数字化电视原理

LOGO数字化电视原理电子工程学院2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITYContents第一章数字压缩技术与数字电视技术的发展2019/10/12XIDIANUNIVERSITYContents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51.1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。2019/10/12XIDIANUNIVERSITY基本过程：1.在发送端把活动景物的光信号转变成对应的电信号。2.加工、处理并进行电传输。3.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？2019/10/12XIDIANUNIVERSITY1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2019/10/12XIDIANUNIVERSITY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。2019/10/12XIDIANUNIVERSITY（2）像素的传送2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2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。2019/10/12XIDIANUNIVERSITYB彩色电视制式彩色电视制式的制定依据？依据：色度信号的编码方法三大制式:(1)NTSC（N制，美国国家电视制式委员会）(2)SECAM(顺序传送色彩与存储)(3)PAL(P制，逐行倒相)我国：PAL-D2019/10/12XIDIANUNIVERSITYC黑白电视体制彩色电视的体制以黑白电视体制为基础。体制的概念内涵：扫描方式、每帧行数、行帧、场帧、视频带宽…2019/10/12XIDIANUNIVERSITY1.2模拟信号的数字化处理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的优势表现在动态、非线性失真影响等方面的改善。C模拟信号转变为数字信号如何实现？2019/10/12XIDIANUNIVERSITY采样、量化、编码（1）采样采样定理2019/10/12XIDIANUNIVERSITY（2）量化（均匀量化）最大量化误差？2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITY8位量化7位量化2019/10/12XIDIANUNIVERSITY6位量化4位量化2019/10/12XIDIANUNIVERSITY(3)编码定义：用n位2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脉冲编码调制2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITY1.3数字图像信号的压缩编码原理1压缩的必要性摄像机输出的RGB信号通过矩阵变换得到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通过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。2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITY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2图像数据因何可以实现压缩不相关性消除•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和粗结构。•不能复原的有损过程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：使用频率高的字母用短码，使用频率低的字母用长码。有损压缩：•离散余弦变换2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2019/10/12XIDIANUNIVERSITY-10-8-6-4-202468104静止图像压缩标准编码方法JPEGJointPhoto-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的压缩。2019/10/12XIDIANUNIVERSITYA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（色彩作为独立的部分处理）2）DCT3）量化4）差分编码5）Z字形扫描游程编码6）熵编码Huffman编码2019/10/12XIDIANUNIVERSITY29对视频帧一行中8个象素的时域电压值进行DCT得到频域的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）。根据人眼视觉特性，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，量化因子随着频率增高而变大。量化后很多系数变为0，尤其对高频系数而言。30数字电视原理与应用5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二维变换编码。图象先被分成8x8象素块，再通过二维DCT变换到频域。为得到带符号值，在做二维DCT之前，所有象素值先减去128。DCT后即量化，除以合适的量化步长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))17300000006－1－200000000000002000000000000000－100000000－1000000000000008161922262729341616222427293437192226272934343822222627293437402226272932354048262729323540485826272934384656692729353846566983QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化318x8象素块做二维DCT后得到频域中的8x8数组:第一个系数是DC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。第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构的能量。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能量。MPEG-2视频编码及其测量,class0332数字电视原理与应用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，而是通过游程编码只传连0的个数，Z扫描和游程编码，与DCT和量化相配合，是MPEG-2高压缩比的主要因素。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*0RLC17300000006－1－200000000000002000000000000000－100000000－10000000000000033游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。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。进一步冗余度消除，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HuffmancodetableCodesofvariablelength2019/10/12XIDIANUNIVERSITY相同之处：游程编码TIF40KJPG10K2019/10/12XIDIANUNIVERSITY5MPEG(活动图像压缩标准)活动图像专家组（MovingPictureExpertGroup）A任务：开发运动图像及其声音的数字编码标准B标准：MPEG-1:1.5Mb/sMPEG-2:10Mb/s2019/10/12XIDIANUNIVERSITY(1)MPEG-1:一MPEG-1的提出为CD-ROM的视频存储和放像所制定二适用图像：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的提出提供数字音频-视频服务和应用的国际标准。二适用图像：720*48030帧/s1440*1152HDTV2019/10/12XIDIANUNIVERSITY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，活动部分的画面内容是相关的，其运动具有连续性。2019/10/12XIDIANUNIVERSITY预测需要什么信息？1已知帧内画面中的宏块2运动补偿矢量运动补偿矢量的估计？2019/10/12XIDIANUNIVERSITY运动估计——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（P帧）中搜索最佳匹配宏块。•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。另外还传输匹配宏块的残差。•残差单独再经过DCT和量化进一步压缩。2019/10/12XIDIANUNIVERSITYMPEG的应用MPEG-1：CD-ROM、硬盘、VCD、数字音频磁带MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV2019/10/12XIDIANUNIVERSITYMPEG-2的方法：2019/10/12XIDIANUNIVERSITY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活动图像的DPCM有损5DCT和量化无损6Z扫描和零序列的游程编码无损7Huffman编码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：信源的形式决定了电视机是模拟电视机还是数字电视机。目前我国处于模拟电视向数字电视广播的过度阶段。(1)电视台发的信号基本是模拟信号。(2)采用的PAL-D制式为模拟电视广播。2019/10/12XIDIANUNIVERSITY2模拟电视制式的内在缺陷（1）基本概念：电视线（TVLine）色度副载波亮色频带共用A视频带宽的限制，电视线个数（显示图像的实际电视线个数）受限：亮度分解