1、2022-12-22数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理Contents第一章第一章 数字压缩技术与数字电视技术数字压缩技术与数字电视技术的发展的发展数字化电视原理v *XIDIAN UNIVERSITYContents 电视的发展历程电视的发展历程1模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理2 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理3模拟电视与数字电视模拟电视与数字电视4数字化电视数字化电视52022-12-22数字化电视原理v 1.1 1.1 电视的发展历程电视的发展历程v A A 电视诞生电视诞生电视是以电的方法即时传送活动图像和伴音的
2、技电视是以电的方法即时传送活动图像和伴音的技术。术。2022-12-22数字化电视原理基本过程：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。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。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。在接收端把收到的电信号逆变成原来景物的图像。那么如何那么如何在发送端把活动景物的光信号转变成对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？应的电信号，从而实现电信号的传输呢？2022-12-22数字化电视原理v 1 1 机械式圆盘扫描机械式圆盘扫描v 18841884年，德国发明家保
3、罗年，德国发明家保罗尼普科夫设计了尼普尼普科夫设计了尼普科夫圆盘科夫圆盘v 尼普科夫圆盘的思想：尼普科夫圆盘的思想：v（1 1）图像分解：图像分解为一个个像素）图像分解：图像分解为一个个像素2022-12-22数字化电视原理对于一幅图像而言，实际上它是由许多小的单元所租成的。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。上的像素点数目就越多，分辨率就越高。2022-12-22数字化电视原理v（2）像素的传送）像素的传送2022-12-22数字化电视原
4、理2022-12-22数字化电视原理v 2 2 电子式电视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。的发明与完善，电子式电视取代了机械式电视。3 3 彩色电视彩色电视1 1）彩色电视定义）彩色电视定义摄取、传送、接收彩色图像的电视系统。摄取、传送、接收彩色图像的电视系统。A A 三基色原理三基色原理三基色？三基色？R G B R G B 一切色彩可由三基色光混合而成。一切色彩可由三基色光混合而成。数字化电视原理数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理v B B 彩色电视制式彩色电视制式 彩色电
5、视制式的制定依据？彩色电视制式的制定依据？依据：色度信号的编码方法依据：色度信号的编码方法三大制式三大制式:(1)NTSC(1)NTSC（N N制，美国国家电视制式委员会）制，美国国家电视制式委员会）(2)SECAM(2)SECAM(顺序传送色彩与存储顺序传送色彩与存储)(3)PAL(P(3)PAL(P制，逐行倒相制，逐行倒相)我国：我国：PAL-DPAL-D2022-12-22数字化电视原理v C C 黑白电视体制黑白电视体制 彩色电视的体制以黑白电视体制为基础。彩色电视的体制以黑白电视体制为基础。体制的概念内涵：体制的概念内涵：扫描方式、每帧行数、行帧、场帧、视频带宽扫描方式、每帧行数、行
6、帧、场帧、视频带宽2022-12-22数字化电视原理v 1.2 1.2 模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理A A 模拟信号：时间、幅度模拟信号：时间、幅度 连续连续B B 数字信号：时间、幅度数字信号：时间、幅度 离散离散那么数字系统的优势表现在动态、非线性失真影那么数字系统的优势表现在动态、非线性失真影响等方面的改善。响等方面的改善。C C 模拟信号转变为数字信号模拟信号转变为数字信号如何实现？如何实现？2022-12-22数字化电视原理v 采样、量化、编码采样、量化、编码（1）采样）采样 采样定理采样定理2022-12-22数字化电视原理v（2 2）量化（均匀量化）量化（均匀量化）最
7、大量化误差？最大量化误差？2022-12-22数字化电视原理8 8位量化位量化 7 7位量化位量化2022-12-22数字化电视原理6 6位量化位量化 4 4位量化位量化2022-12-22数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理v(3)(3)编码编码定义定义 ：用：用n n位位2 2进制码表示采样信号的量化值。进制码表示采样信号的量化值。采样、量化、编码这样一个处理流程称为采样、量化、编码这样一个处理流程称为脉冲编码调制脉冲编码调制2022-12-22数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理v 1.3 1.3 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理1 1 压缩的
8、必要性压缩的必要性 摄像机输出的摄像机输出的RGBRGB信号通过矩阵变换得到信号通过矩阵变换得到Y,CY,CB B和和C CR R信号信号 降低色度分辨率为降低色度分辨率为4:2:24:2:2格式格式 PALPAL按照按照CCIR.601CCIR.601，信号码率，信号码率216Mbit/s216Mbit/s 通过通过MPEGMPEG视频压缩过程，必须压缩到视频压缩过程，必须压缩到6Mbit/s6Mbit/s，压缩比，压缩比3636。数字数字SDTVSDTV视频信号数码率视频信号数码率270Mbit/s270Mbit/s，必须压缩到，必须压缩到2 26Mbit/s6Mbit/s才能用于广播传输
9、。才能用于广播传输。数字数字HDTVHDTV视频信号数码率视频信号数码率1.188Gbit/s1.188Gbit/s，必须压缩到，必须压缩到2 26(15)Mbit/s6(15)Mbit/s才能用于广播传输。才能用于广播传输。2022-12-22数字化电视原理冗余度消除冗余度消除多余信息：码流中多次存在，或没有信息量，或在接收端可通过数学方法无失真恢复。无损压缩无损压缩2 2 图像数据因何可以实现压缩图像数据因何可以实现压缩不相关性消除不相关性消除不必要信息：人眼无法察觉的信息。人眼的彩色视觉细胞远远少于亮度视觉细胞，因此色度分辨率可以降低，色度信号带宽可以减少。人眼不能辨别图像中过于精细结构
10、和粗结构。不能复原的有损过程不能复原的有损过程2022-12-22数字化电视原理 v 3 3 分类：分类：无损压缩和有损压缩无损压缩和有损压缩.无损压缩：无损压缩：VLCVLC游程编码游程编码霍夫曼编码：使用频率高的字母用短码，使用频率低霍夫曼编码：使用频率高的字母用短码，使用频率低的字母用长码。的字母用长码。有损压缩：有损压缩：离散余弦变换离散余弦变换2022-12-22数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理v 4 4 静止图像压缩标准编码方法静止图像压缩标准编码方法JPEGJPEGJoint Photo-graphic Experts GroupJoint Photo-graph
11、ic Experts Group（1 1）国际标准化组织）国际标准化组织 （2 2）国际电报电话咨询委员会）国际电报电话咨询委员会（3 3）国际电工委员会）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的压适用范围：彩色和单色多灰度静止数字图像的压缩。缩。2022-12-22数字化电视原理A A 混合编码方式混合编码方式 B B 有损压缩和无损压缩方法结合有损压缩和无损压缩方法结合C C 基本算法流程基本算法流程1 1）颜色空间转换）颜色空间转换 （色彩作为独立的部分处理）（色彩作为独立的部分处理）2 2）DCTDCT3 3）量化）量化4 4）差分编码）差分编码5 5）Z Z字形扫描字形
12、扫描 游程编码游程编码6 6）熵编码）熵编码 HuffmanHuffman编码编码数字化电视原理v 对视频帧一行中对视频帧一行中8 8个象素的时域电压值进行个象素的时域电压值进行DCTDCT得到频得到频域的域的8 8个系数，依次为直流个系数，依次为直流DCDC系数、低频、中频和高系数、低频、中频和高频系数（视频信号能量）。频系数（视频信号能量）。v 根据人眼视觉特性，根据人眼视觉特性，DCTDCT系数在频域进行量化，除以系数在频域进行量化，除以某个量化因子。某个量化因子。v 量化因子越大，量化越粗。对较平滑图象，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
13、丰富图象，量化因子改变不大或根本不变；而对细节丰富图象，量化因子随着频率增高而变大。随着频率增高而变大。v 量化后很多系数变为量化后很多系数变为0 0，尤其对高频系数而言。，尤其对高频系数而言。数字电视原理与应用数字化电视原理5、DCT和量化和量化v JPEGJPEG和和MPEGMPEG中采用二维变换编中采用二维变换编码。码。v 图象先被分成图象先被分成8x88x8象素块，再通象素块，再通过二维过二维DCTDCT变换到频域。变换到频域。v 为得到带符号值，在做二维为得到带符号值，在做二维DCTDCT之前，所有象素值先减去之前，所有象素值先减去128128。v DCTDCT后即量化，除以合适的量
14、化后即量化，除以合适的量化步长步长183198 220 239 244 236 222211198 209 222 231 229 215 198186144 154 170 184 190 190 185180162 164 166 167 165 161 157154195 191 185 180 178 178 179181174 168 161 156 160 170 183192174 160 138 119 112 115 125133152 138 119 105 104 115 1331468X8象素块f(x,y)二维DCT减去128557092 111 116 108 94
15、83708194 103 1018770 5816814256626257 5234363839373329 2667635752505051 5346403328324255 644632109 1613 3524109 23241351813840000000216369900000000000009900000000000000058000000006000000000000001F(v,u)=DCT(f(x,y)173000000061200000000000002000000000000000100000000100000000000000816 19 22 2627 29 3416
16、 16 22 24 2729 34 3719 22 26 27 2934 34 3822 22 26 27 2934 37 4022 26 27 29 3235 40 4826 27 29 32 3540 48 5826 27 29 34 3846 56 6927 29 35 38 4656 69 83QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化数字化电视原理v 8x88x8象素块做二维象素块做二维DCTDCT后得到频域中的后得到频域中的8x88x8数组数组:
17、第一个系数是第一个系数是DCDC系数，对应整个块的直流分量。系数，对应整个块的直流分量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构的能量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构的能量。第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构的能量。的能量。第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构的能量。的能量。对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构的对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构的能量。能量。数字电视原理与应用数字化电视原理v 量化量化DCTDCT系数进行系数进行Z Z扫描之后，使得连扫描之后，使得连0 0数目
18、最大。数目最大。v 码流中不传这些连续码流中不传这些连续0 0系数，而是通过游程编码只传连系数，而是通过游程编码只传连0 0的个数，的个数，v Z Z扫描和游程编码，与扫描和游程编码，与DCTDCT和量化相配合，是和量化相配合，是MPEG-2MPEG-2高压缩比的主高压缩比的主要因素。要因素。Z扫描和游程编码扫描和游程编码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*0RLC17300000006120000
19、0000000002000000000000000100000000100000000000000数字化电视原理v 游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。v 出现频率高的码字编码为短码，出现频率低的码字编码出现频率高的码字编码为短码，出现频率低的码字编码为长码。为长码。v 进一步冗余度消除，无损过程。进一步冗余度消除，无损过程。霍夫曼编码霍夫曼编码DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0 Huffman Huffman编码编码Huffman code table2022-12-22数字化电
20、视原理2022-12-22数字化电视原理v 相同之处：游程编码相同之处：游程编码v TIF 40K JPG 10KTIF 40K JPG 10K2022-12-22数字化电视原理v 5 MPEG(5 MPEG(活动图像压缩标准活动图像压缩标准)活动图像专家组活动图像专家组（Moving Picture Expert GroupMoving Picture Expert Group）A A 任务：开发运动图像及其声音的数字编码标准任务：开发运动图像及其声音的数字编码标准B B 标准：标准：MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-2:10Mb/s MPEG-2:10M
21、b/s 2022-12-22数字化电视原理v MPEG-1:MPEG-1:一一 MPEG-1MPEG-1的提出的提出为为CD-ROMCD-ROM的视频存储和放像所制定的视频存储和放像所制定二二 适用图像：适用图像：360360*288 24-30288 24-30帧帧/s/s 运动图像运动图像三三 应用领域：应用领域：CD-ROM CD-ROM 硬盘硬盘 VCD VCD 数字音频磁带数字音频磁带（2 2）MPEG-2:MPEG-2:一一 MPEG-2MPEG-2的提出的提出提供数字音频提供数字音频-视频服务和应用的国际标准。视频服务和应用的国际标准。二二 适用图像：适用图像：720720*48
22、0 30480 30帧帧/s/s 1440 1440*1152 HDTV1152 HDTV2022-12-22数字化电视原理v 6 MPEG6 MPEG视频压缩方法视频压缩方法以以MPEG-1MPEG-1为例：为例：压缩方法：帧内压缩和帧间压缩方法结合压缩方法：帧内压缩和帧间压缩方法结合（1 1）帧内压缩：）帧内压缩：JPEGJPEG（2 2）帧间压缩）帧间压缩依据依据:相邻画面之间，活动部分的画面内容是相关的，其相邻画面之间，活动部分的画面内容是相关的，其运动具有连续性。运动具有连续性。2022-12-22数字化电视原理预测需要什么信息？预测需要什么信息？1 1 已知帧内画面中的宏块已知帧内
23、画面中的宏块2 2 运动补偿矢量运动补偿矢量运动补偿矢量的估计？运动补偿矢量的估计？2022-12-22数字化电视原理v 运动估计运动估计得到运动向量过程：得到运动向量过程：对当前要编码帧的宏块，在前面的参考帧（对当前要编码帧的宏块，在前面的参考帧（P P帧）中搜索最佳帧）中搜索最佳匹配宏块。匹配宏块。在当前宏块周围的搜索窗内的块匹配在当前宏块周围的搜索窗内的块匹配 找到匹配宏块后就得到所需传输的运动向量。找到匹配宏块后就得到所需传输的运动向量。另外还传输匹配宏块的残差。另外还传输匹配宏块的残差。残差单独再经过残差单独再经过DCTDCT和量化进一步压缩。和量化进一步压缩。2022-12-22数
24、字化电视原理v MPEGMPEG的应用的应用MPEG-1MPEG-1：CD-ROMCD-ROM、硬盘、硬盘、VCDVCD、数字音频磁数字音频磁带带MPEG-2MPEG-2：DVDDVD、SDTVSDTV、HDTVHDTV2022-12-22数字化电视原理v MPEG-2MPEG-2的方法：的方法：有损有损1 1量化从量化从10bits10bits降为降为8bits8bits无损无损2 2省略水平和垂直空白间隔省略水平和垂直空白间隔有损有损3 3降低垂直方向色度分辨率降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)(4:2:0)无损无损4 4活动图像的活动图像的DPCMDPCM有损有损5 5DCTDCT和量
25、化和量化无损无损6 6Z Z扫描和零序列的游程编码扫描和零序列的游程编码无损无损7 7HuffmanHuffman编码编码2022-12-22数字化电视原理v 1.4 1.4 模拟电视与数字电视模拟电视与数字电视v 1.4.1 1.4.1 模拟电视模拟电视v 1 1 模拟电视定义：模拟电视定义：信源的形式决定了电视机是模拟电视机还是数字信源的形式决定了电视机是模拟电视机还是数字电视机。电视机。目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶段。段。(1)(1)电视台发的信号基本是模拟信号。电视台发的信号基本是模拟信号。(2)(2)采用的采用的PAL-DPAL
26、-D制式为模拟电视广播。制式为模拟电视广播。2022-12-22数字化电视原理v 2 模拟电视制式的内在缺陷模拟电视制式的内在缺陷v（1）基本概念：）基本概念：电视线（电视线（TVLine）色度副载波色度副载波 亮色频带共用亮色频带共用A 视频带宽的限制，电视线个数（显示图像的实际电视视频带宽的限制，电视线个数（显示图像的实际电视线个数）受限：线个数）受限：亮度分解力和色度分解力不足亮度分解力和色度分解力不足2022-12-22数字化电视原理B.B.亮色频带共用亮色频带共用1 1）电视机无法将亮度信号与色度信号彻底分离，）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；造成亮色互串；2
27、2）亮度信号能量分布在视频通道的中低频，）亮度信号能量分布在视频通道的中低频，色度信号能量分布在视频通道的高频，色度信号能量分布在视频通道的高频，视频通道的线性特性（幅频特性、相频特性）的视频通道的线性特性（幅频特性、相频特性）的优劣决定是否存在亮色增益差和延时差。优劣决定是否存在亮色增益差和延时差。C.C.长宽比长宽比2022-12-22数字化电视原理v 1.4 1.4 数字电视数字电视（1 1）定义：）定义：信源：数字电视信号信源：数字电视信号（2 2）与模拟电视的区别：）与模拟电视的区别：可利用数字压缩技术可利用数字压缩技术频道资源专业化、个性化频道资源专业化、个性化数字技术对节目处理、
28、传输、储存数字技术对节目处理、传输、储存功能丰富：查询功能丰富：查询 回放回放 预定预定2022-12-22数字化电视原理（3 3）数字电视系统组成）数字电视系统组成数字前端系统：数字前端系统：数字化、加扰、授权、认证数字化、加扰、授权、认证双向传输网络：卫星、双向传输网络：卫星、CableCable用户终端系统：机顶盒用户终端系统：机顶盒（4 4）主要业务：）主要业务：以以IPTVIPTV为例，基于以太网的电视为例，基于以太网的电视数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理（
29、5 5）数字电视标准）数字电视标准 1 ATSC 1 ATSC（美国高级电视系统委员会）（美国高级电视系统委员会）2 DVB(Digital video broadcasting)2 DVB(Digital video broadcasting)3 ISDB3 ISDB（Integrated service Digital Integrated service Digital broadcasting broadcasting）A A 压缩技术所采用压缩标准：压缩技术所采用压缩标准：MPEG-2MPEG-2B B 调制方式调制方式:ATSC:ATSC:电平残留边带电平残留边带 VSBVSB20
30、22-12-22数字化电视原理v（7 7）机顶盒）机顶盒A A 背景：目前我国处于模拟电视向数字电视广播背景：目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶段。的过度阶段。(1)(1)电视台发的信号基本是模拟信号。电视台发的信号基本是模拟信号。(2)(2)采用的采用的PAL-DPAL-D制式为模拟电视广播。制式为模拟电视广播。B B 机顶盒的主要作用：机顶盒的主要作用：信道解码、解复用、信源解码、转成信道解码、解复用、信源解码、转成PALPAL制模拟信号制模拟信号 C C 机顶盒分类：机顶盒分类：S T CS T C2022-12-22数字化电视原理DVB-S:QPSK DVB-S:QPSK 四相
31、相移键控四相相移键控DVB-C:DVB-C:QAMQAM正交幅度调制正交幅度调制DVB-T:DVB-T:COFDMCOFDM（6 6）数字电视优点）数字电视优点数字电视与模拟电视可实现信道兼容数字电视与模拟电视可实现信道兼容加密加密 加扰：加扰：有偿电视服务有偿电视服务 数字化电视原理数字化电视原理数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理v 1.5 1.5 数字化电视数字化电视v 背景：背景：目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶段。段。(1)(1)电视台发的信号基本是模拟信号。电视台发的信号基本是模拟信号。(2)(2)采用的采用的PAL-DPAL-D制式为模拟电视广播。制式为模拟电视广播。(3)(3)电视机接收模拟电视信号。电视机接收模拟电视信号。v 数字化定义：数字化定义：数字处理技术的应用数字处理技术的应用数字化电视原理数字化电视原理2022-12-22数字化电视原理
