數字化電視原理

電子工程學院/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第1頁Contents第一章數字壓縮技術與數字電視技術發展/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第2頁

/10/1XIDIANUNIVERSITYContents

電視發展歷程1模擬信號數字化處理2

數字圖像信號壓縮編碼原理3模擬電視與數字電視4數字化電視5數字化電視原理第3頁1.1電視發展歷程A電視誕生

電視是以電方法即時傳送活動圖像和伴音技術。

/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第4頁基本過程：在發送端把活動景物光信號轉變成對應電信號。加工、處理并進行電傳輸。在接收端把收到電信號逆變成原來景物圖像。

那么怎樣在發送端把活動景物光信號轉變成對應電信號，從而實現電信號傳輸呢？

/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第5頁1機械式圓盤掃描1884年，德國創造家保羅·尼普科夫設計了尼普科夫圓盤尼普科夫圓盤思想：（1）圖像分解：圖像分解為一個個像素/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第6頁對于一幅圖像而言，實際上它是由許多小單元所租成。我們把組成圖像基本單元稱為像素。像素越小，單位面積上像素點數目就越多，分辨率就越高。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第7頁（2）像素傳送/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第8頁/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第9頁2電子式電視

伴隨光電攝像管、電子掃描系統和電子束顯像管創造與完善，電子式電視取代了機械式電視。 3彩色電視 1）彩色電視定義

攝取、傳送、接收彩色圖像電視系統。 A三基色原理

三基色？

RGB一切色彩可由三基色光混合而成。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第10頁數字化電視原理第11頁數字化電視原理第12頁B彩色電視制式彩色電視制式制訂依據？

依據：色度信號編碼方法

三大制式: (1)NTSC（N制，美國國家電視制式委員會） (2)SECAM(次序傳送色彩與存放) (3)PAL(P制，逐行倒相)

我國：PAL-D

/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第13頁C黑白電視體制

彩色電視體制以黑白電視體制為基礎。

體制概念內涵：

掃描方式、每幀行數、行幀、場幀、視頻帶寬…/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第14頁1.2模擬信號數字化處理 A模擬信號：時間、幅度連續 B數字信號：時間、幅度離散

那么數字系統優勢表現在動態、非線性失真影響等方面改進。 C模擬信號轉變為數字信號

怎樣實現？/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第15頁采樣、量化、編碼（1）采樣

采樣定理/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第16頁（2）量化（均勻量化）

最大量化誤差？/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第17頁8位量化7位量化/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第18頁6位量化4位量化/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第19頁/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第20頁(3)編碼

定義：用n位2進制碼表示采樣信號量化值。

采樣、量化、編碼這么一個處理流程稱為

脈沖編碼調制/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第21頁/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第22頁1.3數字圖像信號壓縮編碼原理 1壓縮必要性攝像機輸出RGB信號經過矩陣變換得到Y,CB和CR信號降低色度分辨率為4:2:2格式PAL按照CCIR.601，信號碼率216Mbit/s經過MPEG視頻壓縮過程，必須壓縮到6Mbit/s，壓縮比36。數字SDTV視頻信號數碼率270Mbit/s，必須壓縮到2～6Mbit/s才能用于廣播傳輸。數字HDTV視頻信號數碼率1.188Gbit/s，必須壓縮到2～6(15)Mbit/s才能用于廣播傳輸。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第23頁冗余度消除多出信息：碼流中屢次存在，或沒有信息量，或在接收端可經過數學方法無失真恢復。無損壓縮2圖像數據因何能夠實現壓縮不相關性消除無須要信息：人眼無法覺察信息。人眼彩色視覺細胞遠遠少于亮度視覺細胞，所以色度分辨率能夠降低，色度信號帶寬能夠降低。人眼不能區分圖像中過于精細結構和粗結構。不能復原有損過程/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第24頁

3分類：

無損壓縮和有損壓縮.

無損壓縮：VLC游程編碼霍夫曼編碼：使用頻率高字母用短碼，使用頻率低字母用長碼。

有損壓縮：

離散余弦變換/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第25頁/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第26頁4靜止圖像壓縮標準編碼方法 JPEG JointPhoto-graphicExpertsGroup

（1）國際標準化組織

（2）國際電報電話咨詢委員會

（3）國際電工委員會

適用范圍：彩色和單色多灰度靜止數字圖像壓縮。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第27頁 A混合編碼方式 B有損壓縮和無損壓縮方法結合 C基本算法流程 1）顏色空間轉換（色彩作為獨立部分處理） 2）DCT 3）量化 4）差分編碼 5）Z字形掃描游程編碼 6）熵編碼Huffman編碼/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第28頁對視頻幀一行中8個象素時域電壓值進行DCT得到頻域8個系數，依次為直流DC系數、低頻、中頻和高頻系數（視頻信號能量）。依據人眼視覺特征，DCT系數在頻域進行量化，除以某個量化因子。量化因子越大，量化越粗。對較平滑圖象，量化因子改變不大或根本不變；而對細節豐富圖象，量化因子伴隨頻率增高而變大。量化后很多系數變為0，尤其對高頻系數而言。29數字化電視原理第29頁5、DCT和量化JPEG和MPEG中采取二維變換編碼。圖象先被分成8x8象素塊，再經過二維DCT變換到頻域。為得到帶符號值，在做二維DCT之前，全部象素值先減去128。DCT后即量化，除以適當量化步長1831982202392442362222111982092222312292151981861441541701841901901851801621641661671651611571541951911851801781781791811741681611561601701831921741601381191121151251331521381191051041151331468X8象素塊f(x,y)二維DCT減去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量化數字電視原理與應用30數字化電視原理第30頁8x8象素塊做二維DCT后得到頻域中8x8數組:第一個系數是DC系數，對應整個塊直流分量。第二個系數對應水平方向最粗圖象結構能量。第一行最終一個系數對應水平方向最精細圖象結構能量。第一列從上到下對應垂直方向最粗到最細圖象結構能量。對角線上系數對應對角線方向從粗到細圖象結構能量。31數字化電視原理第31頁量化DCT系數進行Z掃描之后，使得連0數目最大。碼流中不傳這些連續0系數，而是經過游程編碼只傳連0個數，Z掃描和游程編碼，與DCT和量化相配合，是MPEG-2高壓縮比主要原因。Z掃描和游程編碼Z掃描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數字電視原理與應用32MPEG-2視頻編碼及其測量,class03數字化電視原理第32頁游程編碼后碼流再進行霍夫曼編碼。出現頻率高碼字編碼為短碼，出現頻率低碼字編碼為長碼。深入冗余度消除，無損過程?；舴蚵幋aDCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman編碼HuffmancodetableCodesofvariablelength33數字化電視原理第33頁/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第34頁相同之處：游程編碼

TIF40KJPG10K/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第35頁5MPEG(活動圖像壓縮標準)

活動圖像教授組

（MovingPictureExpertGroup） A任務：開發運動圖像及其聲音數字編碼標準 B標準： MPEG-1:1.5Mb/s MPEG-2:10Mb/s/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第36頁MPEG-1:

一MPEG-1提出

為CD-ROM視頻存放和放像所制訂

二適用圖像：360*28824-30幀/s運動圖像

三應用領域：CD-ROM硬盤VCD數字音頻磁帶（2）MPEG-2:

一MPEG-2提出

提供數字音頻-視頻服務和應用國際標準。

二適用圖像：720*48030幀/s 1440*1152HDTV/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第37頁6MPEG視頻壓縮方法

以MPEG-1為例：

壓縮方法：幀內壓縮和幀間壓縮方法結合

（1）幀內壓縮：JPEG

（2）幀間壓縮

依據:相鄰畫面之間，活動部分畫面內容是相關，其運動含有連續性。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第38頁預測需要什么信息？1已知幀內畫面中宏塊2運動賠償矢量

運動賠償矢量預計？/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第39頁運動預計——得到運動向量過程：對當前要編碼幀宏塊，在前面參考幀（P幀）中搜索最正確匹配宏塊。在當前宏塊周圍搜索窗內塊匹配找到匹配宏塊后就得到所需傳輸運動向量。另外還傳輸匹配宏塊殘差。殘差單獨再經過DCT和量化深入壓縮。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第40頁MPEG應用 MPEG-1：CD-ROM、

硬盤、VCD、

數字音頻磁帶 MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第41頁MPEG-2方法：有損1量化從10bits降為8bits無損2省略水平和垂直空白間隔有損3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)無損4活動圖像DPCM有損5DCT和量化無損6Z掃描和零序列游程編碼無損7Huffman編碼/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第42頁1.4模擬電視與數字電視1.4.1模擬電視1模擬電視定義：

信源形式決定了電視機是模擬電視機還是數字電視機。

當前我國處于模擬電視向數字電視廣播過分階段。 (1)電視臺發信號基本是模擬信號。 (2)采取PAL-D制式為模擬電視廣播。/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第43頁2模擬電視制式內在缺點（1）基本概念：電視線（TVLine）色度副載波亮色頻帶共用A視頻帶寬限制，電視線個數（顯示圖像實際電視線個數）受限：

亮度分解力和色度分解力不足/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第44頁B.亮色頻帶共用 1）電視機無法將亮度信號與色度信號徹底分離，造成亮色互串； 2）亮度信號能量分布在視頻通道中低頻，

色度信號能量分布在視頻通道高頻，

視頻通道線性特征（幅頻特征、相頻特征）優劣決定是否存在亮色增益差和延時差。

C.長寬比/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第45頁1.4數字電視

（1）定義：

信源：數字電視信號

（2）與模擬電視區分：

可利用數字壓縮技術

頻道資源專業化、個性化

數字技術對節目處理、傳輸、儲存

功效豐富：查詢回放預定/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第46頁（3）數字電視系統組成

數字前端系統：數字化、加擾、授權、認證

雙向傳輸網絡：衛星、Cable

用戶終端系統：機頂盒（4）主要業務：

以IPTV為例，基于以太網電視/10/1XIDIANUNIVERSITY數字化電視原理第47頁數字化電視原理第48頁數字化電視原理第49頁數字化電視原理第50頁數字化電視原理第51頁數字化電視原理第52頁數字化電視原理第53頁數字化電視原理第54頁數字化電視原理第55頁數字化電視原理第56頁（5）數字電視標準 1ATS