第4章数字彩色电视制式

1、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数字彩色电视制式概述模拟彩色电视制式的缺陷模拟彩色电视制式的缺陷高清晰度电视的需求高清晰度电视的需求数字技术的发展数字技术的发展国际电信联盟国际电信联盟(ITU)(ITU)对高清晰度电视的定义：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垂直和水平方向的空间分解力大致是CCIR601CCIR601号建议号建议书中规定值的两倍，例如水平书中规定值的两倍，例如水平19201920像素，垂直像素，垂直10801080像像素；素；宽高比为宽高比为16:916:9，屏幕对角线长度大于，屏幕对角线长度大于1 1米

2、，并配有多米，并配有多声道优质伴音；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，相当于或达到观看真实景物的效果，相当于35mm35mm电影放映的电影放映的图像质量。图像质量。4.1.1 多极化的传输标准多极化的传输标准美国美国19861986年以前支持日本的年以前支持日本的MUSEMUSE制制19871987年提出发展年提出发展ATV(AdvancedATV(Advanced Television Television，高级电视，高级电视) )19901990年年5 5月月, ,美国美国GIGI公司正式发表

3、全数字公司正式发表全数字HDTVHDTV传输制式传输制式DigiCipherDigiCipher19931993年年5 5月成立月成立HDTVHDTV大联盟大联盟(Grand Alliance, GA)(Grand Alliance, GA)，着手，着手制定统一的美国制定统一的美国HDTVHDTV标准标准19951995年年4 4月通过了月通过了ATSC(AdvancedATSC(Advanced Television System Television System Committee)Committee)数字电视标准数字电视标准欧洲欧洲19811981年英国独立广播公司研制出年英国独立广播

4、公司研制出C-C-MAC(MultipledMAC(Multipled Analogue Component)Analogue Component)制制: :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，视频带宽带宽8.4MHz8.4MHz19861986年提出年提出HD-MACHD-MAC制制受美国数字制式影响，受美国数字制式影响，19931993年开展年开展DVB(DigitalDVB(Digital Video Video Broadcasting)Broadcasting)研究研究19951995年，欧洲成立了年，欧洲成立了

5、DVBDVB联盟，共同制定数字电视的联盟，共同制定数字电视的DVBDVB标准：标准：DVB-DVB-S(SatelliteS(Satellite) )、 DVB-DVB-C(CableC(Cable) )、 DVB-DVB-T(TerrestrialT(Terrestrial) )日本日本l日本广播协会日本广播协会(NHK)1970-80(NHK)1970-80年代提出模拟高清晰度电视年代提出模拟高清晰度电视制式制式MUSEMUSE制（多重亚奈抽样编码）：制（多重亚奈抽样编码）：11251125行，行，6060场，隔行扫描，场，隔行扫描，16:916:9幅型比；色度信号与亮幅型比；色度信号与亮

6、度信号时分复用：度信号时分复用：TCITCI（时间压缩合成）；多重亚奈抽样（时间压缩合成）；多重亚奈抽样压缩信号频带：压缩信号频带：4 4场传送场传送1 1幅幅HDTVHDTV图像；图像；8.1MHz8.1MHz带宽，调带宽，调频传送频传送l19961996年启动数字电视研制年启动数字电视研制l19981998年年9 9月制订月制订ISDB-ISDB-T(IntegratedT(Integrated Services Digital Services Digital Broadcasting -Terrestrial)Broadcasting -Terrestrial)数字电视地面广播系统标数

7、字电视地面广播系统标准，与欧洲的准，与欧洲的DVB-TDVB-T类似类似中国中国l20022002年组建音视频技术（年组建音视频技术（AVSAVS）标准工作组）标准工作组l20062006年视频部分正式颁布为国家标准年视频部分正式颁布为国家标准需要注意：上述标准适用于需要注意：上述标准适用于HDTVHDTV和和SDTVSDTV 4.1.2 通用的压缩编码标准通用的压缩编码标准 数据压缩的必要性数据压缩的必要性4:2:2 4:2:2 ，PALPAL：86486462562525252 28=216Mb/s(108MHz)8=216Mb/s(108MHz) 数字电视系统框图数字电视系统框图 通用的

8、信源编码标准通用的信源编码标准MPEG-2MPEG-2MPEG(MovingMPEG(Moving Pictures Experts Group) Pictures Experts Group)即活动图像即活动图像专家组，建立于专家组，建立于19881988年年MPEG-1MPEG-1： 4:2:04:2:0采样压缩，每秒采样压缩，每秒1.5Mbps1.5Mbps的传输码率的传输码率，图像大小，图像大小352352240240，扫描频率，扫描频率3030场场/ /秒。图像质量秒。图像质量比电视略强，适合于非专业视频领域，如比电视略强，适合于非专业视频领域，如VCDVCD等。等。MPEG-4MP

9、EG-4：一种广域传输标准，传输码率：一种广域传输标准，传输码率10kbps-10kbps- 1Mbps 1Mbps，于，于20002000年正式成为国际标准年正式成为国际标准: :内容的交互性内容的交互性, , 高效的压缩性，通用的访问性高效的压缩性，通用的访问性MPEG-2MPEG-2：1994-19961994-1996年提出的用于广播电视的视频年提出的用于广播电视的视频压缩标准。压缩标准。“Profile”Profile”和和“Level”(“Level”(“型型”和和“级级”) ) 按视频格式分按视频格式分四个级四个级按编码工具分按编码工具分五个型五个型“级级”与与“型型”的若干组合

10、构成的若干组合构成MPEG-2MPEG-2视频编码标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。在范围内的编码码流。在2020种可能的组合中，目前有种可能的组合中，目前有1111种是已获通过的，称为种是已获通过的，称为MPEG-2MPEG-2适用点适用点。 图像输入格式图像输入格式最大输出码率最大输出码率主型主型高型高型低级低级 LLITU-R601ITU-R601标准的标准的1/41/44Mb/s35235224024030pel/s

11、30pel/s35235228828825pel/s25pel/s主级主级 ML符合符合ITU-R601ITU-R601标准标准15Mb/s20Mb/s72072048048030pel/s30pel/s72072057657625pel/s25pel/s高高14401440级级H14LITU-R601ITU-R601标准的标准的4 4倍（倍（4:34:3）60Mb/s80Mb/s144014401152115230pel30pel高级高级 HLITU-R601ITU-R601标准的标准的4 4倍倍(16:9)(16:9)80Mb/s100Mb/s192019201152115230pel30

12、pel码率码率简单型简单型 SPSP主型主型MP信噪比可分级信噪比可分级型型SNRPSNRP空间可分级空间可分级型型SSPSSP高型高型HPHP低级低级LL4 44 4主级主级ML1515151515152020高高14401440级级H14L606060608080高级高级HL8080100100MPEG-2MPEG-2适用点适用点4.2.1 视频信源编码的理论依据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：量无需传送的多余信息：l图像的相邻像素、相邻行之间存在很强的相关性图像的相邻像素、相邻

13、行之间存在很强的相关性空空间相关性间相关性l相邻场或帧对应像素间存在相关性相邻场或帧对应像素间存在相关性时间相关性时间相关性l信息保持无损压缩编码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：高的分辨力：l信息非保持有损压缩编码信息非保持有损压缩编码4.2 视频信源编码原理视频信源编码原理4.2.2 预测编码原理预测编码原理预测编码概述预测编码概述l预测编码也称为预测编码也称为差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制( (DPCMDPCM，Differential Differential Pulse Code Mo

14、dulation)Pulse Code Modulation)，使用已编码像素的线性组合对，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）。未编码像素进行预测，传送其预测误差（残差）。l约约80%-90%80%-90%以上的残差信号的绝对值落在以上的残差信号的绝对值落在16-1816-18个量化级以内个量化级以内。可以用较少的比特表示差值，达到数据压缩的目的。可以用较少的比特表示差值，达到数据压缩的目的。l帧内预测采用帧内预测采用1 1阶前值预测，利用空间相关性；帧间预测采阶前值预测，利用空间相关性；帧间预测采用用1 1阶前向预测或阶前向预测或2 2阶双向预测，利用时间相

15、关性。阶双向预测，利用时间相关性。l预测编码的主要缺点是抗误码能力差。若传输中产生误码，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。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的视频序列 （ sequence sequence ） 划分为许多图像组（划分为许多图像组（GOP,GroupGO

16、P,Group of of PicturePicture），每个图像组由几帧或十几帧图像组成，这些图像相互间存），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。在预测和生成关系。采用帧内预测编码的图像称为采用帧内预测编码的图像称为I I图像图像(Intra-Coded Picture)(Intra-Coded Picture)采用前向帧间预测编码的图像称为采用前向帧间预测编码的图像称为P P图像图像( (PredictivelyPredictively-Coded -Coded Picture)Picture)采用双向帧间预测编码的图像称为采用双向帧间预测编码的图像称为B

17、 B图像图像( (BidirectionallyBidirectionally-Coded -Coded Picture)Picture)下页为由下页为由9 9帧图像组成的帧图像组成的GOPGOP示意图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 视频数据结构视频数据结构块块:Block 8:Block 88 8像素块像素块宏块宏块: :MacroblockMacroblock16161616像素块像素块像条像条:Slice:Slice由多由多个个MacroblockMacrobloc

18、k组成组成图像组：图像组：GOPGOP视频序列：视频序列：SequenceSequence图像：图像：PicturePicture宏块的组成宏块的组成124350YCrCb12375460YCrCb12437568910110YCrCb4:2:04:2:0格式的宏块格式的宏块4:2:24:2:2格式的宏块格式的宏块4:4:44:4:4格式的宏块格式的宏块宏块的三种构成方式，其宏块的三种构成方式，其中亮度块的数目均为中亮度块的数目均为4 4，而，而色度块的数目分别为色度块的数目分别为2 2、4 4和和8 8。在对在对I I图像进行帧内预测编码之前，首先对每一个图像进行帧内预测编码之前，首先对每一

19、个8 88 8的像块进行的像块进行二维离散余弦变换（二维离散余弦变换（DCTDCT，Discrete Cosine TransformDiscrete Cosine Transform），将像块），将像块变换为由变换为由8 88 8个变换系数组成的系数块。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位于系数块左上角的第一个系数是像块中8 88 8个像素的平均值，代个像素的平均值，代表像块的直流分量，称为表像块的直流分量，称为DCDC系数系数，其余系数为，其余系数为ACAC系数系数。帧内预测编码是对各个系数块的帧内预测编码是对各个系数块的DCDC系数进行的，目的是去除在相邻系数进

20、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。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。帧内预测编码只在像条所在的区域进行。帧内预测编码采用前值预测：帧内预测编码采用前值预测：0000 (1)( )ynyn帧间预测编码是以图像组帧间预测编码是以图像组GOPGOP为单位进行的为单位进行的I I图像图像帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，它还是帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，它还是P P图像和图像和B B图像编码、解码的参考图像。使用周期性的图像编码、解码的参考图像。使用周期性的I I帧便于帧便于初始化接收机和捕获频道。初始化接收机和捕获频道。I I帧出现

21、的频度可以变化，由编帧出现的频度可以变化，由编码器选择。码器选择。P P图像图像前向编码预测图像，像素的预测值为其前面一帧前向编码预测图像，像素的预测值为其前面一帧I I图图像或像或P P图像中相应像素值，即帧间运动补偿前值预测。图像中相应像素值，即帧间运动补偿前值预测。B B图像图像双向预测编码图像，像素的预测值为其前后相邻帧相双向预测编码图像，像素的预测值为其前后相邻帧相应像素值的加权平均。应像素值的加权平均。B B图像不能作为其它图像的编码参考图像不能作为其它图像的编码参考图像。使用图像。使用B B帧可提高压缩效率，但需要帧存储器。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帧

22、间预测编码中的运动补偿补偿最简单的时域预测就是用最简单的时域预测就是用前一帧作为当前帧的预测前一帧作为当前帧的预测参考帧。参考帧。一个视频序列里两个相邻一个视频序列里两个相邻帧如右图所示。第一帧作帧如右图所示。第一帧作为第二帧的参考帧，残差为第二帧的参考帧，残差是第二帧与参考帧之差。是第二帧与参考帧之差。在右图中，中间灰度代表差在右图中，中间灰度代表差值为零，浅灰和深灰分别对值为零，浅灰和深灰分别对应正、负差值。这种简单预应正、负差值。这种简单预测的明显问题是残差帧中剩测的明显问题是残差帧中剩余能量太多，也就是说预测余能量太多，也就是说预测后还有很多信息需要压缩。后还有很多信息需要压缩。多数残

23、差是由于两帧之间物多数残差是由于两帧之间物体运动引起的，所以更好的体运动引起的，所以更好的预测是在两帧之间进行运动预测是在两帧之间进行运动补偿。补偿。运动补偿预测示意图运动补偿预测示意图运动矢量运动矢量：表示从编码帧到参考帧像素运动的方向：表示从编码帧到参考帧像素运动的方向和距离。和距离。运动估值运动估值：通过比较参考帧与编码帧中的图像，求：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。出运动物体像素的运动矢量。运动补偿运动补偿：考虑了运动矢量的帧间预测称为具有运：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。动补偿的帧间预测。采用采用块匹配算法块匹配算法进行运动估值进行运

24、动估值l摄像机所摄取的景物的运动可能是十分复杂的，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。精确对每个像素进行运动估值是十分困难的。l在许多情况下物体上的各个像素均做相同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。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块匹配算法：对每个编码帧宏块中的16161616亮度块，在参考帧中一定搜索范围亮度块，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，确定匹配块，并根据匹配块与它的坐标差，确定运

25、动矢量。运动矢量。像块匹配程度的判定常采用平均绝对差准则（像块匹配程度的判定常采用平均绝对差准则（MADMAD，Mean Absolute Mean Absolute DifferenceDifference），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。），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。16161111( , )(,)( , )256kkmnMAD i jfmi njfm n当当MAD(i,jMAD(i,j) )达到最小时，两个像素块匹配。此时运动矢量为达到最小时，两个像素块匹配。此时运动矢量为MVMV（i,ji,j）。这种搜索方法称为全搜索，运算量相当

26、大。为加快搜索过程，提出了三步法、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。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。; MiMNjN MPEG-2MPEG-2中运动补偿的精度是半像素，中运动补偿的精度是半像素，H.264H.264中运动补偿的精度是四分之一像素，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。之一像素值以后，再

27、进行块匹配计算。B B帧图像的帧间预测编码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后向预测值的平均值双向预测。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。在进行运动补偿时，需要前向和后向两个运动矢量。图图4-94-9在图像序列中，在图像序列中，P P帧和帧和B B帧传送的是像素值与预测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块间运动矢量存在相关性，对运动矢量也采用预测编码。测编码。帧

28、间预测模式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，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。数字电视的帧间预测编码主要有两类：帧预测和场预测。l帧预测：预测来自于最近的重构参考图像。帧预测：预测来自于最近的重构参考图像。Reference FramePossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible

29、Intervening B-pictures (Already decoded)P帧预测示意帧预测示意B帧预测示意帧预测示意P P场预测：预测来自于最近的重构参考图像。场预测：预测来自于最近的重构参考图像。编码帧中第一场编码帧中第一场图像的预测图像的预测Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet d

30、ecoded)编码帧中第二场图编码帧中第二场图像为底场的预测像为底场的预测B B场预测：用于预测的两个参考场来自于最近的解码参考场预测：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。顶场和底场。编码帧中第二场图编码帧中第二场图像为顶场的预测像为顶场的预测Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not ye

31、t decoded)Possible Intervening B-pictures (Already decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldB场图像或场图像或B帧帧图像的预测图像的预测4.2.3 变换编码原理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。据压缩的目的。变换编码系统基本结构变换编码系统基本结构离散余弦变换离散余弦变换(DCT(DCT，Discr

32、ete Cosine Transform)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，采用位进行的，采用8 88 8块。块。设由设由8 88 8像素组成的像素块用矩阵像素组成的像素块用矩阵X X表示，变换后的系数表示，变换后的系数块用矩阵块用矩阵Y Y表示，则：表示，则：正向正向DCTDCT反反DCTDCT其中其中C C表示表示8 88 8的的DCTDCT矩阵，矩阵，C CT T是其转置矩阵是其转置矩阵TTYCXCXC YC18(21)12160, 07cos17, 07iji

33、jijCijTTCCC CIC C满足正交矩阵性质满足正交矩阵性质右图为右图为8 88DCT8DCT基本图基本图像。任何像。任何8 88 8图像块图像块都可以用基本图像与都可以用基本图像与变换系数乘积的组合变换系数乘积的组合来表示。来表示。DCTDCT系数矩阵左上角系系数矩阵左上角系数数y y0000对应空间直流分对应空间直流分量，称为量，称为DCDC系数，其系数，其他他6363个对应交流分量，个对应交流分量，称为称为ACAC系数。系数。经过经过DCTDCT变换后，变换后，6464个样值仍然得到个样值仍然得到6464个系数。原样值是个系数。原样值是9 9比特，数据从比特，数据从0 051151

34、1；得到的直流系数的范围是；得到的直流系数的范围是0 040954095，交流系数的范围是交流系数的范围是-2048-204820472047；量化之后大多数高频分量；量化之后大多数高频分量的系数变为的系数变为0 0。人眼对低频分量比较敏感，对高频分量则不。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，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。降低了码率。 I I帧：系数矩阵左上角部位的系数对应空间低频分量，采帧：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用较小的量化间隔，位于右下

35、角部位的系数采用较大的量化间隔。化间隔。 P P帧和帧和B B帧：是对帧间预测差值的变换，帧：是对帧间预测差值的变换，DCTDCT系数不仅仅决系数不仅仅决定于空间频率，故采用相同的量化间隔。定于空间频率，故采用相同的量化间隔。DCT系数的量化系数的量化816192226272934161622242729343719222627293434382222262729343740222627293235404826272932354048582627293438465669272935384656698316161616161616161616161616161616161616161616161

36、616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616对于对于I I帧的亮度和色度的量化帧的亮度和色度的量化加权矩阵加权矩阵对于对于P P帧和帧和B B帧的亮度和色度帧的亮度和色度的量化加权矩阵的量化加权矩阵对自然景物图像的统计表明，对自然景物图像的统计表明，DCTDCT系数矩阵的能量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。集中在反映水平和垂直低频分量的左上角。 图图游程编码的方法是将扫描得到的一维序列转化为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一个由二元数

37、组( (run,levelrun,level) )组成的数组序列，其组成的数组序列，其中中runrun表示连零的长度，表示连零的长度，levellevel表示紧接在这串连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零零之后出现的非零值。当剩下的所有系数都为零时，用符号时，用符号EOB(EndEOB(End of Block) of Block)来代表。来代表。 游程编码游程编码(RLC，Run Length Coding)帧图像的帧图像的DCTDCT系数分布（按系数分布（按非零系数可能性画图）非零系数可能性画图）场图像的场图像的DCTDCT系数分布（对照帧图像，系数分布（对照帧图像

38、，左侧有更多的非零系数，这是由于场图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）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，对应这两种图像结构，规定了两种扫描方式，ZigzagZigzag扫描与交替扫描。扫描与交替扫描。经经DCTDCT变换以后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此按变换以后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此按ZigzagZigzag扫描读出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

39、最后一个数后，只要给出到最后，如果都是零，在读到最后一个数后，只要给出“块结束块结束”（EOBEOB）码，就可）码，就可以结束输出，因此节省了很多码率。以结束输出，因此节省了很多码率。如图如图 4.2.4 熵编码原理熵编码原理熵编码（熵编码（Entropy CodingEntropy Coding）是一类无损编码，编码）是一类无损编码，编码后的平均码长接近信源的熵。后的平均码长接近信源的熵。 l 霍夫曼霍夫曼(Huffman)(Huffman)编码：变长编码，对出现概率编码：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

40、的码字，以获得较短的平均码信源符号分配较长的码字，以获得较短的平均码长。长。l 运动矢量的熵编码：对运动矢量的水平和垂直方运动矢量的熵编码：对运动矢量的水平和垂直方向差值进行熵编码。向差值进行熵编码。l DCTDCT系数的熵编码系数的熵编码4.2.5 MPEG-2视频编码器和解码器视频编码器和解码器MPEG-2MPEG-2视频编码器视频编码器Variable Length DecodingInverse Quantis- ationInverse ScanMotion Compen- sationInverse DCTFrame- store MemoryfyxFvuQF vuQFS nCod

41、ed DataDecoded samplesdyxMPEG-2MPEG-2视频解码器视频解码器4.3 ATSC数字电视制式数字电视制式 ATSCATSC制的视频格式制的视频格式4.3.1 ATSC制概述制概述水平水平垂直有效像素垂直有效像素幅型幅型比比60/59.9460/59.94逐行逐行60/59.960/59.94 4隔行隔行30/29.9730/29.97逐行逐行24/29.9724/29.97逐行逐行1920192010801080（方像素）（方像素） 16:916:912801280720720（方像素）（方像素）16:916:9704704480480（宽屏）（宽屏）16:916

42、:9704704480480（CCIR 601CCIR 601）4:34:3640640480480（VGAVGA，方，方像素）像素）4:34:3系统分为三部分：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、业务复用和传送、射频发送。信源编码和压缩信源编码和压缩视频编码和压缩视频编码和压缩MPEG-2MPEG-2音频编码和压缩音频编码和压缩Dolby AC-3(384Kb/s,5.1Dolby AC-3(384Kb/s,5.1声道声道) )，AACAAC辅助数据辅助数据条件接收条件接收(CA)(CA)等控制数据等控制数据业务复用和传送业务复用和传送 把不同信息类型的比

43、特流打成包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给每一个包以唯一的标识符(ID)(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)(TSP)射频发送射频发送 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：调制系统的两种模式：8VSB8VSB调制的地面广播模式调制的地面广播模式(19Mb/s)(19Mb/s)16VSB16VSB调制的有线高比特率模式调制的有线高比特率模式(38Mb/s)(38Mb/s)4.3.2 传送层的功能和格式传送

44、层的功能和格式 数字电视码流有多个不同的层次和类型：数字电视码流有多个不同的层次和类型：ESES、PESPES、PSPS、TSTS。 ESES(Elementary(Elementary Stream) Stream)基本流基本流，是直接从编码器出来的数据，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。流，可以是视频数据流，音频数据流，或其他编码数据流。 PESPES(Packetized(Packetized Elementary Stream) Elementary Stream)打包基本流打包基本流，ESES流经过流经过PESPES打包器之后，被转换成打包器

45、之后，被转换成PESPES包。包。 PSPS(Program(Program Stream) Stream)节目流节目流，是将一个或几个具有公共时间基，是将一个或几个具有公共时间基准的准的PESPES组合成的复用流。组合成的复用流。PSPS流比较适用于相对误码率小的传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。输环境中，如交互式多媒体环境和媒体存储管理系统。 TSTS(Transport(Transport Stream) Stream)传输流传输流，是有一个或几个不同的，是有一个或几个不同的PESPES经经传输流打包后组成的复合流。传输流打包后组成的复合流。T

46、STS流更适合在有干扰或误码的环流更适合在有干扰或误码的环境中传输。境中传输。PES包包起始起始码前码前缀缀比特比特流流IDPES包长包长度度PES包头包头标志标志PES包头包头长度长度PES包头区包头区（可变长度）（可变长度）PES包数据块包数据块（可变长度）（可变长度）PESPES包头标志（说明比特流特性的标识符）：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PTSPTS（显示时间标志）和（显示时间标志）和DTSDTS（解码时间标志），包头是否含时钟基准，包头（解码时间标志

47、），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是否含比特率，包头是否含说明流来源的DSM (DSM (数字存储媒体数字存储媒体) )模式的字段，模式的字段，是否有是否有CRCCRC（循环冗余校验），是否有扩展段。（循环冗余校验），是否有扩展段。PESPES包头区（各段可选）：包头区（各段可选）： PTS/DTSPTS/DTS，DSMDSM模式，附加复制信息，扩展数据，填充字节模式，附加复制信息，扩展数据，填充字节PESPES包数据块：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。有效负载数据，即来自相应编码器的一个连续的基本流。 TS包包固定长度（固定长度（1

48、88188字节）：字节）： 包头（包头（4 4字节）字节）包同步，包识别（包同步，包识别（PIDPID），连续计数，加扰控制等），连续计数，加扰控制等 适配区（可变长度）适配区（可变长度）同步和定时同步和定时对对27MHz27MHz系统时钟（系统时钟（STCSTC）周期性抽样形成的节目时钟基准）周期性抽样形成的节目时钟基准(PSR)(PSR)，每，每100ms100ms至少传送一次至少传送一次基本流的随机进入点指示基本流的随机进入点指示频道切换用频道切换用本地节目插入指示本地节目插入指示 有效负载数据（最多有效负载数据（最多184184字节）字节）包头包头适配区适配区 有效负载数据有效负载数据

49、视频视频音频音频视频视频音频音频视频视频音频音频视频视频每一个新的每一个新的PESPES包需要启动一个新的包需要启动一个新的TSTS包包4.3.3 前向纠错信道编码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ATSCATSC制信道编码和调制制信道编码和调制RS编码及其纠错译码编码及其纠错译码RS（207，187），），缩短的缩短的RS（255，235）187个信息字节20个校验字节48个0+187个信息字节20个校验字节1个同步字节个同步字节缩短的缩短的RSRS（255255，235235）对应于）对应于8GF(2 )域生成多项式： 8432( )1P xxxxx 8

50、GF(2 )中的元素由0和 组成,0,1,254ii是( )P x的一个本原根。加法：模2加，即二进制异或运算乘法：()mod255ijij 元素二进制十进制0000000110000001020000010040000100080001000016001000003201000000641000000012800011101298i0765432184321767610iddd76543210d d d d d d d d 校验生成多项式：19201719601821221881900( )()iig xxxxxxx2019182=152185121165174xxxxx187个信息字节18

51、61850(,)mmm信息多项式： 18618518618510( )m xmxmxm xm校验多项式： 20( )Res( )/ ( )r xx m xg x191819180r xr xr20个校验字节：19180(,)rrrA信息字节3x20 x19x18x2x1xB152165121121240185174A0BRS(207,187)RS(207,187)编码电路RS(207,187)码：码：2062050186185019180(,)(,)cccmmm rrr2062052020620510( )( )( )( ) ( )c xcxcxc xcx m xr xq x g x码字多项式

52、：码字多项式：255235 /210t 可纠正可纠正 t=10个字节或个字节或80比特的误码比特的误码无误码时无误码时c(x)能被能被g(x)整除，有误码时整除，有误码时c(x)不不能被能被g(x)整除，收端根据余式和商式确整除，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。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卷积编码及维特比译码基础知识110001100/010/001/111/111/101/100/010/00M2M1y1y0 x 00 00 00 00 00 01 01 01 10 10 10 10 1010 10 1000 00 0001 01 01

53、 0111 11 11 1111 11 1100011011用于用于ATSC制的制的1/2比率比率4状态反馈卷积编码器状态反馈卷积编码器(a)编码器结构图(b) 状态图(c) 格形图1( )( )yjx j （4-52） 00( )(1)(2)yjx jyj 对于长度为对于长度为L L的的bitbit序列，由于误码，存在序列，由于误码，存在 条不同的可能路径。从这些条不同的可能路径。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，使沿着这维特比译码从所

54、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。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设格形图上的序列为 ，接收到的幅度失真的码序列为，接收到的幅度失真的码序列为 ，其判决再，其判决再生的序列为生的序列为 ，则格形图序列与接收序列之间差别测度：，则格形图序列与接收序列之间差别测度： 汉明距离（硬判决）汉明距离（硬判决） 若发送端将码序列映射为电平序列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，接收到的幅度失真的电平序列量化编码为量化编码为 ，格形图上的数字序列为，格形图上的数字序列为 ，则格形图序列与

55、接收序列，则格形图序列与接收序列之间的差别测度：之间的差别测度： 欧几里得距离（软判决）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。路径。2L iu iv|Hiiiduv ivSiiidab ia ia ibTCM-8VSB调制技术调制技术 从格形图上可以看出，在两个状态间至少需要从格形图上可以看出，在两个状态间至少需要3 3个时间段才有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

56、为最小的路径，从而实现纠错译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。越强。 ATSCATSC制采用制采用ASKASK调制（幅移键控调制）调制（幅移键控调制） 若将两比特数据映射为若将两比特数据映射为4 4电平符号：电平符号：A Ai i =-3,-1,1,3,=-3,-1,1,3,分别调制分别调制4 4个不同幅度的高频信号，称为个不同幅度的高频信号，称为4ASK4ASK调制。直接映射时，最小欧调制。直接映射时，最小欧几里得距离为几里得距离为2 2，用平均功率归一化的最

57、小欧几里得距离为，用平均功率归一化的最小欧几里得距离为D D0 0=0.894=0.894， 8ASK8ASK归一化的最小欧几里得距离为归一化的最小欧几里得距离为D D0 0=0.436=0.436。 ATSCATSC制采用制采用2/32/3比率的格形编码，格形图的欧几里得自由距离比率的格形编码，格形图的欧几里得自由距离为为d dfreefree=3D=3D0 0=3=30.436=1.310.436=1.31。 编码增益编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dBG=20lg(1.31/0.894)=3.32dB预编码器格形编码器DM2M1Z2Z1Z0 8VSB 0 0 0 -

58、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 +78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a) 8VSB格形编码器格形编码器 (a)格形编码器、预编码器和符号映射器；格形编码器、预编码器和符号映射器；(b) 格形图格形图(b)8电平符号映射器格形编码器预编码器00010001011010000000110111111001001100110111101100011011状态交织交织通过交织(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

59、(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。,N I能量扩散（随机化）改善传输频谱特性能量扩散（随机化）改善传输频谱特性 随机化电路是一个随机化电路是一个 16bit16bit最大长度伪随机码发生器，其最大长度伪随机码发生器，其生成多项式为生成多项式为 由它生成的伪随机二进序列（由它生成的伪随

60、机二进序列（PRBS, Pseudo-random PRBS, Pseudo-random Binary SequenceBinary Sequence）与输入码流进行模）与输入码流进行模2 2加，使数据随机化。加，使数据随机化。 367111213161G xxxxxxxxx d0d1d2d7d3d4d5d6使能D0D1D2D7D3D4D5D6x2x3x4x5x6x7x8x9x10 x11x12x13x14x15x16xATSC制的随机化电路每个数据场的第一个数据段的段同步期间初始化每个数据场的第一个数据段的段同步期间初始化F180HF180HVSB数据帧和数据帧和 频谱频谱随随机机化化RS