多媒体应用；基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用；演播电视等。,6)H.2641999年开始制定，2004年年底发布H.264建立在块匹配混合编码基础上，采取一系列高效压缩编码技术的开放式标准新标准H.264在H.263与MPEG-4基础上的性能提升，必将对视频移动通信，视频流服务，HDTV等领域的IP视频传输和存储产生极其深远的影响在相同的SNR下，平均码流H.264比MPEG-4降低41%，比H.263降低52%，比MPEG-2降低67%（一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps),H.264编码简介H.264标准可分为三档：1、基本档次（其简单版本，应用面广）；2、主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于SDTV、HDTV和DVD等）；3、扩展档次（可用于各种网络的视频流传输）。H.264的优势：1、在相同的恢复图像质量条件下，比H.263和MPEG-4节约了近50的码率，2、对网络传输具有更好的支持功能：a）它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输；具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输；b）支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量；c）能适应于不同网络,H.264视频压缩系统H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络提取层（NetworkAbstractionLayer，NAL）两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码，它包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送，它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。包头中包含存储标志和类型标志。存储标志用于指示当前数据不属于被参考的帧。类型标志用于指示图像数据的类型。VCL可以传输按当前的网络情况调整的编码参数。H264标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。H.264的推广