第4章 數(shù)字彩色電視制式

1、第4章 數(shù)字彩色電視制式天津大學電子信息工程學院電視原理4.1 數(shù)字彩色電視制式概述數(shù)字彩色電視制式概述模擬彩色電視制式的缺陷模擬彩色電視制式的缺陷高清晰度電視的需求高清晰度電視的需求數(shù)字技術(shù)的發(fā)展數(shù)字技術(shù)的發(fā)展國際電信聯(lián)盟國際電信聯(lián)盟(ITU)(ITU)對高清晰度電視的定義：對高清晰度電視的定義：垂直和水平方向的空間分解力大致是垂直和水平方向的空間分解力大致是CCIR601CCIR601號建議號建議書中規(guī)定值的兩倍，例如水平書中規(guī)定值的兩倍，例如水平19201920像素，垂直像素，垂直10801080像像素；素；寬高比為寬高比為16:916:9，屏幕對角線長度大于，屏幕對角線長度大于1 1米

2、，并配有多米，并配有多聲道優(yōu)質(zhì)伴音；聲道優(yōu)質(zhì)伴音；觀看距離為屏幕高度的三倍時，圖像的主觀質(zhì)量接近觀看距離為屏幕高度的三倍時，圖像的主觀質(zhì)量接近或達到觀看真實景物的效果，相當于或達到觀看真實景物的效果，相當于35mm35mm電影放映的電影放映的圖像質(zhì)量。圖像質(zhì)量。4.1.1 多極化的傳輸標準多極化的傳輸標準美國美國19861986年以前支持日本的年以前支持日本的MUSEMUSE制制19871987年提出發(fā)展年提出發(fā)展ATV(AdvancedATV(Advanced Television Television，高級電視，高級電視) )19901990年年5 5月月, ,美國美國GIGI公司正式發(fā)表

3、全數(shù)字公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTVHDTV傳輸制式傳輸制式DigiCipherDigiCipher19931993年年5 5月成立月成立HDTVHDTV大聯(lián)盟大聯(lián)盟(Grand Alliance, GA)(Grand Alliance, GA)，著手，著手制定統(tǒng)一的美國制定統(tǒng)一的美國HDTVHDTV標準標準19951995年年4 4月通過了月通過了ATSC(AdvancedATSC(Advanced Television System Television System Committee)Committee)數(shù)字電視標準數(shù)字電視標準歐洲歐洲19811981年英國獨立廣播公司研制出年英國獨立廣播

4、公司研制出C-C-MAC(MultipledMAC(Multipled Analogue Component)Analogue Component)制制: :亮度、色差時分，兩個色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻亮度、色差時分，兩個色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬帶寬8.4MHz8.4MHz19861986年提出年提出HD-MACHD-MAC制制受美國數(shù)字制式影響，受美國數(shù)字制式影響，19931993年開展年開展DVB(DigitalDVB(Digital Video Video Broadcasting)Broadcasting)研究研究19951995年，歐洲成立了年，歐洲成立了

5、DVBDVB聯(lián)盟，共同制定數(shù)字電視的聯(lián)盟，共同制定數(shù)字電視的DVBDVB標準：標準：DVB-DVB-S(SatelliteS(Satellite) )、 DVB-DVB-C(CableC(Cable) )、 DVB-DVB-T(TerrestrialT(Terrestrial) )日本日本l日本廣播協(xié)會日本廣播協(xié)會(NHK)1970-80(NHK)1970-80年代提出模擬高清晰度電視年代提出模擬高清晰度電視制式制式MUSEMUSE制（多重亞奈抽樣編碼）：制（多重亞奈抽樣編碼）：11251125行，行，6060場，隔行掃描，場，隔行掃描，16:916:9幅型比；色度信號與亮幅型比；色度信號與亮

6、度信號時分復用：度信號時分復用：TCITCI（時間壓縮合成）；多重亞奈抽樣（時間壓縮合成）；多重亞奈抽樣壓縮信號頻帶：壓縮信號頻帶：4 4場傳送場傳送1 1幅幅HDTVHDTV圖像；圖像；8.1MHz8.1MHz帶寬，調(diào)帶寬，調(diào)頻傳送頻傳送l19961996年啟動數(shù)字電視研制年啟動數(shù)字電視研制l19981998年年9 9月制訂月制訂ISDB-ISDB-T(IntegratedT(Integrated Services Digital Services Digital Broadcasting -Terrestrial)Broadcasting -Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標數(shù)

7、字電視地面廣播系統(tǒng)標準，與歐洲的準，與歐洲的DVB-TDVB-T類似類似中國中國l20022002年組建音視頻技術(shù)（年組建音視頻技術(shù)（AVSAVS）標準工作組）標準工作組l20062006年視頻部分正式頒布為國家標準年視頻部分正式頒布為國家標準需要注意：上述標準適用于需要注意：上述標準適用于HDTVHDTV和和SDTVSDTV 4.1.2 通用的壓縮編碼標準通用的壓縮編碼標準 數(shù)據(jù)壓縮的必要性數(shù)據(jù)壓縮的必要性4:2:2 4:2:2 ，PALPAL：86486462562525252 28=216Mb/s(108MHz)8=216Mb/s(108MHz) 數(shù)字電視系統(tǒng)框圖數(shù)字電視系統(tǒng)框圖 通用的

8、信源編碼標準通用的信源編碼標準MPEG-2MPEG-2MPEG(MovingMPEG(Moving Pictures Experts Group) Pictures Experts Group)即活動圖像即活動圖像專家組，建立于專家組，建立于19881988年年MPEG-1MPEG-1： 4:2:04:2:0采樣壓縮，每秒采樣壓縮，每秒1.5Mbps1.5Mbps的傳輸碼率的傳輸碼率，圖像大小，圖像大小352352240240，掃描頻率，掃描頻率3030場場/ /秒。圖像質(zhì)量秒。圖像質(zhì)量比電視略強，適合于非專業(yè)視頻領(lǐng)域，如比電視略強，適合于非專業(yè)視頻領(lǐng)域，如VCDVCD等。等。MPEG-4MP

9、EG-4：一種廣域傳輸標準，傳輸碼率：一種廣域傳輸標準，傳輸碼率10kbps-10kbps- 1Mbps 1Mbps，于，于20002000年正式成為國際標準年正式成為國際標準: :內(nèi)容的交互性內(nèi)容的交互性, , 高效的壓縮性，通用的訪問性高效的壓縮性，通用的訪問性MPEG-2MPEG-2：1994-19961994-1996年提出的用于廣播電視的視頻年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標準。壓縮標準?！癙rofile”Profile”和和“Level”(“Level”(“型型”和和“級級”) ) 按視頻格式分按視頻格式分四個級四個級按編碼工具分按編碼工具分五個型五個型“級級”與與“型型”的若干組合

10、構(gòu)成的若干組合構(gòu)成MPEG-2MPEG-2視頻編碼標視頻編碼標準在某種特定應用下的子集：對某一輸入格式的圖準在某種特定應用下的子集：對某一輸入格式的圖像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率范圍內(nèi)的編碼碼流。在范圍內(nèi)的編碼碼流。在2020種可能的組合中，目前有種可能的組合中，目前有1111種是已獲通過的，稱為種是已獲通過的，稱為MPEG-2MPEG-2適用點適用點。 圖像輸入格式圖像輸入格式最大輸出碼率最大輸出碼率主型主型高型高型低級低級 LLITU-R601ITU-R601標準的標準的1/41/44Mb/s35235224024030pel/s

11、30pel/s35235228828825pel/s25pel/s主級主級 ML符合符合ITU-R601ITU-R601標準標準15Mb/s20Mb/s72072048048030pel/s30pel/s72072057657625pel/s25pel/s高高14401440級級H14LITU-R601ITU-R601標準的標準的4 4倍（倍（4:34:3）60Mb/s80Mb/s144014401152115230pel30pel高級高級 HLITU-R601ITU-R601標準的標準的4 4倍倍(16:9)(16:9)80Mb/s100Mb/s192019201152115230pel30

12、pel碼率碼率簡單型簡單型 SPSP主型主型MP信噪比可分級信噪比可分級型型SNRPSNRP空間可分級空間可分級型型SSPSSP高型高型HPHP低級低級LL4 44 4主級主級ML1515151515152020高高14401440級級H14L606060608080高級高級HL8080100100MPEG-2MPEG-2適用點適用點4.2.1 視頻信源編碼的理論依據(jù)視頻信源編碼的理論依據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時間上的統(tǒng)計冗余度很大，存在大原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時間上的統(tǒng)計冗余度很大，存在大量無需傳送的多余信息：量無需傳送的多余信息：l圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強的相關(guān)性圖像的相鄰像素、相鄰

13、行之間存在很強的相關(guān)性空空間相關(guān)性間相關(guān)性l相鄰場或幀對應像素間存在相關(guān)性相鄰場或幀對應像素間存在相關(guān)性時間相關(guān)性時間相關(guān)性l信息保持無損壓縮編碼信息保持無損壓縮編碼人眼對圖像細節(jié)、幅度的變化、圖像的運動不同時具有最人眼對圖像細節(jié)、幅度的變化、圖像的運動不同時具有最高的分辨力：高的分辨力：l信息非保持有損壓縮編碼信息非保持有損壓縮編碼4.2 視頻信源編碼原理視頻信源編碼原理4.2.2 預測編碼原理預測編碼原理預測編碼概述預測編碼概述l預測編碼也稱為預測編碼也稱為差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制( (DPCMDPCM，Differential Differential Pulse Code Mo

14、dulation)Pulse Code Modulation)，使用已編碼像素的線性組合對，使用已編碼像素的線性組合對未編碼像素進行預測，傳送其預測誤差（殘差）。未編碼像素進行預測，傳送其預測誤差（殘差）。l約約80%-90%80%-90%以上的殘差信號的絕對值落在以上的殘差信號的絕對值落在16-1816-18個量化級以內(nèi)個量化級以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。可以用較少的比特表示差值，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。l幀內(nèi)預測采用幀內(nèi)預測采用1 1階前值預測，利用空間相關(guān)性；幀間預測采階前值預測，利用空間相關(guān)性；幀間預測采用用1 1階前向預測或階前向預測或2 2階雙向預測，利用時間相

15、關(guān)性。階雙向預測，利用時間相關(guān)性。l預測編碼的主要缺點是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，預測編碼的主要缺點是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預測算法，對于幀內(nèi)編碼會使誤差擴散到圖像中一由于遞歸預測算法，對于幀內(nèi)編碼會使誤差擴散到圖像中一個較大的區(qū)域，對于幀間編碼會使誤差擴散到后續(xù)的若干幀個較大的區(qū)域，對于幀間編碼會使誤差擴散到后續(xù)的若干幀中。中。為便于聯(lián)合運用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫面組成為便于聯(lián)合運用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫面組成的視頻序列的視頻序列 （ sequence sequence ） 劃分為許多圖像組（劃分為許多圖像組（GOP,GroupGO

16、P,Group of of PicturePicture），每個圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存），每個圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在預測和生成關(guān)系。在預測和生成關(guān)系。采用幀內(nèi)預測編碼的圖像稱為采用幀內(nèi)預測編碼的圖像稱為I I圖像圖像(Intra-Coded Picture)(Intra-Coded Picture)采用前向幀間預測編碼的圖像稱為采用前向幀間預測編碼的圖像稱為P P圖像圖像( (PredictivelyPredictively-Coded -Coded Picture)Picture)采用雙向幀間預測編碼的圖像稱為采用雙向幀間預測編碼的圖像稱為B

17、 B圖像圖像( (BidirectionallyBidirectionally-Coded -Coded Picture)Picture)下頁為由下頁為由9 9幀圖像組成的幀圖像組成的GOPGOP示意圖示意圖編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序編碼器輸出端或解碼器輸入端的編解碼順序編碼器輸出端或解碼器輸入端的編解碼順序 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊塊:Block 8:Block 88 8像素塊像素塊宏塊宏塊: :MacroblockMacroblock16161616像素塊像素塊像條像條:Slice:Slice由多由多個個MacroblockMacrobloc

18、k組成組成圖像組：圖像組：GOPGOP視頻序列：視頻序列：SequenceSequence圖像：圖像：PicturePicture宏塊的組成宏塊的組成124350YCrCb12375460YCrCb12437568910110YCrCb4:2:04:2:0格式的宏塊格式的宏塊4:2:24:2:2格式的宏塊格式的宏塊4:4:44:4:4格式的宏塊格式的宏塊宏塊的三種構(gòu)成方式，其宏塊的三種構(gòu)成方式，其中亮度塊的數(shù)目均為中亮度塊的數(shù)目均為4 4，而，而色度塊的數(shù)目分別為色度塊的數(shù)目分別為2 2、4 4和和8 8。在對在對I I圖像進行幀內(nèi)預測編碼之前，首先對每一個圖像進行幀內(nèi)預測編碼之前，首先對每一

19、個8 88 8的像塊進行的像塊進行二維離散余弦變換（二維離散余弦變換（DCTDCT，Discrete Cosine TransformDiscrete Cosine Transform），將像塊），將像塊變換為由變換為由8 88 8個變換系數(shù)組成的系數(shù)塊。個變換系數(shù)組成的系數(shù)塊。位于系數(shù)塊左上角的第一個系數(shù)是像塊中位于系數(shù)塊左上角的第一個系數(shù)是像塊中8 88 8個像素的平均值，代個像素的平均值，代表像塊的直流分量，稱為表像塊的直流分量，稱為DCDC系數(shù)系數(shù)，其余系數(shù)為，其余系數(shù)為ACAC系數(shù)系數(shù)。幀內(nèi)預測編碼是對各個系數(shù)塊的幀內(nèi)預測編碼是對各個系數(shù)塊的DCDC系數(shù)進行的，目的是去除在相鄰系數(shù)進

20、行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強的相關(guān)性。像塊的直流分量之間較強的相關(guān)性。幀內(nèi)預測編碼只在像條所在的區(qū)域進行。幀內(nèi)預測編碼只在像條所在的區(qū)域進行。幀內(nèi)預測編碼采用前值預測：幀內(nèi)預測編碼采用前值預測：0000 (1)( )ynyn幀間預測編碼是以圖像組幀間預測編碼是以圖像組GOPGOP為單位進行的為單位進行的I I圖像圖像幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是P P圖像和圖像和B B圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的I I幀便于幀便于初始化接收機和捕獲頻道。初始化接收機和捕獲頻道。I I幀出現(xiàn)

21、的頻度可以變化，由編幀出現(xiàn)的頻度可以變化，由編碼器選擇。碼器選擇。P P圖像圖像前向編碼預測圖像，像素的預測值為其前面一幀前向編碼預測圖像，像素的預測值為其前面一幀I I圖圖像或像或P P圖像中相應像素值，即幀間運動補償前值預測。圖像中相應像素值，即幀間運動補償前值預測。B B圖像圖像雙向預測編碼圖像，像素的預測值為其前后相鄰幀相雙向預測編碼圖像，像素的預測值為其前后相鄰幀相應像素值的加權(quán)平均。應像素值的加權(quán)平均。B B圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像。使用圖像。使用B B幀可提高壓縮效率，但需要幀存儲器。幀可提高壓縮效率，但需要幀存儲器。幀間預測編碼中的運動幀

22、間預測編碼中的運動補償補償最簡單的時域預測就是用最簡單的時域預測就是用前一幀作為當前幀的預測前一幀作為當前幀的預測參考幀。參考幀。一個視頻序列里兩個相鄰一個視頻序列里兩個相鄰幀如右圖所示。第一幀作幀如右圖所示。第一幀作為第二幀的參考幀，殘差為第二幀的參考幀，殘差是第二幀與參考幀之差。是第二幀與參考幀之差。在右圖中，中間灰度代表差在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對值為零，淺灰和深灰分別對應正、負差值。這種簡單預應正、負差值。這種簡單預測的明顯問題是殘差幀中剩測的明顯問題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說預測余能量太多，也就是說預測后還有很多信息需要壓縮。后還有很多信息需要壓縮。多數(shù)殘

23、差是由于兩幀之間物多數(shù)殘差是由于兩幀之間物體運動引起的，所以更好的體運動引起的，所以更好的預測是在兩幀之間進行運動預測是在兩幀之間進行運動補償。補償。運動補償預測示意圖運動補償預測示意圖運動矢量運動矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運動的方向：表示從編碼幀到參考幀像素運動的方向和距離。和距離。運動估值運動估值：通過比較參考幀與編碼幀中的圖像，求：通過比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運動物體像素的運動矢量。出運動物體像素的運動矢量。運動補償運動補償：考慮了運動矢量的幀間預測稱為具有運：考慮了運動矢量的幀間預測稱為具有運動補償?shù)膸g預測。動補償?shù)膸g預測。采用采用塊匹配算法塊匹配算法進行運動估值進行運

24、動估值l攝像機所攝取的景物的運動可能是十分復雜的，攝像機所攝取的景物的運動可能是十分復雜的，精確對每個像素進行運動估值是十分困難的。精確對每個像素進行運動估值是十分困難的。l在許多情況下物體上的各個像素均做相同的在許多情況下物體上的各個像素均做相同的運動，這時只需估計其整體的運動就可以了。運動，這時只需估計其整體的運動就可以了。塊匹配算法：對每個編碼幀宏塊中的塊匹配算法：對每個編碼幀宏塊中的16161616亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標差，確定匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標差，確定運

25、動矢量。運動矢量。像塊匹配程度的判定常采用平均絕對差準則（像塊匹配程度的判定常采用平均絕對差準則（MADMAD，Mean Absolute Mean Absolute DifferenceDifference），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對值的平均值。），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對值的平均值。16161111( , )(,)( , )256kkmnMAD i jfmi njfm n當當MAD(i,jMAD(i,j) )達到最小時，兩個像素塊匹配。此時運動矢量為達到最小時，兩個像素塊匹配。此時運動矢量為MVMV（i,ji,j）。這種搜索方法稱為全搜索，運算量相當

26、大。為加快搜索過程，提出了三步法、這種搜索方法稱為全搜索，運算量相當大。為加快搜索過程，提出了三步法、共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。; MiMNjN MPEG-2MPEG-2中運動補償?shù)木仁前胂袼?，中運動補償?shù)木仁前胂袼?，H.264H.264中運動補償?shù)木仁撬姆种幌袼?，中運動補償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分都需要在參考幀中根據(jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進行塊匹配計算。之一像素值以后，再

27、進行塊匹配計算。B B幀圖像的幀間預測編碼幀圖像的幀間預測編碼預測值是其前面參考幀的前向預測值與其后面參考幀的預測值是其前面參考幀的前向預測值與其后面參考幀的后向預測值的平均值后向預測值的平均值雙向預測。雙向預測。在進行運動補償時，需要前向和后向兩個運動矢量。在進行運動補償時，需要前向和后向兩個運動矢量。圖圖4-94-9在圖像序列中，在圖像序列中，P P幀和幀和B B幀傳送的是像素值與預測幀傳送的是像素值與預測值的差值和每個宏塊的運動矢量。考慮到鄰近宏值的差值和每個宏塊的運動矢量。考慮到鄰近宏塊間運動矢量存在相關(guān)性，對運動矢量也采用預塊間運動矢量存在相關(guān)性，對運動矢量也采用預測編碼。測編碼。幀

28、間預測模式幀間預測模式為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電視的幀間預測編碼主要有兩類：幀預測和場預測。數(shù)字電視的幀間預測編碼主要有兩類：幀預測和場預測。幀預測：預測來自于最近的重構(gòu)參考圖像。幀預測：預測來自于最近的重構(gòu)參考圖像。Reference FramePossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Reference FramePossible I

29、ntervening B-pictures (Already decoded)P幀預測示意幀預測示意B幀預測示意幀預測示意P P場預測：預測來自于最近的重構(gòu)參考圖像。場預測：預測來自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場編碼幀中第一場圖像的預測圖像的預測Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet de

30、coded)編碼幀中第二場圖編碼幀中第二場圖像為底場的預測像為底場的預測B B場預測：用于預測的兩個參考場來自于最近的解碼參考場預測：用于預測的兩個參考場來自于最近的解碼參考頂場和底場。頂場和底場。編碼幀中第二場圖編碼幀中第二場圖像為頂場的預測像為頂場的預測Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldPossible Intervening B-pictures (Not yet

31、 decoded)Possible Intervening B-pictures (Already decoded)Top Reference FieldBottom Reference FieldB場圖像或場圖像或B幀幀圖像的預測圖像的預測4.2.3 變換編碼原理變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運動補償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運動補償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變換域，以去除空間相關(guān)性，對變換后的系數(shù)編碼，達到數(shù)換域，以去除空間相關(guān)性，對變換后的系數(shù)編碼，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。據(jù)壓縮的目的。變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)離散余弦變換離散余弦變換(DCT(DCT，Discre

32、te Cosine Transform)Discrete Cosine Transform)考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以塊為單考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以塊為單位進行的，采用位進行的，采用8 88 8塊。塊。設(shè)由設(shè)由8 88 8像素組成的像素塊用矩陣像素組成的像素塊用矩陣X X表示，變換后的系數(shù)表示，變換后的系數(shù)塊用矩陣塊用矩陣Y Y表示，則：表示，則：正向正向DCTDCT反反DCTDCT其中其中C C表示表示8 88 8的的DCTDCT矩陣，矩陣，C CT T是其轉(zhuǎn)置矩陣是其轉(zhuǎn)置矩陣TTYCXCXC YC18(21)12160, 07cos17, 07ijij

33、ijCijTTCCC CIC C滿足正交矩陣性質(zhì)滿足正交矩陣性質(zhì)右圖為右圖為8 88DCT8DCT基本圖基本圖像。任何像。任何8 88 8圖像塊圖像塊都可以用基本圖像與都可以用基本圖像與變換系數(shù)乘積的組合變換系數(shù)乘積的組合來表示。來表示。DCTDCT系數(shù)矩陣左上角系系數(shù)矩陣左上角系數(shù)數(shù)y y0000對應空間直流分對應空間直流分量，稱為量，稱為DCDC系數(shù)，其系數(shù)，其他他6363個對應交流分量，個對應交流分量，稱為稱為ACAC系數(shù)。系數(shù)。經(jīng)過經(jīng)過DCTDCT變換后，變換后，6464個樣值仍然得到個樣值仍然得到6464個系數(shù)。原樣值是個系數(shù)。原樣值是9 9比特，數(shù)據(jù)從比特，數(shù)據(jù)從0 0511511

34、；得到的直流系數(shù)的范圍是；得到的直流系數(shù)的范圍是0 040954095，交流系數(shù)的范圍是交流系數(shù)的范圍是-2048-204820472047；量化之后大多數(shù)高頻分量；量化之后大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)榈南禂?shù)變?yōu)? 0。人眼對低頻分量比較敏感，對高頻分量則不。人眼對低頻分量比較敏感，對高頻分量則不太敏感；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，太敏感；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼率。降低了碼率。 I I幀：系數(shù)矩陣左上角部位的系數(shù)對應空間低頻分量，采幀：系數(shù)矩陣左上角部位的系數(shù)對應空間低頻分量，采用較小的量化間隔，位于右下角部位的系數(shù)采用較大的量用較小的量化間隔，位于右下角

35、部位的系數(shù)采用較大的量化間隔?；g隔。 P P幀和幀和B B幀：是對幀間預測差值的變換，幀：是對幀間預測差值的變換，DCTDCT系數(shù)不僅僅決系數(shù)不僅僅決定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。DCT系數(shù)的量化系數(shù)的量化8161922262729341616222427293437192226272934343822222627293437402226272932354048262729323540485826272934384656692729353846566983161616161616161616161616161616161616161616161616

36、16161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616對于對于I I幀的亮度和色度的量化幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣加權(quán)矩陣對于對于P P幀和幀和B B幀的亮度和色度幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣的量化加權(quán)矩陣對自然景物圖像的統(tǒng)計表明，對自然景物圖像的統(tǒng)計表明，DCTDCT系數(shù)矩陣的能量系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。 圖圖游程編碼的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為游程編碼的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為一個由二元數(shù)組一個由二元數(shù)組

37、( (run,levelrun,level) )組成的數(shù)組序列，其組成的數(shù)組序列，其中中runrun表示連零的長度，表示連零的長度，levellevel表示緊接在這串連表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當剩下的所有系數(shù)都為零零之后出現(xiàn)的非零值。當剩下的所有系數(shù)都為零時，用符號時，用符號EOB(EndEOB(End of Block) of Block)來代表。來代表。 游程編碼游程編碼(RLC，Run Length Coding)幀圖像的幀圖像的DCTDCT系數(shù)分布（按系數(shù)分布（按非零系數(shù)可能性畫圖）非零系數(shù)可能性畫圖）場圖像的場圖像的DCTDCT系數(shù)分布（對照幀圖像，系數(shù)分布（對照幀圖像，

38、左側(cè)有更多的非零系數(shù)，這是由于場圖左側(cè)有更多的非零系數(shù)，這是由于場圖像在垂直方向有更強的高頻分量）像在垂直方向有更強的高頻分量）對應這兩種圖像結(jié)構(gòu)，規(guī)定了兩種掃描方式，對應這兩種圖像結(jié)構(gòu)，規(guī)定了兩種掃描方式，ZigzagZigzag掃描與交替掃描。掃描與交替掃描。經(jīng)經(jīng)DCTDCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此按變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此按ZigzagZigzag掃描讀出掃描讀出實際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的。掃描后出現(xiàn)連零的機會比較多，特別實際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的。掃描后出現(xiàn)連零的機會比較多，特別到最后，如果都是零，在讀到最

39、后一個數(shù)后，只要給出到最后，如果都是零，在讀到最后一個數(shù)后，只要給出“塊結(jié)束塊結(jié)束”（EOBEOB）碼，就可）碼，就可以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。如圖如圖 4.2.4 熵編碼原理熵編碼原理熵編碼（熵編碼（Entropy CodingEntropy Coding）是一類無損編碼，編碼）是一類無損編碼，編碼后的平均碼長接近信源的熵。后的平均碼長接近信源的熵。 l 霍夫曼霍夫曼(Huffman)(Huffman)編碼：變長編碼，對出現(xiàn)概率編碼：變長編碼，對出現(xiàn)概率大的信源符號分配較短的碼字，對出現(xiàn)概率小的大的信源符號分配較短的碼字，對出現(xiàn)概率小的信源符號分配較長的

40、碼字，以獲得較短的平均碼信源符號分配較長的碼字，以獲得較短的平均碼長。長。l 運動矢量的熵編碼：對運動矢量的水平和垂直方運動矢量的熵編碼：對運動矢量的水平和垂直方向差值進行熵編碼。向差值進行熵編碼。l DCTDCT系數(shù)的熵編碼系數(shù)的熵編碼4.2.5 MPEG-2視頻編碼器和解碼器視頻編碼器和解碼器MPEG-2MPEG-2視頻編碼器視頻編碼器Variable Length DecodingInverse Quantis- ationInverse ScanMotion Compen- sationInverse DCTFrame- store MemoryfyxFvuQF vuQFS nCode

41、d DataDecoded samplesdyxMPEG-2MPEG-2視頻解碼器視頻解碼器4.3 ATSC數(shù)字電視制式數(shù)字電視制式 ATSCATSC制的視頻格式制的視頻格式4.3.1 ATSC制概述制概述水平水平垂直有效像素垂直有效像素幅型幅型比比60/59.9460/59.94逐行逐行60/59.960/59.94 4隔行隔行30/29.9730/29.97逐行逐行24/29.9724/29.97逐行逐行1920192010801080（方像素）（方像素） 16:916:912801280720720（方像素）（方像素）16:916:9704704480480（寬屏）（寬屏）16:916:

42、9704704480480（CCIR 601CCIR 601）4:34:3640640480480（VGAVGA，方，方像素）像素）4:34:3系統(tǒng)分為三部分：系統(tǒng)分為三部分：信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復用和傳送、射頻發(fā)送信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復用和傳送、射頻發(fā)送。信源編碼和壓縮信源編碼和壓縮視頻編碼和壓縮視頻編碼和壓縮MPEG-2MPEG-2音頻編碼和壓縮音頻編碼和壓縮Dolby AC-3(384Kb/s,5.1Dolby AC-3(384Kb/s,5.1聲道聲道) )，AACAAC輔助數(shù)據(jù)輔助數(shù)據(jù)條件接收條件接收(CA)(CA)等控制數(shù)據(jù)等控制數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復用和傳送業(yè)務(wù)復用和傳送 把不同信息類型的比特

43、流打成包把不同信息類型的比特流打成包 給每一個包以唯一的標識符給每一個包以唯一的標識符(ID)(ID) 將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時分復用組合成傳送包將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時分復用組合成傳送包(TSP)(TSP)射頻發(fā)送射頻發(fā)送 對傳送流進行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號對傳送流進行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號 調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式：調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式：8VSB8VSB調(diào)制的地面廣播模式調(diào)制的地面廣播模式(19Mb/s)(19Mb/s)16VSB16VSB調(diào)制的有線高比特率模式調(diào)制的有線高比特率模式(38Mb/s)(38Mb/s)4.3.2 傳送層的功能和格式傳送層

44、的功能和格式 數(shù)字電視碼流有多個不同的層次和類型：數(shù)字電視碼流有多個不同的層次和類型：ESES、PESPES、PSPS、TSTS。 ESES(Elementary(Elementary Stream) Stream)基本流基本流，是直接從編碼器出來的數(shù)據(jù)，是直接從編碼器出來的數(shù)據(jù)流，可以是視頻數(shù)據(jù)流，音頻數(shù)據(jù)流，或其他編碼數(shù)據(jù)流。流，可以是視頻數(shù)據(jù)流，音頻數(shù)據(jù)流，或其他編碼數(shù)據(jù)流。 PESPES(Packetized(Packetized Elementary Stream) Elementary Stream)打包基本流打包基本流，ESES流經(jīng)過流經(jīng)過PESPES打包器之后，被轉(zhuǎn)換成打包器之

45、后，被轉(zhuǎn)換成PESPES包。包。 PSPS(Program(Program Stream) Stream)節(jié)目流節(jié)目流，是將一個或幾個具有公共時間基，是將一個或幾個具有公共時間基準的準的PESPES組合成的復用流。組合成的復用流。PSPS流比較適用于相對誤碼率小的傳流比較適用于相對誤碼率小的傳輸環(huán)境中，如交互式多媒體環(huán)境和媒體存儲管理系統(tǒng)。輸環(huán)境中，如交互式多媒體環(huán)境和媒體存儲管理系統(tǒng)。 TSTS(Transport(Transport Stream) Stream)傳輸流傳輸流，是有一個或幾個不同的，是有一個或幾個不同的PESPES經(jīng)經(jīng)傳輸流打包后組成的復合流。傳輸流打包后組成的復合流。TS

46、TS流更適合在有干擾或誤碼的環(huán)流更適合在有干擾或誤碼的環(huán)境中傳輸。境中傳輸。PES包包起始碼前綴比特流IDPES包長度PES包頭標志PES包頭長度PES包頭區(qū)（可變長度）PES包數(shù)據(jù)塊（可變長度）PESPES包頭標志（說明比特流特性的標識符）：包頭標志（說明比特流特性的標識符）： 加擾指示，優(yōu)先級指示，數(shù)據(jù)相配指示，有無版權(quán)，原版或復制，有無加擾指示，優(yōu)先級指示，數(shù)據(jù)相配指示，有無版權(quán)，原版或復制，有無PTSPTS（顯示時間標志）和（顯示時間標志）和DTSDTS（解碼時間標志），包頭是否含時鐘基準，包頭（解碼時間標志），包頭是否含時鐘基準，包頭是否含比特率，包頭是否含說明流來源的是否含比特率，

47、包頭是否含說明流來源的DSM (DSM (數(shù)字存儲媒體數(shù)字存儲媒體) )模式的字段，模式的字段，是否有是否有CRCCRC（循環(huán)冗余校驗），是否有擴展段。（循環(huán)冗余校驗），是否有擴展段。PESPES包頭區(qū)（各段可選）：包頭區(qū)（各段可選）： PTS/DTSPTS/DTS，DSMDSM模式，附加復制信息，擴展數(shù)據(jù)，填充字節(jié)模式，附加復制信息，擴展數(shù)據(jù)，填充字節(jié)PESPES包數(shù)據(jù)塊：包數(shù)據(jù)塊： 有效負載數(shù)據(jù)，即來自相應編碼器的一個連續(xù)的基本流。有效負載數(shù)據(jù)，即來自相應編碼器的一個連續(xù)的基本流。 TS包包固定長度（固定長度（188188字節(jié)）：字節(jié)）： 包頭（包頭（4 4字節(jié)）字節(jié)）包同步，包識別（包同

48、步，包識別（PIDPID），連續(xù)計數(shù)，加擾控制等），連續(xù)計數(shù)，加擾控制等 適配區(qū)（可變長度）適配區(qū)（可變長度）同步和定時同步和定時對對27MHz27MHz系統(tǒng)時鐘（系統(tǒng)時鐘（STCSTC）周期性抽樣形成的節(jié)目時鐘基準）周期性抽樣形成的節(jié)目時鐘基準(PSR)(PSR)，每，每100ms100ms至少傳送一次至少傳送一次基本流的隨機進入點指示基本流的隨機進入點指示頻道切換用頻道切換用本地節(jié)目插入指示本地節(jié)目插入指示 有效負載數(shù)據(jù)（最多有效負載數(shù)據(jù)（最多184184字節(jié)）字節(jié)）包頭包頭適配區(qū)適配區(qū) 有效負載數(shù)據(jù)有效負載數(shù)據(jù)視頻視頻音頻音頻視頻視頻音頻音頻視頻視頻音頻音頻視頻視頻每一個新的每一個新的P

49、ESPES包需要啟動一個新的包需要啟動一個新的TSTS包包4.3.3 前向糾錯信道編碼前向糾錯信道編碼去信道能量擴散RS編碼交織卷積編碼8VSB調(diào)制傳送流包ATSCATSC制信道編碼和調(diào)制制信道編碼和調(diào)制RS編碼及其糾錯譯碼編碼及其糾錯譯碼RS（207，187），），縮短的縮短的RS（255，235）187個信息字節(jié)20個校驗字節(jié)48個0+187個信息字節(jié)20個校驗字節(jié)1個同步字節(jié)個同步字節(jié)縮短的縮短的RSRS（255255，235235）對應于）對應于8GF(2 )域生成多項式： 8432( )1P xxxxx 8GF(2 )中的元素由0和 組成,0,1,254ii是( )P x的一個本原根

50、。加法：模2加，即二進制異或運算乘法：()mod255ijij 元素二進制十進制0000000110000001020000010040000100080001000016001000003201000000641000000012800011101298i0765432184321767610iddd76543210d d d d d d d d 校驗生成多項式：19201719601821221881900( )()iig xxxxxxx2019182=152185121165174xxxxx187個信息字節(jié)1861850(,)mmm信息多項式： 18618518618510( )m xm

51、xmxm xm校驗多項式： 20( )Res( )/ ( )r xx m xg x191819180r xr xr20個校驗字節(jié)：19180(,)rrrA信息字節(jié)3x20 x19x18x2x1xB152165121121240185174A0BRS(207,187)RS(207,187)編碼電路RS(207,187)碼：碼：2062050186185019180(,)(,)cccmmm rrr2062052020620510( )( )( )( ) ( )c xcxcxc xcx m xr xq x g x碼字多項式：碼字多項式：255235 /210t 可糾正可糾正 t=10個字節(jié)或個字節(jié)或

52、80比特的誤碼比特的誤碼無誤碼時無誤碼時c(x)能被能被g(x)整除，有誤碼時整除，有誤碼時c(x)不不能被能被g(x)整除，收端根據(jù)余式和商式確整除，收端根據(jù)余式和商式確定誤碼的位置和樣式，實現(xiàn)糾錯譯碼。定誤碼的位置和樣式，實現(xiàn)糾錯譯碼。卷積編碼及維特比譯碼基礎(chǔ)知識卷積編碼及維特比譯碼基礎(chǔ)知識110001100/010/001/111/111/101/100/010/00M2M1y1y0 x 00 00 00 00 00 01 01 01 10 10 10 10 1010 10 1000 00 0001 01 01 0111 11 11 1111 11 1100011011用于用于ATSC制

53、的制的1/2比率比率4狀態(tài)反饋卷積編碼器狀態(tài)反饋卷積編碼器(a)編碼器結(jié)構(gòu)圖(b) 狀態(tài)圖(c) 格形圖1( )( )yjx j （4-52） 00( )(1)(2)yjx jyj 對于長度為對于長度為L L的的bitbit序列，由于誤碼，存在序列，由于誤碼，存在 條不同的可能路徑。從這些條不同的可能路徑。從這些可能的不同路徑中找到編碼時走過的路徑，進而推算出編碼時的輸入可能的不同路徑中找到編碼時走過的路徑，進而推算出編碼時的輸入bit。 維特比譯碼從所產(chǎn)生的各種可能路徑中找出一條最大似然路徑，使沿著這維特比譯碼從所產(chǎn)生的各種可能路徑中找出一條最大似然路徑，使沿著這條路徑得到的序列與接收的碼序

54、列相同或差別最小。條路徑得到的序列與接收的碼序列相同或差別最小。 設(shè)格形圖上的序列為設(shè)格形圖上的序列為 ，接收到的幅度失真的碼序列為，接收到的幅度失真的碼序列為 ，其判決再，其判決再生的序列為生的序列為 ，則格形圖序列與接收序列之間差別測度：，則格形圖序列與接收序列之間差別測度： 漢明距離（硬判決）漢明距離（硬判決） 若發(fā)送端將碼序列映射為電平序列若發(fā)送端將碼序列映射為電平序列 ，接收到的幅度失真的電平序列，接收到的幅度失真的電平序列量化編碼為量化編碼為 ，格形圖上的數(shù)字序列為，格形圖上的數(shù)字序列為 ，則格形圖序列與接收序列，則格形圖序列與接收序列之間的差別測度：之間的差別測度： 歐幾里得距離

55、（軟判決）歐幾里得距離（軟判決） ATSC制維特比譯碼采用軟判決，其最大似然路徑是歐幾里得距離為最小的制維特比譯碼采用軟判決，其最大似然路徑是歐幾里得距離為最小的路徑。路徑。2L iu iv|Hiiiduv ivSiiidab ia ia ibTCM-8VSB調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 從格形圖上可以看出，在兩個狀態(tài)間至少需要從格形圖上可以看出，在兩個狀態(tài)間至少需要3 3個時間段才有個時間段才有不同的編碼路徑，維特比譯碼從這些路徑中選擇與接收到的幅不同的編碼路徑，維特比譯碼從這些路徑中選擇與接收到的幅度失真電平序列歐幾里得距離為最小的路徑，從而實現(xiàn)糾錯譯度失真電平序列歐幾里得距離為最小的路徑，從而實現(xiàn)糾

56、錯譯碼。這些路徑之間的最小歐幾里得距離越大，信號的抗噪能力碼。這些路徑之間的最小歐幾里得距離越大，信號的抗噪能力越強。越強。 ATSCATSC制采用制采用ASKASK調(diào)制（幅移鍵控調(diào)制）調(diào)制（幅移鍵控調(diào)制） 若將兩比特數(shù)據(jù)映射為若將兩比特數(shù)據(jù)映射為4 4電平符號：電平符號：A Ai i =-3,-1,1,3,=-3,-1,1,3,分別調(diào)制分別調(diào)制4 4個不同幅度的高頻信號，稱為個不同幅度的高頻信號，稱為4ASK4ASK調(diào)制。直接映射時，最小歐調(diào)制。直接映射時，最小歐幾里得距離為幾里得距離為2 2，用平均功率歸一化的最小歐幾里得距離為，用平均功率歸一化的最小歐幾里得距離為D D0 0=0.894

57、=0.894， 8ASK8ASK歸一化的最小歐幾里得距離為歸一化的最小歐幾里得距離為D D0 0=0.436=0.436。 ATSCATSC制采用制采用2/32/3比率的格形編碼，格形圖的歐幾里得自由距離比率的格形編碼，格形圖的歐幾里得自由距離為為d dfreefree=3D=3D0 0=3=30.436=1.310.436=1.31。 編碼增益編碼增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dBG=20lg(1.31/0.894)=3.32dB預編碼器格形編碼器DM2M1Z2Z1Z0 8VSB 0 0 0 -7 0 0 1 -5 0 1 0 -3 0 1 1 -1 1 0 0 +1 1

58、 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a) 8VSB格形編碼器格形編碼器 (a)格形編碼器、預編碼器和符號映射器；格形編碼器、預編碼器和符號映射器；(b) 格形圖格形圖(b)8電平符號映射器格形編碼器預編碼器00010001011010000000110111111001001100110111101100011011狀態(tài)交織交織通過交織(interleaving)可使突發(fā)差錯分散為隨機差錯，以充分發(fā)揮糾錯編碼的作用。 段間卷積字節(jié)交織器：由I=52個分支組成，在第j(j=0,1,I-1)分支上設(shè)有容量為jM個字節(jié)的移位寄存器，M=4 N=IM

59、=524=208 即4個切換周期正好是一個糾錯編碼包的長度。 交織器用參數(shù) 描述， 對于(208,52)交織器交織前同一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)在交織后將分散到52個數(shù)據(jù)段中(一個糾錯編碼包對應一個數(shù)據(jù)段)。段內(nèi)交織：是與格形編碼結(jié)合進行的，由每字節(jié)1位置切換的12個格形編碼器組成。,N I能量擴散（隨機化）改善傳輸頻譜特性能量擴散（隨機化）改善傳輸頻譜特性 隨機化電路是一個隨機化電路是一個 16bit16bit最大長度偽隨機碼發(fā)生器，其最大長度偽隨機碼發(fā)生器，其生成多項式為生成多項式為 由它生成的偽隨機二進序列（由它生成的偽隨機二進序列（PRBS, Pseudo-random PRBS, Pseudo-

60、random Binary SequenceBinary Sequence）與輸入碼流進行模）與輸入碼流進行模2 2加，使數(shù)據(jù)隨機化。加，使數(shù)據(jù)隨機化。 367111213161G xxxxxxxxx d0d1d2d7d3d4d5d6使能D0D1D2D7D3D4D5D6x2x3x4x5x6x7x8x9x10 x11x12x13x14x15x16xATSC制的隨機化電路每個數(shù)據(jù)場的第一個數(shù)據(jù)段的段同步期間初始化每個數(shù)據(jù)場的第一個數(shù)據(jù)段的段同步期間初始化F180HF180HVSB數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)幀和 頻譜頻譜隨隨機機化化RS編編碼碼器器交交織織器器格格形形編編碼碼器器復復用用器器導導頻頻信信號號插插入