数字化电视原理

数字化电视原理

电子工程学院/10/2XIDIANUNIVERSITY第1页Contents第一章数字压缩技术与数字电视技术发展/10/2XIDIANUNIVERSITY第2页

/10/2XIDIANUNIVERSITYContents

电视发展历程1模拟信号数字化处理2

数字图像信号压缩编码原理3模拟电视与数字电视4数字化电视5第3页1.1电视发展历程A电视诞生

电视是以电方法即时传送活动图像和伴音技术。

/10/2XIDIANUNIVERSITY第4页基本过程：在发送端把活动景物光信号转变成对应电信号。加工、处理并进行电传输。在接收端把收到电信号逆变成原来景物图像。

那么怎样在发送端把活动景物光信号转变成对应电信号，从而实现电信号传输呢？

/10/2XIDIANUNIVERSITY第5页1机械式圆盘扫描1884年，德国创造家保罗·尼普科夫设计了尼普科夫圆盘尼普科夫圆盘思想：（1）图像分解：图像分解为一个个像素/10/2XIDIANUNIVERSITY第6页对于一幅图像而言，实际上它是由许多小单元所租成。我们把组成图像基本单元称为像素。像素越小，单位面积上像素点数目就越多，分辨率就越高。/10/2XIDIANUNIVERSITY第7页（2）像素传送/10/2XIDIANUNIVERSITY第8页/10/2XIDIANUNIVERSITY第9页2电子式电视

伴随光电摄像管、电子扫描系统和电子束显像管创造与完善，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。/10/2XIDIANUNIVERSITY第10页第11页第12页B彩色电视制式彩色电视制式制订依据？

依据：色度信号编码方法

三大制式: (1)NTSC（N制，美国国家电视制式委员会） (2)SECAM(次序传送色彩与存放) (3)PAL(P制，逐行倒相)

我国：PAL-D

/10/2XIDIANUNIVERSITY第13页C黑白电视体制

彩色电视体制以黑白电视体制为基础。

体制概念内涵：

扫描方式、每帧行数、行帧、场帧、视频带宽…/10/2XIDIANUNIVERSITY第14页1.2模拟信号数字化处理 A模拟信号：时间、幅度连续 B数字信号：时间、幅度离散

那么数字系统优势表现在动态、非线性失真影响等方面改进。 C模拟信号转变为数字信号

怎样实现？/10/2XIDIANUNIVERSITY第15页采样、量化、编码（1）采样

采样定理/10/2XIDIANUNIVERSITY第16页（2）量化（均匀量化）

最大量化误差？/10/2XIDIANUNIVERSITY第17页8位量化7位量化/10/2XIDIANUNIVERSITY第18页6位量化4位量化/10/2XIDIANUNIVERSITY第19页/10/2XIDIANUNIVERSITY第20页(3)编码

定义：用n位2进制码表示采样信号量化值。

采样、量化、编码这么一个处理流程称为

脉冲编码调制/10/2XIDIANUNIVERSITY第21页/10/2XIDIANUNIVERSITY第22页1.3数字图像信号压缩编码原理 1压缩必要性摄像机输出RGB信号经过矩阵变换得到Y,CB和CR信号降低色度分辨率为4:2:2格式PAL按照CCIR.601，信号码率216Mbit/s经过MPEG视频压缩过程，必须压缩到6Mbit/s，压缩比36。数字SDTV视频信号数码率270Mbit/s，必须压缩到2～6Mbit/s才能用于广播传输。数字HDTV视频信号数码率1.188Gbit/s，必须压缩到2～6(15)Mbit/s才能用于广播传输。/10/2XIDIANUNIVERSITY第23页冗余度消除多出信息：码流中屡次存在，或没有信息量，或在接收端可经过数学方法无失真恢复。无损压缩2图像数据因何能够实现压缩不相关性消除无须要信息：人眼无法觉察信息。人眼彩色视觉细胞远远少于亮度视觉细胞，所以色度分辨率能够降低，色度信号带宽能够降低。人眼不能区分图像中过于精细结构和粗结构。不能复原有损过程/10/2XIDIANUNIVERSITY第24页

3分类：

无损压缩和有损压缩.

无损压缩：VLC游程编码霍夫曼编码：使用频率高字母用短码，使用频率低字母用长码。

有损压缩：

离散余弦变换/10/2XIDIANUNIVERSITY第25页/10/2XIDIANUNIVERSITY第26页4静止图像压缩标准编码方法 JPEG JointPhoto-graphicExpertsGroup

（1）国际标准化组织

（2）国际电报电话咨询委员会

（3）国际电工委员会

适用范围：彩色和单色多灰度静止数字图像压缩。/10/2XIDIANUNIVERSITY第27页 A混合编码方式 B有损压缩和无损压缩方法结合 C基本算法流程 1）颜色空间转换（色彩作为独立部分处理） 2）DCT 3）量化 4）差分编码 5）Z字形扫描游程编码 6）熵编码Huffman编码/10/2XIDIANUNIVERSITY第28页对视频帧一行中8个象素时域电压值进行DCT得到频域8个系数，依次为直流DC系数、低频、中频和高频系数（视频信号能量）。依据人眼视觉特征，DCT系数在频域进行量化，除以某个量化因子。量化因子越大，量化越粗。对较平滑图象，量化因子改变不大或根本不变；而对细节丰富图象，量化因子伴随频率增高而变大。量化后很多系数变为0，尤其对高频系数而言。29第29页5、DCT和量化JPEG和MPEG中采取二维变换编码。图象先被分成8x8象素块，再经过二维DCT变换到频域。为得到带符号值，在做二维DCT之前，全部象素值先减去128。DCT后即量化，除以适当量化步长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量化数字电视原理与应用30第30页8x8象素块做二维DCT后得到频域中8x8数组:第一个系数是DC系数，对应整个块直流分量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构能量。第一行最终一个系数对应水平方向最精细图象结构能量。第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构能量。对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构能量。31第31页量化DCT系数进行Z扫描之后，使得连0数目最大。码流中不传这些连续0系数，而是经过游程编码只传连0个数，Z扫描和游程编码，与DCT和量化相配合，是MPEG-2高压缩比主要原因。Z扫描和游程编码Z扫描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0RL1－200000000000002000000000000000－100000000－100000000000000数字电视原理与应用32MPEG-2视频编码及其测量,class03第32页游程编码后码流再进行霍夫曼编码。出现频率高码字编码为短码，出现频率低码字编码为长码。深入冗余度消除，无损过程。霍夫曼编码DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman编码HuffmancodetableCodesofvariablelength33第33页/10/2XIDIANUNIVERSITY第34页相同之处：游程编码

TIF40KJPG10K/10/2XIDIANUNIVERSITY第35页5MPEG(活动图像压缩标准)

活动图像教授组

（MovingPictureExpertGroup） A任务：开发运动图像及其声音数字编码标准 B标准： MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-2:10Mb/s/10/2XIDIANUNIVERSITY第36页MPEG-1:

一MPEG-1提出

为CD-ROM视频存放和放像所制订

二适用图像：360*28824-30帧/s运动图像

三应用领域：CD-ROM硬盘VCD数字音频磁带（2）MPEG-2:

一MPEG-2提出

提供数字音频-视频服务和应用国际标准。

二适用图像：720*48030帧/s 1440*1152HDTV/10/2XIDIANUNIVERSITY第37页6MPEG视频压缩方法

以MPEG-1为例：

压缩方法：帧内压缩和帧间压缩方法结合

（1）帧内压缩：JPEG

（2）帧间压缩

依据:相邻画面之间，活动部分画面内容是相关，其运动含有连续性。/10/2XIDIANUNIVERSITY第38页预测需要什么信息？1已知帧内画面中宏块2运动赔偿矢量

运动赔偿矢量预计？/10/2XIDIANUNIVERSITY第39页运动预计——得到运动向量过程：对当前要编码帧宏块，在前面参考帧（P帧）中搜索最正确匹配宏块。在当前宏块周围搜索窗内块匹配找到匹配宏块后就得到所需传输运动向量。另外还传输匹配宏块残差。残差单独再经过DCT和量化深入压缩。/10/2XIDIANUNIVERSITY第40页MPEG应用 MPEG-1：CD-ROM、

硬盘、VCD、

数字音频磁带 MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV/10/2XIDIANUNIVERSITY第41页MPEG-2方法：有损1量化从10bits降为8bits无损2省略水平和垂直空白间隔有损3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)无损4活动图像DPCM有损5DCT和量化无损6Z扫描和零序列游程编码无损7Huffman编码/10/2XIDIANUNIVERSITY第42页1.4模拟电视与数字电视1.4.1模拟电视1模拟电视定义：

信源形式决定了电视机是模拟电视机还是数字电视机。

当前我国处于模拟电视向数字电视广播过分阶段。 (1)电视台发信号基本是模拟信号。 (2)采取PAL-D制式为模拟电视广播。/10/2XIDIANUNIVERSITY第43页2模拟电视制式内在缺点（1）基本概念：电视线（TVLine）色度副载波亮色频带共用A视频带宽限制，电视线个数（显示图像实际电视线个数）受限：

亮度分解力和色度分解力不足/10/2XIDIANUNIVERSITY第44页B.亮色频带共用 1）电视机无法将亮度信号与色度信号彻底分离，造成亮色互串； 2）亮度信号能量分布在视频通道中低频，

色度信号能量分布在视频通道高频，

视频通道线性特征（幅频特征、相频特征）优劣决定是否存在亮色增益差和延时差。

C.长宽比/10/2XIDIANUNIVERSITY第45页1.4数字电视

（1）定义：

信源：数字电视信号

（2）与模拟电视区分：

可利用数字压缩技术

频道资源专业化、个性化

数字技术对节目处理、传输、储存

功效丰富：查询回放预定/10/2XIDIANUNIVERSITY第46页（3）数字电视系统组成

数字前端系统：数字化、加扰、授权、认证

双向传输网络：卫星、Cable

用户终端系统：机顶盒（4）主要业务：

以IPTV为例，基于以太网电视/10/2XIDIANUNIVERSITY第47页第48页第49页第50页第51页第52页第53页第54页