第5章数字电视的国际标准1

1、数字电视原理数字电视原理第五章第五章 数字电视的国际标准数字电视的国际标准12/2/202115.4 JPEG标准标准nJPEG的目标：的目标：JPEG用于用于连续变化连续变化的的静止静止图像图像 连续变化是指灰度等级和颜色两方面的连续变化连续变化是指灰度等级和颜色两方面的连续变化n静止图像数据压缩标准静止图像数据压缩标准 JPEGJoint Photo-Graphic Experts Group联合图像专家组联合图像专家组从从1986年正式开始制订年正式开始制订,由多个国际组织联合制定由多个国际组织联合制定:国际标准组织国际标准组织 ISO国际电报电话咨询委员会国际电报电话咨询委员会 CCI

2、TT(后改为国际电信联盟后改为国际电信联盟ITU)。 国际电工委员会国际电工委员会(IEC)也参加合作也参加合作1992年年7月通过了标准的第一部分，后又对有关测试月通过了标准的第一部分，后又对有关测试标准草案标准草案(即标准的第二部分即标准的第二部分)作了进一步修改作了进一步修改 12/2/202125.4 JPEG标准标准nJPEG包含两种基本压缩方法：包含两种基本压缩方法：有损压缩：基于有损压缩：基于DCT的有损压缩，又称为基线顺序编的有损压缩，又称为基线顺序编解码解码(Baseline Sequential Codec)方法方法无损压缩：又称预测压缩方法无损压缩：又称预测压缩方法nJP

3、EG编码压缩的基本算法与编码压缩的基本算法与H.261的的帧内模式帧内模式相似，相似，JPEG标准的图像压缩是在本帧内进行标准的图像压缩是在本帧内进行, 与前后帧无关与前后帧无关nJPEG可用于活动图像压缩编码，只不过压缩方法只限于可用于活动图像压缩编码，只不过压缩方法只限于帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活动图帧内进行，不作运动补偿和帧间差运算。这种用于活动图像的压缩技术称作：像的压缩技术称作：M-JPEG(Motion-JPEG), 主要用于高主要用于高质量图像压缩编码方案中，例如电视台节目编辑中质量图像压缩编码方案中，例如电视台节目编辑中12/2/202135.4 JPEG标

4、准标准1. 基于基于DCT的编码器和解码器的编码器和解码器 n基于基于DCT的的JPEG编码器：编码器： 正向DCT量化器熵编码器压缩图像数据专用数据表专用数据表基于DCT的编码器源图像数据88方块12/2/202145.4 JPEG标准标准n基于基于DCT的的JPEG解码器：解码器：反向DCT去量化器熵解码器压缩图像数据专用数据表专用数据表基于DCT的解码器重建源图像12/2/202155.4 JPEG标准标准nJPEG标准中的像素标准中的像素 以以NTSC制为例，它的视频最高频率为制为例，它的视频最高频率为4.2MHz，故抽，故抽样频率可取样频率可取8.4MHz至至9MHz NTSC制制

5、行频行频 行周期行周期 每行的显示时间每行的显示时间 若设抽样频率若设抽样频率 52559.9415734.252HfHz163.5556HHtsf0.835dHtt0.835 63.555653.069dts9.045sfMHz12/2/202165.4 JPEG标准标准则则 时间内的抽样数时间内的抽样数N如下式所示如下式所示 抽样数抽样数N:一行中的显示区或称一行中的显示区或称有效像素区有效像素区中的像素数中的像素数 dt9.04553.069480sdNftMHzs12/2/202175.4 JPEG标准标准n像素形状像素形状又称为纵横比，按又称为纵横比，按JPEG标准规定像素纵横比为标

6、准规定像素纵横比为1：1，也就是像素为正方形也就是像素为正方形例如上述例如上述NTSC制中一行像素为制中一行像素为480个，若像素纵横比个，若像素纵横比为为1：1，图像尺寸纵横比为，图像尺寸纵横比为3：4，则一帧图像应有的，则一帧图像应有的行数为行数为48034360行行光栅转换或扫描转换：光栅转换或扫描转换：NTSC制一帧图像为制一帧图像为525行，其行，其中包含两场，若扣除两场的场消隐所需中包含两场，若扣除两场的场消隐所需74行，则余行，则余451行行,转换到转换到360行行,则需要并行。按则需要并行。按 ，则每则每10行需要并成行需要并成8行，这就是图像光栅处理中常用行，这就是图像光栅处

7、理中常用的光栅转换或扫描转换的光栅转换或扫描转换360/45180%12/2/202185.4 JPEG标准标准nJPEG压缩流程示意图压缩流程示意图12/2/202195.4 JPEG标准标准2. 离散余弦变换和离散余弦变换和DCT系数量化系数量化nJPEG标准是将标准是将“二维二维”空间的图像数据用离散余弦变换空间的图像数据用离散余弦变换DCT公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系公式变换到二维频域成为二维频率系数。变换后的系数经数经量化矩阵量化矩阵量化量化 亮度量化矩阵亮度量化矩阵 色度量化矩阵色度量化矩阵 161110162440516112121419265860551413

8、162440576956141722295187806218223756681091037724355564811041139249647887103121 12010172929598112100103991718244799999999182126669999999924265699999999994766999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999912/2/2021105.4 JPEG标准标准n量化矩阵量化量化矩阵量化正量化：正量化： 式中式中 为为DCT系数，系数， 为量化步长为

9、量化步长 反量化反量化 ：( , )( , )( , )QG u vGu vQ u v取整数( , )G u v( , )Q u v( , )( , )( , )G u vu vQ u vQG12/2/2021115.4 JPEG标准标准n经经Zig-Zag扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，扫描后，把二维量化系数转换为一维数据序列，以便进行熵编码以便进行熵编码 这种低频在前高频在后这种低频在前高频在后Zig-Zag扫描的排列方式也称扫描的排列方式也称带状编码带状编码，因为它和频带由低到高呈带状一致。这和，因为它和频带由低到高呈带状一致。这和量化步长逐步提高的方式一致，所以也称量化步长逐

10、步提高的方式一致，所以也称门限系数排门限系数排列方式列方式 n对于直流分量对于直流分量DC进行差分脉冲编码进行差分脉冲编码DIFF=DCi-DCi-1DCiDCi-1Bi-1Bi12/2/2021125.4 JPEG标准标准3. 熵编码器熵编码器n熵编码也称无损编码或无误差编码。熵编码分为两个熵编码也称无损编码或无误差编码。熵编码分为两个步骤，其一为中间熵编码，其二是可变长度熵编码步骤，其一为中间熵编码，其二是可变长度熵编码nJPEG标准的标准的DCT变换编码、解码过程及熵编码的具变换编码、解码过程及熵编码的具体操作方法请见附录体操作方法请见附录 12/2/2021135.4 JPEG标准标准

11、4. 数据交换格式数据交换格式SOI帧EOI(表/杂项)帧头扫描1扫描2扫描未DNL段(表/杂项)扫描1ECS0RST0ECS未-1RST未-1ECS未 (MUC1 ),(MUC2 ),.(MUCRi )(MUCn ),(MUCn+1 ),.(MUC末 )熵编码0熵编码末12/2/2021145.5 MPEG-1标准标准 nMPEG-1目标目标MPEG-1标准的设计思想是在标准的设计思想是在1Mbit/s到到1.5Mbit/s的低的低带宽条件下，提供尽可能高的图像质量（包括音频，带宽条件下，提供尽可能高的图像质量（包括音频，以下所指图像均包括音频）。针对以下所指图像均包括音频）。针对CD-RO

12、M、光盘的、光盘的视频存储和放像所制定的数字电视标准视频存储和放像所制定的数字电视标准 nVCD使用使用MPEG-1标准，图像尺寸为标准，图像尺寸为352288，标准速率，标准速率为为1.2Mbit/snMPEG是活动图像专家组是活动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的英文缩写，的英文缩写，MPEG的任务是开发活动图像及其声音的数的任务是开发活动图像及其声音的数字编码标准，成立于字编码标准，成立于 1988年。它是年。它是国际标准化组织国际标准化组织(ISO)和和国际电工委员会国际电工委员会(IEC)联合技术委员会联合技术委员会 l(JTC l)的第的第 29

13、分委员会分委员会(S29)的第的第 l l工作组工作组(WG l l)，其全称是，其全称是 WG l l of SI 29 of ISOIEC JTC l 12/2/2021155.5 MPEG-1标准标准nISO的活动图像专家组的活动图像专家组(MPEG)在在1991年年11月提出了月提出了ISO 11172标准标准的建议草案，通称的建议草案，通称MPEG-l标准。该标准予标准。该标准予 1992年年 l 1月被通过，月被通过， l993年年 8月公布月公布12/2/2021165.5 MPEG-1标准标准1. MPEG-1标准的内容标准的内容nISO/IEC 11172 包括三大部分包括三

14、大部分:ISO/IEC 11172-1 第一部分第一部分 系统系统ISO/IEC 11172-2 第二部分第二部分 视频视频ISO/IEC 11172-3 第三部分第三部分 音频音频 nMPEG-l标准可以处理各种类型的活动图像，其基本标准可以处理各种类型的活动图像，其基本算法对于压缩水平方向算法对于压缩水平方向 352个像素、竖直方向个像素、竖直方向 288个个像素的空间分辨力，每秒像素的空间分辨力，每秒 24/25/30幅画面的运动图像幅画面的运动图像有很好的效果有很好的效果n在在MPEG-l标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧标准中的一帧图像的概念不同于电视中帧的概念，前者一定是逐行扫描

15、的图像，如果待处理信的概念，前者一定是逐行扫描的图像，如果待处理信号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行号是隔行扫描的图像，则编码前必须将其转换成逐行扫描的格式扫描的格式12/2/2021175.5 MPEG-1标准标准nMPEG-1标准采用了一系列技术以获得高压缩比标准采用了一系列技术以获得高压缩比对色差信号进行亚采样，减少数据量对色差信号进行亚采样，减少数据量采用运动补偿技术减少帧间冗余度采用运动补偿技术减少帧间冗余度做二维做二维DCT变换去除空间相关性变换去除空间相关性对对DCT系数进行量化，舍去不重要的信息，将量化后系数进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的的DCT系数按照频率

16、重新排序系数按照频率重新排序将将DCT系数进行变字长熵保持编码系数进行变字长熵保持编码对每数据块的直流分量对每数据块的直流分量(DC)进行预测差分编码进行预测差分编码12/2/2021185.5 MPEG-1标准标准n在在 MPEG-l标准中，考虑到压缩比和随机存取这标准中，考虑到压缩比和随机存取这对矛盾，一共定义了四种图像类型：对矛盾，一共定义了四种图像类型： 1.I帧图像：帧图像： 帧内帧图像，采用帧内编码，不参照其他帧内帧图像，采用帧内编码，不参照其他图像图像2.P帧图像：预测帧图像，参照前一幅帧图像：预测帧图像，参照前一幅 I帧或帧或 P帧图像做帧图像做运动补偿编码运动补偿编码3.B帧

17、图像：双向预测帧图像，参照前一幅和后一幅帧图像：双向预测帧图像，参照前一幅和后一幅 I帧帧或或 P帧图像做双向运动补偿编码帧图像做双向运动补偿编码 4.D类图像：直流类图像：直流(DC)图像，这类图像中只含直流分量，图像，这类图像中只含直流分量，是为快放功能而设计的是为快放功能而设计的12/2/2021195.5 MPEG-1标准标准n帧内图像帧内图像I的压缩编码算法框图的压缩编码算法框图12/2/2021205.5 MPEG-1标准标准n预测图像预测图像P的压缩编码算法框图的压缩编码算法框图12/2/2021215.5 MPEG-1标准标准n双向预测图像双向预测图像B的压缩编码算法框图的压缩

18、编码算法框图 12/2/2021225.5 MPEG-1标准标准nI 帧、帧、P帧和帧和B帧图像的依赖关系帧图像的依赖关系 12/2/2021235.5 MPEG-1标准标准n图像的显示顺序和编码顺序图像的显示顺序和编码顺序 显示顺序：显示顺序：编码顺序：编码顺序：12/2/2021245.5 MPEG-1标准标准nI帧、帧、P帧、帧、B帧的数据字节和压缩比帧的数据字节和压缩比 12/2/2021255.5 MPEG-1标准标准n编解码延时问题编解码延时问题由于编码顺序和显示顺序之间的差异由于编码顺序和显示顺序之间的差异,带来编、解码总带来编、解码总延时达延时达0.81秒时间秒时间这种延时对广播性质的图像传输不会带来任何影响，这种延时对广播性质的图像传输不会带来任何影响，因为用户并不能发现发射端与接收端信号起始时间的因为用户并不能发现发射端与接收端信号起始时间的差异差异对于交互性质的图像传输，例如，数字会议电视则带对于交