数字化电视原理

数字化电视原理

电子工程学院2023/1/292023/1/29Contents第一章数字压缩技术与数字电视技术的发展

2023/1/29XIDIANUNIVERSITYContents

电视的发展历程1模拟信号的数字化处理2

数字图像信号的压缩编码原理3模拟电视与数字电视4数字化电视51.1电视的发展历程A电视诞生

电视是以电的方法即时传送活动图像和伴音的技术。

2023/1/29基本过程：在发送端把活动景物的光信号转变成对应的电信号。加工、处理并进行电传输。在接收端把收到的电信号逆变成原来景物的图像。

那么如何在发送端把活动景物的光信号转变成对应的电信号，从而实现电信号的传输呢？

2023/1/291机械式圆盘扫描1884年，德国发明家保罗·尼普科夫设计了尼普科夫圆盘尼普科夫圆盘的思想：（1）图像分解：图像分解为一个个像素2023/1/29对于一幅图像而言，实际上它是由许多小的单元所租成的。我们把构成图像的基本单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素点数目就越多，分辨率就越高。2023/1/29（2）像素的传送2023/1/292023/1/292电子式电视

随着光电摄像管、电子扫描系统和电子束显像管的发明与完善，电子式电视取代了机械式电视。 3彩色电视 1）彩色电视定义

摄取、传送、接收彩色图像的电视系统。 A三基色原理

三基色？

RGB一切色彩可由三基色光混合而成。2023/1/29B彩色电视制制式彩色电视制制式的制定定依据？依据：色度度信号的编编码方法三大制式:(1)NTSC（N制，美国国国家电视制制式委员会会）(2)SECAM(顺序传送色色彩与存储储)(3)PAL(P制，逐行倒倒相)我国：PAL-D2023/1/6C黑白电视视体制彩色电视视的体制制以黑白白电视体体制为基基础。体制的概概念内涵涵：扫描方式式、每帧帧行数、、行帧、、场帧、、视频带带宽…2023/1/61.2模拟信号号的数字字化处理理A模拟信号号：时间间、幅度度连续续B数字信号号：时间间、幅度度离散散那么数字字系统的的优势表表现在动动态、非非线性失失真影响响等方面面的改善善。C模拟信号号转变为为数字信信号如何实现现？2023/1/6采样、量化、、编码（1）采样采样定理2023/1/6（2）量化（均匀匀量化）最大量化误差差？2023/1/62023/1/68位量化化7位量化化2023/1/66位量化化4位量化化2023/1/6(3)编码定义：：用用n位2进制码码表示示采样样信号号的量量化值值。采样、、量化化、编编码这这样一一个处处理流流程称称为脉冲编编码调调制2023/1/62023/1/61.3数字字图图像像信信号号的的压压缩缩编编码码原原理理1压缩缩的的必必要要性性摄像像机机输输出出的的RGB信号号通通过过矩矩阵阵变变换换得得到到Y,CB和CR信号号降低低色色度度分分辨辨率率为为4:2:2格格式式PAL按照照CCIR.601，，信号号码码率率216Mbit/s通过过MPEG视频频压压缩缩过过程程，，必必须须压压缩缩到到6Mbit/s，，压缩缩比比36。数字字SDTV视频频信信号号数数码码率率270Mbit/s，，必须须压压缩缩到到2～～6Mbit/s才能能用用于于广广播播传传输输。。数字HDTV视频信号号数码率率1.188Gbit/s，必须压缩缩到2～～6(15)Mbit/s才能用于于广播传传输。2023/1/62023/1/6冗余度度消除除多余信信息：：码流流中多多次存存在，，或没没有信信息量量，或或在接接收端端可通通过数数学方方法无无失真真恢复复。无损压压缩2图像数数据因因何可可以实实现压压缩不相关关性消消除不必要要信息息：人人眼无无法察察觉的的信息息。人眼的的彩色色视觉觉细胞胞远远远少于于亮度度视觉觉细胞胞，因因此色色度分分辨率率可以以降低低，色色度信信号带带宽可可以减减少。。人眼不不能辨辨别图图像中中过于于精细细结构构和粗粗结构构。不能复复原的的有损损过程程3分类：：无损压压缩和和有损损压缩缩.无损压压缩：：VLC游程编编码霍夫曼曼编码码：使使用频频率高高的字字母用用短码码，使使用频频率低低的字字母用用长码码。有损压压缩：：离散余余弦变变换2023/1/62023/1/64静止图像压压缩标准编编码方法JPEGJointPhoto-graphicExpertsGroup（1）国际标准准化组织（2）国际电报报电话咨询询委员会（3）国际电工工委员会适用范围：：彩色和单单色多灰度度静止数字字图像的压压缩。2023/1/6A混合编码方方式B有损压缩和和无损压缩缩方法结合合C基本算法流流程1）颜色空间间转换（（色彩作为为独立的部部分处理））2）DCT3）量化4）差分编码码5）Z字形扫描游游程编码6）熵编码Huffman编码2023/1/629对视频帧一行行中8个象素的时域域电压值进行行DCT得到频域的8个系数，依次次为直流DC系数、低频、、中频和高频频系数（视频频信号能量））。根据人眼视觉觉特性，DCT系数在频域进进行量化，除除以某个量化化因子。量化因子越大大，量化越粗粗。对较平滑滑图象，量化化因子改变不不大或根本不不变；而对细细节丰富图象象，量化因子子随着频率增增高而变大。。量化后很多系系数变为0，尤其对高频频系数而言。。30数字电视原理理与应用5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二维变变换编码。图象先被分成成8x8象素块，再通通过二维DCT变换到频域。。为得到带符号号值，在做二二维DCT之前，所有象象素值先减去去128。DCT后即量化，除除以合适的量量化步长1831982202392442362222111982092222312292151981861441541701841901901851801621641661671651611571541951911851801781781791811741681611561601701831921741601381191121151251331521381191051041151331468X8象素块f(x,y)二维DCT减去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象素块做二维维DCT后得到频域中中的8x8数组:第一个系数是是DC系数，对应整整个块的直流流分量。第二个系数对对应水平方向向最粗图象结结构的能量。。第一行最后一一个系数对应应水平方向最最精细图象结结构的能量。。第一列从上到到下对应垂直直方向最粗到到最细图象结结构的能量。。对角线上系数数对应对角线线方向从粗到到细图象结构构的能量。32数字电视原理理与应用量化DCT系数进行Z扫描之后，使使得连0数目目最大。码流流中中不不传传这这些些连连续续0系系数数，，而而是是通通过过游游程程编编码码只只传传连连0的的个个数数，，Z扫描描和和游游程程编编码码，，与与DCT和量量化化相相配配合合，，是是MPEG-2高压压缩缩比比的的主主要要因因素素。。Z扫描描和和游游程程编编码码Z扫描描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游程程编编码码后后的的码码流流再再进进行行霍霍夫夫曼曼编编码码。。出现现频频率率高高的的码码字字编编码码为为短短码码，，出出现现频频率率低低的的码码字字编编码码为为长长码码。。进一一步步冗冗余余度度消消除除，，无无损损过过程程。。霍夫夫曼曼编编码码DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman编码HuffmancodetableCodesofvariablelength2023/1/6相同同之之处处：：游游程程编编码码TIF40KJPG10K2023/1/65MPEG(活动图像像压缩标标准)活动图像像专家组组（MovingPictureExpertGroup）A任务：开开发运动动图像及及其声音音的数字字编码标标准B标准：MPEG-1:1.5Mb/sMPEG-2:10Mb/s2023/1/6MPEG-1:一MPEG-1的提出为CD-ROM的视频存存储和放放像所制制定二适用用图像：：360*28824-30帧/s运动图像像三应用用领域：：CD-ROM硬盘VCD数字音频频磁带（2）MPEG-2:一MPEG-2的提出提供数字字音频-视频服务务和应用用的国际际标准。。二适用用图像：：720*48030帧/s1440*1152HDTV2023/1/66MPEG视频压压缩方方法以MPEG-1为例：：压缩方方法：：帧内内压缩缩和帧帧间压压缩方方法结结合（1）帧内内压缩缩：JPEG（2）帧间间压缩缩依据:相邻画画面之之间，，活动动部分分的画画面内内容是是相关关的，，其运运动具具有连连续性性。2023/1/6预测需要什什么信息？？1已知帧内画画面中的宏宏块2运动补偿矢矢量运动补偿矢矢量的估计计？2023/1/6运动估计——得到运动向向量过程：：对当前要编编码帧的宏宏块，在前前面的参考考帧（P帧）中搜索索最佳匹配配宏块。在当前宏块块周围的搜搜索窗内的的块匹配找到匹配宏宏块后就得得到所需传传输的运动动向量。另外还传输输匹配宏块块的残差。。残差单独再再经过DCT和量化进一一步压缩。。2023/1/6MPEG的应用MPEG-1：CD-ROM、硬盘、VCD、数字音频磁磁带MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV2023/1/6MPEG-2的方法：2023/1/6有损1量化从10bits降为8bits无损2省略水平平和垂直直空白间间隔有损3降低垂直直方向色色度分辨辨率(4:2:0)无损4活动图像像的DPCM有损5DCT和量化无损6Z扫描和零零序列的的游程编编码无损7Huffman编码1.4模拟电视视与数字字电视1.4.1模拟电视视1模拟电视视定义：：信源的形形式决定定了电视视机是模模拟电视视机还是是数字电电视机。。目前我国国处于模模拟电视视向数字字电视广广播的过过度阶段段。(1)电视台发发的信号号基本是是模拟信信号。(2)采用的PAL-D制式为模模拟电视视广播。。2023/1/62模拟电视视制式的的内在缺缺陷（1）基本概概念：电视线（（TVLine）色度副载载波亮色频带带共用A视频带宽宽的限制制，电视视线个数数（显示示图像的的实际电电视线个个数）受受限：亮度分解解力和色色度分解解力不足足2023/1/6B.亮色频带带共用1）电视机机无法将将亮度信信号与色色度信号号彻底分分离，造造成亮色色互串；；2）亮度信信号能量量分布在在视频通通道的中中低频，，色度信号号能量分分布在视视频通道道的高频频，视频通道道的线性性特性（（幅频特特性、相相频特性性）的优优劣决定定是否存存在亮色色增益差差和延时时差。C.长宽比2023/1/61.4数字电视视（1）定义：：信源：数数字电视视信号（2）与模拟拟电视的的区别：：可利用数数字压缩缩技术频道资源源专业化化、个性性化数字技术对节节目处理、传传输、储存功能丰富：查查询回放预预定2023/1/6（3）数字电视系系统组成数字前端系统统：数字化化、加扰、授授权、认证双向传输网络络：卫星、Cable用户终端系统统：机顶盒（4）主要业务：：以IPTV为例，基于以以太网的电视视2023/1/6（5）数字电视标标准1ATSC（美国高级电电视系统委员员会）2DVB(Digitalvideobroadcasting)3ISDB（IntegratedserviceDigitalbroadcasting）A压缩技术所采采用压缩标准准：MPEG-2B调制方式:ATSC:电平残留边带带VSB2023/1/6（7）机顶顶盒A背景：：目前前我国国处于于模拟拟电视视向数数字电电视广广播的的过度度阶段段。(1)电视台台发的的信号号基本本是模模拟信信号。。(2)采用的的PAL-D制式为为模拟拟电视视广播播。B机顶盒盒的主主要作作用：：信道解解码、、解复复用、、信源源解码码、转转成PAL制模拟拟信号号C机顶盒盒分类类：STC2023/1/6DVB-S:QPSK四相相相相移移键键控控DVB-C:QAM正交交幅幅度度调调制制DVB-T:COFDM（6）数数字字电电视视优优点点数字字电电视视与与模模拟拟电电视视可可实实现现信信道道兼兼容容加密密加加扰扰：：有有偿偿电电视视服服务务2023/1/61.5数字化电电视背景：目前我国国处于模模拟电视视向数字字电视广广播的过过度阶段段。(1)电视台发发的信号号基本是是模拟信信号。(2)采用的PAL-D制式为模模拟电视视广播。。(3)电视机接接收模拟拟电视信信号。数字化定定义：数字处理理技术的的应用2023/1/6ThankYou!2023/1/6谢谢谢1月-2301:06:4001:0601:061月-231月-2301:0601:0601:06:401月-231月-2301:06:402023/1/61:06:409、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。01:06:4101:06:4101:061/6/20231:06:41AM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。1月-2301:06:4101:06Jan-2306-Jan-2312、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。01:06:4101:06:4101:06Friday,January6,202313、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。1月-231月-2301:06:4101:06:41January6,202314、他乡生白发发，旧国见青青山。。06一月20231:06:41上午01:06:411月-2315、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。一月月231:06上上午午1月月-2301:06January6,202316、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2023/1/61:06:4101:06:4106January202317、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。1:06:41上上午1:06上上午01:06:411月-239、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。1月月-231月月-23Friday,January6,202310、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。01:06:4101:06:4101:061/6/20231:06:41AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。1月-2301:06:4101:06Jan-2306-Jan-2312、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。01:06:4101:06:4101:06Friday,January6,202313、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。1月-231月-2301:06:4101:06:41January6,202314、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。06一月月20231:06:41上上午01:06:411月-2315、楚塞