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1第二章数字电视2．1数字电视概述数字电视包括标准清晰度数字电视（SDTV）和高清晰度数字电视（HDTV）是一种高技术含量的产品。它是超大规模集成电路技术、计算机技术、通信技术、数字压缩及解压缩技术和高清晰度显示技术高度综合的产物。与现行电视相比，HDTV在水平和垂直两个方向的图象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕显示器近距离观看时，图象细腻逼真，无闪烁和粗糙感，并配以数字环绕音响伴音，其效果是传统电视所无法比拟的。数字电视是指在电视信号产生后的处理、传输、存储和记录全部采用数字处理的全新电视系统。它采用了数字图像压缩编码、数字伴音压缩编码、数字多路复用技术、信道纠错编码技术以及适用于各种传输信道的调制解调技术等。传输系统图2.1数字电视系统框图数字电视系统一般包括数字电视信号的处理系统、传输系统和接收部分。我们以图2.1为线索简要讨论数字电视系统的工作原理和工作过程。视频信源信源分解视频信源编码打包音频信源音频信源编码打包辅助数据格式化复用同上条件接收多路节目复用信道编码调制器发射接收机2数字电视信号处理，包括把模拟电视信号变为数字信号、进行编码压缩，最后创建多路复用的传输流。按照分量编码方式，视频RGB信号通过信源分解,转换为Y、Cr、Cb信号，即一个亮度信号和两个色度信号。这样，降低了信号的相关性，避免了亮、色之间的相互干扰。完成亮、色分离之后，即进行信源压缩编码。因为数字化以后，信号的码率极高，占用的频带资源过大，会给处理和传输带来许多问题，必须采用高效的压缩编码技术，降低码率。目前数字电视的压缩编码采用MPEG-2标准，对视频和音频都有较好的压缩效果。音频编码充分利用了人的听觉屏蔽现象和典型的音频信号不可能全频率同时出现的事实，将音频信号分解成多个频段（子带分解），进行放缩和量化，每个子带的量化步长选择和分析由频域分析函数完成对采样值进行编码。打包器将压缩编码输出的视频、音频和格式化的辅助数据流分割成各种PES数据包。这些PES包分别含有同步时间标记和其它参数的包头信息，用以创建传输流。业务复用将各种PES数据包整合成单个的传输数据包，其长度是固定的188Byte，含有4Byte的包头信息和长度不定的适应层信息与有效载荷。MPEG-2传输流采用短的定长包主要基于以下考虑：首先，短定长包有利于动态的带宽分配。传输流中包含音频、视频和辅助控制信息等，而各种信号的信息量是不相等的。对于信息量较大的视频流，可以通过增加视频包出现的频率，实现带宽的重分配。其次，有利于实现业务的分级性。对于复用后的传输流，可以与其他基本比特流在更高一级上复用。业务的可分级性，为不同等级的图像信息在同一传输流中传送以及更多的业务插入提供了最大的灵活性。它的较强的抗误码能力和与ATM格式保持了互操作性体现了MPEG-2特点。传输系统包括信道编码和调制两部分，其主要目的是采用合适的纠错方式和调制方式，以提高传输效率，降低误码率。信道编码即为纠错编码。这是因为数据码流经长距离传输后不可避免地会引入噪声而发生误码。信道面临同频干扰、多径传输干扰等，因此加入纠错码，以提高信源编码输出的抗干扰能力，减少误码，提高画质和音质。调制部分应根据不同的传输媒体，如：卫星、电缆、地面无线广播等，采用效率最高的调制方式，然后把信号发送出去。数字电视的标准不同，其传输系统的结构也有所不同。我国采用的是欧洲数字视频广播DVB标准，它的传输系统结构简单，对多路径传输干扰有良好的消除效果。数字终端接收机实现的是发送端的逆过程，即解调、信道解码、解复用、解压缩、显示格式转换，实现信号再现。为了提高数字电视的收看效果，在数字处理器通常要进行数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、行频加倍、去闪烁处理以及其它特殊功能处理等。综上所述，在数字电视的视频音频的压缩编码过程中，信息得到了有效的压缩，如：HDTV1Gbps的信息量经50倍压缩后，可降到20Mbps左右，可以在现有的6MHz或8MHz的电视信道中可靠地传输。同时高效的信道编码方式，使传输的误码率降低，提高了传输质量。3与传统电视相比，数字电视有着明显的优势，归结起来，有以下几点：(1)消除了模拟处理中所固有的噪声积累，提高了图像质量；(2)由于采用了高效的图像编码算法，提高了传输中的抗干扰能力；(3)易于实现各种信息的复用；(4)提高了频譜利用率；(5)降低了发射功率；(6)在图像格式上与计算机兼容，易于同计算机连接处理图像信息；(7)在传输格式上，与新型的通信技术保持最大限度的互操作性；(8)图像分级处理，充分展现了扩展性。众所周知，广播电视已经成为现代社会最具影响力的传播媒介，随着我国社会经济和文化事业的飞速发展，中国的广播电视事业也必将紧跟世界发展的潮流,迎来数字电视的新时代。2.2数字图象编码压缩技术2.2.1基本概念：图象，对我们每一个人都非常熟悉，它是用各种观测系统以各种形式和手段观测客观世界而获得的可以直接或间接作用于人眼并进而产生视觉的实体，如照片、绘画、视图等等。一般从客观景物得到的图象是2-D的，可以用一个2-D数组f(x,y)来表示。这里x和y表示2-D空间XY中一个坐标点的位置，f表示图象在点（x,y）的某种性质F的数值，如f可以是图象的灰度值，它对应客观景物的亮度。常见图象是连续的，即f、x、y的值可以是任意实数，为了能用计算机对图象进行处理，需要把连续的图象在坐标空间XY和性质空间F都离散化。空间连续坐标(x,y)的离散化称为图象的采样，幅值f(x,y)的离散化叫灰度值的整量，又称灰度量化，两种离散化合在一起称之为图象的数字化。经过离散化之后x、y、f的值只能取整数集合中的值。这种离散化了的图象就是数字图象（image），图象中的每一个基本单元叫图象元素，简称象素（pictureelement）。一幅2-D数字图象是将一个2-D亮度函数通过采样和量化而得到的一个2-D数组（矩阵），其数据量通常都很大，给存储、处理和传输带来了许多的问题。为了利用有限的存储容量存储更多的图象，或者为了以最短的时间传输尽可能多的图片，就要研究怎样才能最大限度地压缩图象数据，并保证利用这些数据所重建的图象是用户能够接受的。这就是图象数据压缩要解决的主要问题。因此人们又把图象压缩称为图象编码。图象编码的逆过程4叫图象解码，是将压缩了的图象解压缩，以重建原始图象或者它的近似。数字图象压缩，就是要除去冗余的数据。什么是数据冗余呢？数据是信息的载体。对于给定量的信息可以用不同的数据量表示。如果为表示给定量的信息不同的方法使用了不同的数据量，那么对使用了较多数据量的方法来说，其中有些数据必然或者是代表了无用的信息或者是重复地表示了其他数据已表示的信息，这就是数据冗余的概念。通常存在三种基本的数据冗余：编码冗余、象素间冗余和心理视觉冗余。如果能减少或者消除其中一种或多种冗余，就能取得数据压缩的效果。1)编码冗余对图象编码就要建立码本，以表达图象数据。码本是用来表达一定量的信息或一组事件所需要的一系列符号（如字母、数字等）。其中对每个信息或事件所赋的码符号序列称为码字，每个码字里的符号个数称为码字的长度。假设定义在[0，1]区间的离散随机变量ks代表图象的灰度，每一个ks以概率)(kssp出现nnspkks/)(k=0,1,2,┉，L-1(2.2-1)其中L为灰度级数，kn是第个k灰度出现的次数，n是图象中象素总个数。如果用来表示ks的每个数值的比特数是)(ksl，那么表示每个象素所需的平均比特数是：10)()(lkkskavgspsll(2.2-2)对于同一输入序列各种不同的编码方法，表示每个象素所需的平均比特数avgl是不同的。从某种意义上说，最佳编码就是按照给定的概率分布)(kssp构成一个非续长码，使得avgl为最短。如果所用的码本不能使avgl达到最小，就表明存在编码冗余。编码冗余反映了信号在统计上的冗余度，它来源于被编码信号概率密度分布的不均匀。例如，在预测编码系统中，编码传输的预测误差信号高度集中在0附近,呈现一种Laplace分布。这种不均匀的概率分布对采用变长编码压缩码率极为有利，可以极大的减少编码冗余。2)象素间冗余图象中有一种与象素间的相关性直接联系着的数据冗余，叫象素间冗余，又称空间冗余或几何冗余。为了说明这个问题，先看下面的例子：5例1如果一幅图象完全由已知的空间正弦函数信号组成，用数字化的方法对其采样、整量，从而形成一幅数字图象将需要记录大量数据。例如x、y方向各采1024个点，用8为整量化器把灰度分成256层，则大约需用bit6108数来描述这幅图。但是为了不失真地重建这幅图，事实上并不需要全部记录这bit6108数，而只需要记录这一正弦信号的振幅、相位和两个方向的空间频率就足够了。记录这四个数据便等于记录了整幅图象，于是完成了图象数据压缩。由此可见，被压缩图象象素之间存在着密切的相关性，这意味着图象数据含有较高的多余度，完全可以进行图象数据压缩。另一方面，用于重建该图象必须记录的最少信息——振幅、相位和两个空间频率四个量——却是彼此独立的，即其中任何一个都不能从其余三个预测出来。这种图象中各象素的值可以方便地由其邻近象素的值预测出来的性质表明，单个象素对图象的视觉贡献有很多是冗余的。减少象素间冗余，需要将常用的2-D象素矩阵表达形式转换成某种更有效的（但可能不直观的）表达形式。这种转换常称为映射。如果原始的图象元素能从转换后的数据集合重建出来，则称这种映射为可反转的。如上例中，利用函数)sin(),(00yvxuAyxf很容易重建该图象。象素间冗余反映了图象信号结构上的冗余度。电视图象信号在相邻象素间、相邻行间、相邻帧间存在着很强的空间（帧内的）和时间(帧间的)上的相关性,为数据压缩提供了很大的余地。3)心理视觉冗余人眼所感受到的图象区域亮度不仅仅与区域的反射光有关。马赫带效应表明人们在灰度为常数的区域也能感觉到灰度的变化。这是由于人眼并不是对所有视觉信息有相同的敏感度。有些信息在通常的视觉过程中与另外一些信息相比来说不那么重要。这些信息可以认为是心理视觉冗余的，去除这些信息并不会明显地降低所感受到的图象的质量。去除心理视觉冗余数据会导致定量信息的损失，这个过程也常称为量化（一种由多到少的映射）。因为存在视觉信息损失，所以量化是不可逆转操作。根据心理视觉冗余的特点，可以采取一些有效的措施来压缩数据量。比如，电视广播中的隔行扫描就是一个常见的例子。2.2.2图象编码模型下面介绍一个通用的图象编码系统模型，见图2.2。这个模型主要包括两个通过信道级连接的结构模块：编码器和解码器。一幅输入图象送入编码6器，编码器根据输入数据产生一组符号（信源编码），这组符号在进一步被信道编码器编码后进入信道，通过信道传输后的码被送入解码器（先信道解码器，后信源解码器），解码器重建输出的图象。输入图编码器解码器输出图图2.2一个通用的图象编码系统模型编码器和解码器都包括两个子模块。编码器由一个用来去除输入冗余的信源编码器和一个用来增强信源编码器输出抗噪声能力的信道编码器构成。解码器则由一个信道解码器接一个信源解码器构成。如果信道没有噪声，信道编码器和信道解码器都不需要。上图中的编码器和解码器将分别只包含信源编码器和信源解码器。信源编码器的作用是减少或消除输入图象中的编码冗余，象素间冗余及心理视觉冗余。尽管其结构与具体应用和对保真度的要求有关，一般情况下信源编码器包括顺序的三个独立操作，而对应的信源解码器只含反序的两个独立操作，见图2.3。信源编码器输入图信道信源解码器输出图图2.3源编码器和源解码器模型在信源编码器中，映射器将输入数据变换以减少象素间冗余。所谓映射,就是变换一种描写信号的方式。例如在预测编码中，不用原始象素的灰度值，而用预测误差表示信号就是一种映射。这个操作一般是可反转的。量化器根据给定的保真度准则减少映射器输出的精确度。这个操作可以减少心理视觉冗余，是不可反转的，所以不可用在无失真压缩信源编码器中。符号编码器产生表达量化器输出的码本，并根据码本映射输出。一般情况下采信源编码