1、第三章第三章 DVB-S系统系统3.1 数字通信系统的基本知识数字通信系统的基本知识 3.2 DVB-S系统信源编码系统信源编码 3.1 数字通信系统的基本知识n通信：指信息的传输与交换。n通信的目的：传递消息消息中所包含的信息信息。n消息消息(message)(message)：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。n信息信息(information)(information)：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：n非电的：如旌旗、消息树、烽火台 n电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。单工通信：消息只能单方向传输的
2、工作方式单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 半双工半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式发的工作方式 全双工全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式式 3.1.1 通信方式：通信方式：单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信n并行传输和串行传输并行传输和串行传输 并行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步
3、措施优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要缺点：需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输元接一个码元地在一条信道上传输 优点：只需一条通信信道，节省线路；优点：只需一条通信信道，节省线路；缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施3.1.2 数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要性能指标有效性有效性和可靠性可靠性n有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间
4、隔），或者说是传输的源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度速度”问题。问题。n可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的的“质量质量”问题。问题。n有效性：用有效性：用传输速率传输速率和和频带利用率频带利用率来衡量。来衡量。码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为传送码元的数目，单位为波特波特（Baud），简），简记为记为B。式中式中T 表示一个码元的持续时间（秒）表示一个码元的持续时间（秒）信息传输速率信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的：定义为单位时间内传递的比特数或平均信息量，单
5、位为比特数或平均信息量，单位为比特比特/秒秒，简记，简记为为 b/s，或，或bps)B(1TRB 码元速率和信息速率的关系码元速率和信息速率的关系 或或 对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信，码元速率和信息速率在数量上相等息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB 频带利用率：定义为单位带宽（频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的赫兹）内的传输速率，即传输速率，即 或或n可靠性：可靠性：常用误码率和误信率表示。常用误码率和误信率表示。误码率误码率
6、 误信率，又称误比特率误信率，又称误比特率在在二进制二进制中有中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPP 越大，越大，b b越大，有效性越好；采用多进制可以提高越大，有效性越好；采用多进制可以提高b bn解：解：依题意依题意 3000/bRbit s 则则 82/log 81000BbRRBaud得系统的误码率得系统的误码率 51036010100018eP例例1 1：已知某八进制数字通信系统的信息速率为已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000bit/s3000bit/s，在收端，在收端1010分钟内测得出现分钟内测得出现181
7、8个错误码元，个错误码元，试求该系统的误码率。试求该系统的误码率。信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。离散信道容量离散信道容量根据奈奎斯特根据奈奎斯特(Nyquist)准则，带宽为的信道，所能传准则，带宽为的信道，所能传送的信号最高码元速率为送的信号最高码元速率为2B波特波特(Baud)。因此，无噪声离散。因此，无噪声离散信道的信道容量为信道的信道容量为 3.1.3 信道容量信道容量例2：一个四进制无噪声数字信道，带宽为3000Hz，求该信道的信道容量。解：C=2Blog2L=23000
8、log24=12000bit/s 3.2 信源编码信源编码n压缩的必要性压缩的必要性以以4 4：2 2：2 2信号格式为例，采用信号格式为例，采用1010比特编码，标清信比特编码，标清信号的比特率达到号的比特率达到270Mbit/s270Mbit/s，因此要求信道提供，因此要求信道提供135MHz135MHz的的带宽。信号的存储困难，一个带宽。信号的存储困难，一个1GB1GB容量的光盘，仅能存约容量的光盘，仅能存约半分钟的标清电视数据。半分钟的标清电视数据。HDTVHDTV系统中，一帧系统中，一帧画面画面 1280 1280 720 720 点，点，24bit24bit真彩色，真彩色，6060
9、帧帧/s/s，每秒数据量，每秒数据量:1280 1280 720 720 3 3 60=166MB=1.33Gb 60=166MB=1.33Gb 目前数字传输能力，目前数字传输能力，6MHz6MHz带宽，只有带宽，只有30Mb/s30Mb/s的传输速率，的传输速率，需要压缩比需要压缩比:1330/20=44.4:1330/20=44.4n结论：结论：1）如果不降低数字电视数据量和数据码率，就无法在）如果不降低数字电视数据量和数据码率，就无法在普通的数据存储设备有效地存储数字电视信号；普通的数据存储设备有效地存储数字电视信号；2）无法在适当的信道带宽内有效地传输数字电视信号；）无法在适当的信道带
10、宽内有效地传输数字电视信号；因此因此，要想降低数字电视的数据量和码率，就需要对，要想降低数字电视的数据量和码率，就需要对数字电视信号进行压缩。通常，将对数字电视信号进数字电视信号进行压缩。通常，将对数字电视信号进行压缩的过程称为行压缩的过程称为信源编码。信源编码。n压缩的可能性压缩的可能性 图像数据的压缩机理来自两个方面：图像数据的压缩机理来自两个方面：一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；二是利一是利用图像中存在大量冗余度可供压缩；二是利用人眼的视觉特性带来的数据冗余。用人眼的视觉特性带来的数据冗余。1 1图像数据的冗余度（图像数据的冗余度（帧内和帧间）帧内和帧间）(1)(1)空间冗余空间冗
11、余 在一幅图像中规则的物体和规则的背景都具有很强在一幅图像中规则的物体和规则的背景都具有很强的相关性。的相关性。静止图像信息的冗余静止图像信息的冗余（相邻像素间的空间冗余相邻像素间的空间冗余）活动图像信息的冗余活动图像信息的冗余（相邻帧间相邻帧间）图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余(2)(2)时间冗余时间冗余帆船在画面中航行，前后两帧图像中只是帆船向前行驶了一帆船在画面中航行，前后两帧图像中只是帆船向前行驶了一段路程，背景基本不变，帆船也是时间相关的段路程，背景基本不变，帆船也是时间相关的（3）结构冗余结构冗余：图像从大面积上看，存在：图像从大面积上看，存在着有规律的纹理结构，称之为
12、结构冗余。如着有规律的纹理结构，称之为结构冗余。如太阳是圆的，楼房建筑多为长方形，人的身太阳是圆的，楼房建筑多为长方形，人的身体具有对称性等。体具有对称性等。（4）知觉冗余知觉冗余：知觉冗余是指那些处于人：知觉冗余是指那些处于人们听觉和视觉分辨力以下的视音频信号，若们听觉和视觉分辨力以下的视音频信号，若在编码时舍去这种信号，虽然产生一定失真，在编码时舍去这种信号，虽然产生一定失真，但并不能为人所感知。但并不能为人所感知。视觉冗余视觉冗余 人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检 验标准，对于人眼难以识别的数据或对视觉效果影响甚验标准，对于人眼难以
13、识别的数据或对视觉效果影响甚 微的数据，都可认为是多余的数据，可以省去。这些多微的数据，都可认为是多余的数据，可以省去。这些多 余部分就是视觉冗余。余部分就是视觉冗余。4bit量化量化8bit量化量化空间分辨力空间分辨力 空间分辨力空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。的分辨力，视觉对于不同图像内容的分辨力不同。对于静止图象对于静止图象，视觉具有较高的空间分辨力。，视觉具有较高的空间分辨力。对对于活动图象于活动图象，视觉具有较低的空间分辨力，且随，视觉具有较低的空间分辨力，且随着运动速度的提高而迅速下降。着运动
14、速度的提高而迅速下降。信源编码的方框图信源编码的方框图 消除消除空间与时间空间与时间冗余冗余消除消除知觉知觉冗余冗余降低降低结构结构冗余冗余消除消除统计统计(熵熵)冗余冗余帧内预测帧内预测帧间预测帧间预测自适应预测自适应预测运动补偿预测运动补偿预测 K-L变换变换哈尔（哈尔（Haar）变换）变换离散余弦变换（离散余弦变换（DCT）沃尔什（沃尔什（Walsh）变换）变换霍夫曼编码霍夫曼编码算术编码算术编码 MPEG标准标准 1988年，国际标准化组织（年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员）和国际电工委员会（会（IEC）共同组建了运动图像专家组）共同组建了运动图像专家组MPEG（Moving
15、 Picture Experts Group），对运动图像的压缩编码标），对运动图像的压缩编码标准进行了研究。准进行了研究。1992年和年和1994年分别通过了年分别通过了MPEG-1和和MPEG-2压缩编码标准。针对不同的应用，压缩编码标准。针对不同的应用，MPEG现在已经有了现在已经有了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7一一系列标准。系列标准。对高质量的活动图象、声音实现压缩对高质量的活动图象、声音实现压缩主要用于广播电视、活动图象的压缩编码和解码主要用于广播电视、活动图象的压缩编码和解码 数据压缩编码方法的分类数据压缩编码方法的分类 根据解压重建后的图像
16、和原始图像之间是否有误差，根据解压重建后的图像和原始图像之间是否有误差，可以分成两类。两类。无损压缩编码无损压缩编码（可逆压缩编码（可逆压缩编码(Reversible Coding)）原始数据可完全从压缩数据中恢复出来，即在压缩和解压缩 过程中没有信息损失。压缩比2:1左右。有损压缩编码有损压缩编码(不可逆压缩编码不可逆压缩编码(Non-Reversible CodingNon-Reversible Coding)原始数据不能完全从压缩数据中恢复出来，即恢复数据只是原始数据不能完全从压缩数据中恢复出来，即恢复数据只是在某种失真度下的近似。在某种失真度下的近似。如果视觉上能够接受甚至觉察不出质量
17、如果视觉上能够接受甚至觉察不出质量的降低，则这种压缩就是可行的。的降低，则这种压缩就是可行的。压缩比压缩比1000:11000:1。根据压缩机理的不同，数据压缩编码方法可以分成：根据压缩机理的不同，数据压缩编码方法可以分成：预测编码、变换编码、熵编码。预测编码、变换编码、熵编码。1、预测编码、预测编码（Predictive Coding）(帧间编码帧间编码)n利用过去的样值对当前样值进行预测，然后利用过去的样值对当前样值进行预测，然后当前样值的实际数与预测值相减得到一个误当前样值的实际数与预测值相减得到一个误差值，只对这一预测误差值进行编码。编码差值，只对这一预测误差值进行编码。编码系统主要由
18、加法器、预测器、量化器和编码系统主要由加法器、预测器、量化器和编码器构成。器构成。n差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制 （DPCM DPCM：Differential Differential Pulse Code Modulation Pulse Code Modulation）是预测编码中最）是预测编码中最重要的一种编码方法。重要的一种编码方法。DPCM原理原理_ DPCM原理原理任一像点的灰度值可由它前面出现任一像点的灰度值可由它前面出现的若干个像素进行估计的若干个像素进行估计(预测预测)数字图像相邻像素间数字图像相邻像素间存在较强的相关性存在较强的相关性 求出估计值与实际值的差值求出估计
19、值与实际值的差值 对差值进行量化、编码、传输对差值进行量化、编码、传输 设tk时刻的输入信号取样值为Xk；tk时刻前N个邻近像素取样序列为 ，现由此N个值估计 ，得估计值预测差值为 ,对ek进行量化、编码、传输可达到压缩目的。NkkkXXX,21kkkeXXkXkXDPCM原理原理DPCM系统的性能决定于预测器与量化器的设计。DPCM系统的主要问题是存在误码扩散：若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧间编若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧间编码会使误差扩散到后续的若干帧中。码会使误差扩散到后续的若干帧中。n注意注意:因为静止图像前后帧空间位置对应像素完全因为静止图像前后帧空间位置对
20、应像素完全一样，简单帧间预测对于静止图像画面压缩非常一样，简单帧间预测对于静止图像画面压缩非常有效。有效。存储器存储第一帧图像数据，其后连续帧可以存储器存储第一帧图像数据，其后连续帧可以 反复读出。反复读出。对于活动图像内容，前后帧相应位置像素差值对于活动图像内容，前后帧相应位置像素差值很大，量化后比特数仍然很大，压缩效果不佳。很大，量化后比特数仍然很大，压缩效果不佳。解决办法：解决办法：运动估计运动估计（Motion Estimation）运动补偿运动补偿块效应块效应（1）运动估计）运动估计简单说运动估计是对运动物体的位移作出估计。简单说运动估计是对运动物体的位移作出估计。n编码图象编码图象
21、中的当前宏块相对于中的当前宏块相对于参考图象参考图象中的匹配宏块所移动的距离和方向，中的匹配宏块所移动的距离和方向，就是运动矢量（就是运动矢量（Motion Vector）。求运动矢量的过程称为运动估计。）。求运动矢量的过程称为运动估计。a b c当前帧后一帧运动矢量MV运动估计，找到匹配块运动估计，找到匹配块前一帧（2）运动补偿）运动补偿n最终预测图象是用两种类型的参数一起来表示：最终预测图象是用两种类型的参数一起来表示：n当前要编码的图象宏块和参考图象宏块之间的差值；当前要编码的图象宏块和参考图象宏块之间的差值；n宏块的运动矢量宏块的运动矢量。考虑了运动估计而对图像进行预测编码称为运动补偿
22、。考虑了运动估计而对图像进行预测编码称为运动补偿。2、变换编码、变换编码 变换编码变换编码(Transform Coding)的基本思想是将在通常的空的基本思想是将在通常的空间域描写的图像信号变换到另外的向量空间间域描写的图像信号变换到另外的向量空间(变换域变换域)进进行描写，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼行描写，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。的视觉特性进行编码。如将时域信号变换到频域，因为声音、图像大部分信号如将时域信号变换到频域，因为声音、图像大部分信号都是低频信号，在频域中信号的能量较集中。都是低频信号，在频域中信号的能量较集中。(1)一般来说图像
23、变换不是对整幅图像一次进行，而是在存储一般来说图像变换不是对整幅图像一次进行，而是在存储器中把一幅图像分成许多像块，然后依次将每个像块内的器中把一幅图像分成许多像块，然后依次将每个像块内的NN个样点同时送入变换器进行变换运算。个样点同时送入变换器进行变换运算。(2)变换器把输入的变换器把输入的NN点的像块由原空间域变换到变换域中，点的像块由原空间域变换到变换域中，映射成同样大小的映射成同样大小的NN点的变换系数矩阵，经过变换后的点的变换系数矩阵，经过变换后的系数矩阵更有利于压缩。系数矩阵更有利于压缩。变换编码流程变换编码流程(3)量化器用有限个值来表示变换后的系数矩阵，通过量化器量化器用有限个
24、值来表示变换后的系数矩阵，通过量化器舍弃一些小幅度的变换系数。舍弃一些小幅度的变换系数。(4)编码器给量化器输出的每一个符号指定一个二进制码字，编码器给量化器输出的每一个符号指定一个二进制码字，可以是定长码也可以是变长码。可以是定长码也可以是变长码。变换编码流程变换编码流程变换编码系统框图变换编码系统框图分块分块DCT变换变换量化量化编码编码解码解码反量化反量化反反DCT变换变换块块组合组合输入数据输入数据接收输出接收输出信道信道右图为右图为8 88DCT8DCT基图像示意图基图像示意图注：变换后的系数矩阵中，不同位置处的系变换后的系数矩阵中，不同位置处的系数值对应不同空间频率分量的大小，低频
25、分量数值对应不同空间频率分量的大小，低频分量处在左上角附近，高频分量处在右下角附近。处在左上角附近，高频分量处在右下角附近。变换之后需要对变换之后需要对DCT系数进行量化，这时可利用人眼的视觉冗余性。可系数进行量化，这时可利用人眼的视觉冗余性。可对系数矩阵左上角附近的系数进行细量化对系数矩阵左上角附近的系数进行细量化（量化比特数高）而对右下角附（量化比特数高）而对右下角附近的系数进行粗量化近的系数进行粗量化（量化比特数低），即对不同的（量化比特数低），即对不同的DCT系数采用不同的系数采用不同的量化间隔。量化间隔。不同的量化间隔不同的量化间隔nDCT编码是有损压缩编码是有损压缩 对图像带来失真
26、的主要原因如下：对图像带来失真的主要原因如下：(1)由于量化舍去高频系数而使图像轮廓产生模糊；由于量化舍去高频系数而使图像轮廓产生模糊；(2)对某些系数采用粗量化引起图像亮度缓变区在邻近对某些系数采用粗量化引起图像亮度缓变区在邻近的两个量化电平之间变化，造成颗粒状的杂波；的两个量化电平之间变化，造成颗粒状的杂波；(3)像块的划分使相邻像块人为地造成亮度不连续，即像块的划分使相邻像块人为地造成亮度不连续，即块效应。块效应。例：例：把把DCT变换后的系数按一定方式读出。变换后的系数按一定方式读出。Z形扫描形扫描游程编码：游程编码：（0，79），），（1，2），），（0，1），），（0，1），），（
27、0，1），），（2，1），），EOB Z形读出：形读出：3、游程编码、游程编码(RLC，Run Length Coding)游程编码的方法游程编码的方法是将一维序列转化为一个由二元数组是将一维序列转化为一个由二元数组(run,level)组成的数组序列，其中组成的数组序列，其中run表示连零的长度，表示连零的长度，level表示紧接在这串连零之后出现的非零值。当剩下的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时，用符号所有系数都为零时，用符号EOB(End of Block)来代表。来代表。游程编码游程编码(RLC，Run Length Coding)注：注：游程编码一般不直接
28、使用，为了达到较好的压缩效果，游程编码一般不直接使用，为了达到较好的压缩效果，通常与其他编码方法一起使用，如和正交变换一起使用。通常与其他编码方法一起使用，如和正交变换一起使用。为解决连为解决连 0 的表达方式采用的表达方式采用游程编码游程编码。游程长度编码游程长度编码(RLC)图图在量化的在量化的DCT交流（交流（AC）系数中，将每一串连）系数中，将每一串连0系数与其后面系数与其后面的一个非的一个非0系数组成一个数组，并用一对符号表示：系数组成一个数组，并用一对符号表示：符号符号1 符号符号2 （游程长度（游程长度Run,位长）位长）（幅值）（幅值）游程长度游程长度：非零系数前连：非零系数前
29、连0的个数；的个数；位长为后续非位长为后续非“0”系数的系数的编码位长。编码位长。幅值幅值：非零系数值。：非零系数值。lDCDC和和ACAC系数的统计量不一样，它们采用不同的系数的统计量不一样，它们采用不同的HuffmanHuffman表。表。符号对由符号符号对由符号1 1和符号和符号2 2组成。组成。l对于直流差分系数，符号对于直流差分系数，符号1 1中只有位长。中只有位长。l符号符号2 2表示幅值，即不为表示幅值，即不为0 0的的ACAC系数值。系数值。其游程长度编码结果其游程长度编码结果：(25),（0,4)(10),（0,2)(3）,(2,2)(-2),(0,2)(2),(7,1)(-
30、1),(0,0)第一个数是直流（第一个数是直流（DC）系数。）系数。游程编码使游程编码使64个系数只需个系数只需7对符号，用对符号，用7个码字个码字表示即可。表示即可。游程编码后的熵编码多用霍夫曼编码（游程编码后的熵编码多用霍夫曼编码（VLC)VLC)。编码标准编码标准提供霍夫曼码表提供霍夫曼码表，根据游程编码得到的符号直，根据游程编码得到的符号直接查表，得到相应的码字。码表是根据概率分布并对大接查表，得到相应的码字。码表是根据概率分布并对大量典型图像素材进行统计制成的量典型图像素材进行统计制成的位长位长DC差分值差分值位长位长AC系数系数001-1,11-1,12-3,-2,2,32-3,-
31、2,2,33-7,-4,4,73-7,-4,4,74-15,-8,8,154-15,-8,8,155-31,-16,16,315-31,-16,16,316-63,-32,32,636-63,-32,32,637-127,-64,64,1277-127,-64,64,1278-255,-128,128,2558-255,-128,128,2559-511,-256,256,5119-511,-256,256,51110-1023,-512,512,102310-1023,-512,512,102311-2047,-1024,1024,2047位长与位长与DCDC差分值和差分值和ACAC系数对应
32、表系数对应表亮度和色度直流系数的亮度和色度直流系数的Huffman码表码表亮度交流系数的亮度交流系数的Huffman码表码表色度交流系数的色度交流系数的Huffman码表码表幅度值的可变长二进制编码表幅度值的可变长二进制编码表游程编码后的熵编码游程编码后的熵编码对符号对符号1中的数据，从亮度和色度的系数码表查出霍中的数据，从亮度和色度的系数码表查出霍夫曼编码；夫曼编码；符号符号2中的数据仍用自然二进数编码，也称可变长整中的数据仍用自然二进数编码，也称可变长整数（数（VLI）编码，码字长度也是可变的；）编码，码字长度也是可变的；直流系数直流系数DC采用与相邻像块采用与相邻像块DC的差值编码；的差
33、值编码；对前面图中的游程编码结果进行熵编码对前面图中的游程编码结果进行熵编码，结果是：11011001 10111010 0111 1111100101 0110 111110100 1010压缩比计算压缩比计算 以上由以上由64个像点样值编码所得数据的总位数是个像点样值编码所得数据的总位数是47。可用抽。可用抽样位率表示压缩程度，即用平均每个像点占用多少位来表示。样位率表示压缩程度，即用平均每个像点占用多少位来表示。对于此对于此88像块的抽样位率计算如下：像块的抽样位率计算如下：也可以用压缩比也可以用压缩比CR来度量压缩程度。本例按原图象用来度量压缩程度。本例按原图象用8比特比特量化的量化的
34、88像块计算，可得压缩比为：像块计算，可得压缩比为：样点位抽样数总位数抽样位率/730644791047888压缩后的总位数压缩前的总位数压缩比CR4、熵编码原理、熵编码原理 熵编码（熵编码（Entropy 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。n霍夫曼霍夫曼(Huffman)编码：编码：变长编码，对出现概率大的变长编码，对出现概率大的信源符号分配较短的码字，对出现概率小的信源符号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的码字，以获得较短的平均码长。分配较长的码字，以获得较短的平均码长。一、概率 概率通常是指某一
35、事件发生的相对频数。设信息源中有k个符号a1,a2,.ak从这组符号中任取n次符号，而在这n次选取的符号里，取得ai的次数为m，则当n很大时，比率m/n就称为取出符号ai概率。用P(ai)表示，即 nmaPni lim)(一、概率 事件的概率总是正数，并总是处在0与 l之间，即 oP(ai)1。如果P(ai)0，说明是不可能事件;如果P(ai)1，则说明是必然事件。二、信息量 所谓信息量，实际是对消息中所含信息多少的一种度量。消息中所含信息量的大小与消息发生的概率有密切关系。一件事发生的概率越小，越使人感到意外和惊奇，此消息所含的信息量就越大；若消息出现的概率P(ai)0，其消息的信息量就趋于
36、无穷大。当消息发生的概率P(ai)l时，则说明是一个必然事件，其所含的信息量为零。二、信息量 在信息论中，消息所含的信息量I由下式表示 单位为比特。由该式可看出：当消息发生的概率P1/2时，消息所含的信息量I=l比特；当P1/4时，I2比特。若要传送8个等概率出现的消息之一,即P 1/8，I3,至少需要三位二进制。这样，所传输消息的信息量就与传送所需要的最少二进制位数建立了一一对应关系。PPI22log1log 三、熵的概念 设有 2个编号为“1”的小球，编号为“1”的小球占总数6个球的1/3；有 3个编号为“2”的小球，编号为“2”的小球占总数6个球的1/2；有 1个编号为“3”的小球，编号
37、为“3”的小球占总数6个球的1/6。83.113213322183.1613212311求编号平均值方法一：求编号平均值方法二：三、熵的概念 信源的平均信息量称之为熵。设有n个信号电平a1,a2.an，其对应的概率分别为Pl，P2，Pn，信号所携带的信息量分别是log(1/P1),log(1/P2).,log(1/Pn)比特，则熵便可由下式求出:nnppppppppH1log.1log1log1log2332222112 三、熵的概念 即：ppppppppHn1log.1log1log1log2332222112iniiPPH21logn设信源输出设信源输出M个统计独立的符号个统计独立的符号x
38、1,x2,xM，它们出现的，它们出现的概率分别为概率分别为P(x1),P(x2),，P(xM)，则每个符号所含信息量，则每个符号所含信息量的统计平均值即离散信源的平均信息量为的统计平均值即离散信源的平均信息量为 H(x)=-(bit/符号)n信源的平均信息量又称信源的平均信息量又称“信源熵信源熵”。可以证明。可以证明:最大信源熵发生在最大信源熵发生在信源的每个符号等概独立出现时信源的每个符号等概独立出现时，最大信源熵为，最大信源熵为 Hmax(x)=log2M (bit/符号符号)1211()log()Mip xp x例例一个由字母一个由字母A,B,C,DA,B,C,D组成的字，对于传输的每一
39、个字母用二组成的字，对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，进制脉冲编码，0000代表代表A A，0101代表代表B B，1010代表代表C C，1111代表代表D D，每个脉冲宽度为每个脉冲宽度为5ms5ms。（1 1）不同的字母是等可能出现时，试计算传输的平均信息）不同的字母是等可能出现时，试计算传输的平均信息速率；速率；（2 2）若每个字母的出现可能性分别为）若每个字母的出现可能性分别为 试计算传输的平均信息速率试计算传输的平均信息速率。1113,54410ABCDPPPP 解解（1）每个字母的持续时间为25ms，所以字母传输速率为不同的字母等可能出现时，每个字母的平均信息量为 平均信息速
40、率为4311002 5 10BRBaud 2()log 42/H xbit符号4()200/bBRRH xbit s（2）每个字母的平均信息量为 所以，平均信息速率为222211111133()loglogloglog5544441010H x 1.985/bit符号 4()198.5/bBRRH xbit s三、熵的概念 图像信源编码中：信源的熵是压缩编码的一个理论极限，它表示无失真编码所需的比特率的下限。比特率是编码表示一个像素所需的平均比特数。编码输出的平均码长要信源熵。信源压缩编码的目的之一，是使平均码长尽可能的接近信源的熵。平均码长：m=20.25+2 0.25+2 0.20+3 0
41、.15+4 0.10+4 0.05 =2.45 bit/符号 熵：42.2log612iiiPPHbit/符号988.045.242.2编码效率：n MPEG-1/MPEG-2的视频结构的视频结构 （1）视频序列）视频序列（VS）视频序列也称图像序列，它是随机选取节目的一 个基本单元。从节目内容看，一个视频序列大致 对应于一个镜头，切换一个镜头，即表示开始一 个新的序列。（2）图像组）图像组(GOP)图像组由几帧连续图像组成，简称为GOP。它是 对编码后的视频码流进行存取的基本单元。其第一帧总是I帧。大的图像组包含1015帧图像。小图像组只有23帧图像。（3）图像）图像(P)图像是一个独立的显
42、示单元，也是图像编码的基 本单元。可分为I P B三种编码图像，分别对应 三种压缩编码模式，即帧内压缩编码（I帧编 码）前向预测编码（P帧编码）和双向预测编码 （B帧编码）。（4）像条）像条(SLICE)像条由一系列连续的宏块组成。就是行 （5）宏块）宏块(MB)宏块是运动估计的基本单元。运动估计以宏块为单 位得到最佳匹配宏块的运动矢量。运动估计只对亮 度数组进行，色差数组使用和亮度数组相同的运动 矢量。（6）块）块 块是DCT变换的基本单元。一幅图像以亮度数据数 组为基准被分成为若干个88像素的数组，简称为 块。可以是亮度块或色差信号块。123459711610812123412346757
43、684：2：0宏块结构宏块结构4：2：2宏块结构宏块结构4：4：4宏块结构宏块结构GOP 1GOP SCGOP 头头图像图像1图像图像2图像图像3图像图像N图像图像 SC图像图像 头头条条 1条条 2条条 3条条 m条条 SC条条 头头宏块宏块 1 宏块宏块 2 宏块宏块 3宏块宏块 nY 1宏块编码信息宏块编码信息Y 2Y 3Y 4C 1C 288 系数块系数块序列层序列层GOP层层图像层图像层宏块层宏块层像块层像块层序列序列SC序列扩展序列扩展序列头序列头GOP 2序列序列EC0 x000001B3 视频基本码流结构视频基本码流结构 MPEG标准中三种类型图像标准中三种类型图像I帧/P帧/
44、B帧 I I帧帧:帧内编码图像,仅利用该帧图像本身信息进行预测编码,压缩比不高；帧内预测编码帧内预测编码 预测值由同一行前面的相临像素和上面相临行的相关像预测值由同一行前面的相临像素和上面相临行的相关像素来产生时，称为二维预测。二维预测可去除空间冗余。素来产生时，称为二维预测。二维预测可去除空间冗余。预测精度越高，编码效率越高。预测精度越高，编码效率越高。扫描方向MPEG标准中三种类型图像标准中三种类型图像P帧:预测编码图像,根据前面最靠近的I帧或者另一个P帧进行预测,属于前向预测；由于使用运动补偿，由于使用运动补偿，P帧比帧比I 帧压缩更大，并可作为后帧压缩更大，并可作为后面面 P/B帧的基
45、准，会传播误码。压缩比大于帧的基准，会传播误码。压缩比大于I帧帧。B帧:双向预测编码图像,它既用过去的帧作基准，也用后来的帧作基准，即前向和后向预测都有，预测精度较高。B B帧压缩最大帧压缩最大,且不传播误码；且不传播误码；I，P，B三种图象的数据压缩比：三种图象的数据压缩比：25：1，510：1，2030：1 双向预测双向预测B帧帧预测方式预测方式 I I 帧图像帧图像:只由帧内宏块组成只由帧内宏块组成 P P 帧图像帧图像:包含前向运动补偿包含前向运动补偿 I I或或P P B B 帧图像帧图像:包含双向运动补偿包含双向运动补偿 I I或或P P解码时间标签解码时间标签DTS（Decodi
46、ng Time Stamp显示时间标签显示时间标签PTS（Presentation Time Stamp）MPEG-2码流的解码和显示顺序码流的解码和显示顺序I B B P B B P I B B P传输流中的传输流中的GOP结构结构传输帧序列与显示帧序列不同传输帧序列与显示帧序列不同 MPEG-2传输层码流分为：ES、PES、TS。ES(Elementary Stream)：指只包含1个信源编码器的数据流。即ES是编码的视频数据流，或编码的音频数据流，或其它编码数据流的统称。打包:为便于传输，实现时分复用，基本流ES 必须“打包”，就是将顺序、连续传输的数据流按一定的时间长度进行分割，分割的
47、小段叫做“包”，因而打包也称为分组。PES(Packetized Elementary Stream)：将ES流分组打包后，在每一个包前加包头就构成了打包的基本流PES.(包头用于区别不同性质的ES的数据流识别码,PTS和DTS)视频PES一般一帧一个包，音频PES一般一个包的数据量不超过64KB。多个打包后的数码流再经过复用器成为传送流（TS流）。ES生成PESnPES包头信息中加入PTS(Presentation Time Stamp)和DTS（Decode Time Stamp）用于视频、音频同步；同时加入数据流识别码。打包器ESPESPES生成TS传输流传输流是由一个或几个不同的PES
48、包经传输复用器后组成传输流。TS流更适合在有干扰或误码的环境中传输。TS小包长度固定为188个字节。V PESTS复用 TS转输流转输流A PESD PES188B188B188B188B包头(4B)调整字段(可选)有效载荷PES、PSI、SI调整字段包、调整字段包、PCRPID、计数器、计数器视频PES1音频ES1数据流1打包器打包器视频ES1音频PES1节目复用器节目流播出视频PES2音频ES2数据流2打包器打包器视频ES2音频PES2传输复用器TS流 数字电视码流之间的层次关系数字电视码流之间的层次关系多媒体图象编码压缩国际标准多媒体图象编码压缩国际标准多媒体图象编码压缩国际标准静态图象
49、压缩标准JPEG视频图象压缩标准MPEG面向对象通信的视频图象压缩标准H.261(即P64)P是参数，130。传输率为64384 kbps。用于可视电话和视频会议。为了适应各种为了在狭窄频带上实现高质量的视频图象和高保真的声音的传递。为了对复杂图象（自然的具有连续灰度或连续色调的复杂的）进行压缩。信道容量的数据传输，通过调整参数P来适应不同带宽的信道，并提供交互控制。视频图象序列的帧内图象的压缩编码也常用JPEG压缩标准面向通信的视频图象压缩标准 H.263为了在传输率低于64kbps的情况下（如，模拟电话网）传输视频。JPEG标准的标准的2类算法类算法JPEG标准的标准的2类算法类算法JPE
50、G标准定义了两种相互独立的算法：1、可逆编码（无失真）。DPCM+熵编码（哈夫曼哈夫曼/算术编码）2、非可逆编码（有失真）。DCT+DPCM+Z型扫描+熵编码熵编码JPEG标准之标准之 基于基于DPCM的无失真编码的无失真编码原始图象数据DPCM预测熵编码器哈夫曼或算术编码无失真编码器压缩后的图象数据优点：无失真；容易用硬件实现缺点：压缩比太低，只有约 2 1编码表JPEG标准之标准之基本系统基于基本系统基于DCT的有失真编码的有失真编码正向离散余弦变换FDCT量化器熵编码器88块源图象数据压缩后的图象数据量化表编码表编码器MPEG-1的视频压缩编码的视频压缩编码 MPEG-1中视频编码的关键
