數(shù)字化電視原理

數(shù)字化電視原理

電子工程學(xué)院2023/1/292023/1/29Contents第一章數(shù)字壓縮技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展

2023/1/29XIDIANUNIVERSITYContents

電視的發(fā)展歷程1模擬信號的數(shù)字化處理2

數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理3模擬電視與數(shù)字電視4數(shù)字化電視51.1電視的發(fā)展歷程A電視誕生

電視是以電的方法即時傳送活動圖像和伴音的技術(shù)。

2023/1/29基本過程：在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號。加工、處理并進行電傳輸。在接收端把收到的電信號逆變成原來景物的圖像。

那么如何在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)電信號的傳輸呢？

2023/1/291機械式圓盤掃描1884年，德國發(fā)明家保羅·尼普科夫設(shè)計了尼普科夫圓盤尼普科夫圓盤的思想：（1）圖像分解：圖像分解為一個個像素2023/1/29對于一幅圖像而言，實際上它是由許多小的單元所租成的。我們把構(gòu)成圖像的基本單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素點數(shù)目就越多，分辨率就越高。2023/1/29（2）像素的傳送2023/1/292023/1/292電子式電視

隨著光電攝像管、電子掃描系統(tǒng)和電子束顯像管的發(fā)明與完善，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、接收彩色圖像的電視系統(tǒng)。 A三基色原理

三基色？

RGB一切色彩可由三基色光混合而成。2023/1/29B彩色電視制制式彩色電視制制式的制定定依據(jù)？依據(jù)：色度度信號的編編碼方法三大制式:(1)NTSC（N制，美國國國家電視制制式委員會會）(2)SECAM(順序傳送色色彩與存儲儲)(3)PAL(P制，逐行倒倒相)我國：PAL-D2023/1/6C黑白電視視體制彩色電視視的體制制以黑白白電視體體制為基基礎(chǔ)。體制的概概念內(nèi)涵涵：掃描方式式、每幀幀行數(shù)、、行幀、、場幀、、視頻帶帶寬…2023/1/61.2模擬信號號的數(shù)字字化處理理A模擬信號號：時間間、幅度度連續(xù)續(xù)B數(shù)字信號號：時間間、幅度度離散散那么數(shù)字字系統(tǒng)的的優(yōu)勢表表現(xiàn)在動動態(tài)、非非線性失失真影響響等方面面的改善善。C模擬信號號轉(zhuǎn)變?yōu)闉閿?shù)字信信號如何實現(xiàn)現(xiàn)？2023/1/6采樣、量化、、編碼（1）采樣采樣定理2023/1/6（2）量化（均勻勻量化）最大量化誤差差？2023/1/62023/1/68位量化化7位量化化2023/1/66位量化化4位量化化2023/1/6(3)編碼定義：：用用n位2進制碼碼表示示采樣樣信號號的量量化值值。采樣、、量化化、編編碼這這樣一一個處處理流流程稱稱為脈沖編編碼調(diào)調(diào)制2023/1/62023/1/61.3數(shù)字字圖圖像像信信號號的的壓壓縮縮編編碼碼原原理理1壓縮縮的的必必要要性性攝像像機機輸輸出出的的RGB信號號通通過過矩矩陣陣變變換換得得到到Y(jié),CB和CR信號號降低低色色度度分分辨辨率率為為4:2:2格格式式PAL按照照CCIR.601，，信號號碼碼率率216Mbit/s通過過MPEG視頻頻壓壓縮縮過過程程，，必必須須壓壓縮縮到到6Mbit/s，，壓縮縮比比36。數(shù)字字SDTV視頻頻信信號號數(shù)數(shù)碼碼率率270Mbit/s，，必須須壓壓縮縮到到2～～6Mbit/s才能能用用于于廣廣播播傳傳輸輸。。數(shù)字HDTV視頻信號號數(shù)碼率率1.188Gbit/s，必須壓縮縮到2～～6(15)Mbit/s才能用于于廣播傳傳輸。2023/1/62023/1/6冗余度度消除除多余信信息：：碼流流中多多次存存在，，或沒沒有信信息量量，或或在接接收端端可通通過數(shù)數(shù)學(xué)方方法無無失真真恢復(fù)復(fù)。無損壓壓縮2圖像數(shù)數(shù)據(jù)因因何可可以實實現(xiàn)壓壓縮不相關(guān)關(guān)性消消除不必要要信息息：人人眼無無法察察覺的的信息息。人眼的的彩色色視覺覺細(xì)胞胞遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于于亮度度視覺覺細(xì)胞胞，因因此色色度分分辨率率可以以降低低，色色度信信號帶帶寬可可以減減少。。人眼不不能辨辨別圖圖像中中過于于精細(xì)細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)和粗粗結(jié)構(gòu)構(gòu)。不能復(fù)復(fù)原的的有損損過程程3分類：：無損壓壓縮和和有損損壓縮縮.無損壓壓縮：：VLC游程編編碼霍夫曼曼編碼碼：使使用頻頻率高高的字字母用用短碼碼，使使用頻頻率低低的字字母用用長碼碼。有損壓壓縮：：離散余余弦變變換2023/1/62023/1/64靜止圖像壓壓縮標(biāo)準(zhǔn)編編碼方法JPEGJointPhoto-graphicExpertsGroup（1）國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化組織（2）國際電報報電話咨詢詢委員會（3）國際電工工委員會適用范圍：：彩色和單單色多灰度度靜止數(shù)字字圖像的壓壓縮。2023/1/6A混合編碼方方式B有損壓縮和和無損壓縮縮方法結(jié)合合C基本算法流流程1）顏色空間間轉(zhuǎn)換（（色彩作為為獨立的部部分處理））2）DCT3）量化4）差分編碼碼5）Z字形掃描游游程編碼6）熵編碼Huffman編碼2023/1/629對視頻幀一行行中8個象素的時域域電壓值進行行DCT得到頻域的8個系數(shù)，依次次為直流DC系數(shù)、低頻、、中頻和高頻頻系數(shù)（視頻頻信號能量））。根據(jù)人眼視覺覺特性，DCT系數(shù)在頻域進進行量化，除除以某個量化化因子。量化因子越大大，量化越粗粗。對較平滑滑圖象，量化化因子改變不不大或根本不不變；而對細(xì)細(xì)節(jié)豐富圖象象，量化因子子隨著頻率增增高而變大。。量化后很多系系數(shù)變?yōu)?，尤其對高頻頻系數(shù)而言。。30數(shù)字電視原理理與應(yīng)用5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二維變變換編碼。圖象先被分成成8x8象素塊，再通通過二維DCT變換到頻域。。為得到帶符號號值，在做二二維DCT之前，所有象象素值先減去去128。DCT后即量化，除除以合適的量量化步長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318x8象素塊做二維維DCT后得到頻域中中的8x8數(shù)組:第一個系數(shù)是是DC系數(shù)，對應(yīng)整整個塊的直流流分量。第二個系數(shù)對對應(yīng)水平方向向最粗圖象結(jié)結(jié)構(gòu)的能量。。第一行最后一一個系數(shù)對應(yīng)應(yīng)水平方向最最精細(xì)圖象結(jié)結(jié)構(gòu)的能量。。第一列從上到到下對應(yīng)垂直直方向最粗到到最細(xì)圖象結(jié)結(jié)構(gòu)的能量。。對角線上系數(shù)數(shù)對應(yīng)對角線線方向從粗到到細(xì)圖象結(jié)構(gòu)構(gòu)的能量。32數(shù)字電視原理理與應(yīng)用量化DCT系數(shù)進行Z掃描之后，使使得連0數(shù)目目最大。碼流流中中不不傳傳這這些些連連續(xù)續(xù)0系系數(shù)數(shù)，，而而是是通通過過游游程程編編碼碼只只傳傳連連0的的個個數(shù)數(shù)，，Z掃描描和和游游程程編編碼碼，，與與DCT和量量化化相相配配合合，，是是MPEG-2高壓壓縮縮比比的的主主要要因因素素。。Z掃描描和和游游程程編編碼碼Z掃描描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0RL1－200000000000002000000000000000－100000000－10000000000000033游程程編編碼碼后后的的碼碼流流再再進進行行霍霍夫夫曼曼編編碼碼。。出現(xiàn)現(xiàn)頻頻率率高高的的碼碼字字編編碼碼為為短短碼碼，，出出現(xiàn)現(xiàn)頻頻率率低低的的碼碼字字編編碼碼為為長長碼碼。。進一一步步冗冗余余度度消消除除，，無無損損過過程程。?；舴蚍蚵幘幋a碼DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0Huffman編碼HuffmancodetableCodesofvariablelength2023/1/6相同同之之處處：：游游程程編編碼碼TIF40KJPG10K2023/1/65MPEG(活動圖像像壓縮標(biāo)標(biāo)準(zhǔn))活動圖像像專家組組（MovingPictureExpertGroup）A任務(wù)：開開發(fā)運動動圖像及及其聲音音的數(shù)字字編碼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)B標(biāo)準(zhǔn)：MPEG-1:1.5Mb/sMPEG-2:10Mb/s2023/1/6MPEG-1:一MPEG-1的提出為CD-ROM的視頻存存儲和放放像所制制定二適用用圖像：：360*28824-30幀/s運動圖像像三應(yīng)用用領(lǐng)域：：CD-ROM硬盤VCD數(shù)字音頻頻磁帶（2）MPEG-2:一MPEG-2的提出提供數(shù)字字音頻-視頻服務(wù)務(wù)和應(yīng)用用的國際際標(biāo)準(zhǔn)。。二適用用圖像：：720*48030幀/s1440*1152HDTV2023/1/66MPEG視頻壓壓縮方方法以MPEG-1為例：：壓縮方方法：：幀內(nèi)內(nèi)壓縮縮和幀幀間壓壓縮方方法結(jié)結(jié)合（1）幀內(nèi)內(nèi)壓縮縮：JPEG（2）幀間間壓縮縮依據(jù):相鄰畫畫面之之間，，活動動部分分的畫畫面內(nèi)內(nèi)容是是相關(guān)關(guān)的，，其運運動具具有連連續(xù)性性。2023/1/6預(yù)測需要什什么信息？？1已知幀內(nèi)畫畫面中的宏宏塊2運動補償矢矢量運動補償矢矢量的估計計？2023/1/6運動估計——得到運動向向量過程：：對當(dāng)前要編編碼幀的宏宏塊，在前前面的參考考幀（P幀）中搜索索最佳匹配配宏塊。在當(dāng)前宏塊塊周圍的搜搜索窗內(nèi)的的塊匹配找到匹配宏宏塊后就得得到所需傳傳輸?shù)倪\動動向量。另外還傳輸輸匹配宏塊塊的殘差。。殘差單獨再再經(jīng)過DCT和量化進一一步壓縮。。2023/1/6MPEG的應(yīng)用MPEG-1：CD-ROM、硬盤、VCD、數(shù)字音頻磁磁帶MPEG-2：DVD、SDTV、HDTV2023/1/6MPEG-2的方法：2023/1/6有損1量化從10bits降為8bits無損2省略水平平和垂直直空白間間隔有損3降低垂直直方向色色度分辨辨率(4:2:0)無損4活動圖像像的DPCM有損5DCT和量化無損6Z掃描和零零序列的的游程編編碼無損7Huffman編碼1.4模擬電視視與數(shù)字字電視1.4.1模擬電視視1模擬電視視定義：：信源的形形式?jīng)Q定定了電視視機是模模擬電視視機還是是數(shù)字電電視機。。目前我國國處于模模擬電視視向數(shù)字字電視廣廣播的過過度階段段。(1)電視臺發(fā)發(fā)的信號號基本是是模擬信信號。(2)采用的PAL-D制式為模模擬電視視廣播。。2023/1/62模擬電視視制式的的內(nèi)在缺缺陷（1）基本概概念：電視線（（TVLine）色度副載載波亮色頻帶帶共用A視頻帶寬寬的限制制，電視視線個數(shù)數(shù)（顯示示圖像的的實際電電視線個個數(shù)）受受限：亮度分解解力和色色度分解解力不足足2023/1/6B.亮色頻帶帶共用1）電視機機無法將將亮度信信號與色色度信號號徹底分分離，造造成亮色色互串；；2）亮度信信號能量量分布在在視頻通通道的中中低頻，，色度信號號能量分分布在視視頻通道道的高頻頻，視頻通道道的線性性特性（（幅頻特特性、相相頻特性性）的優(yōu)優(yōu)劣決定定是否存存在亮色色增益差差和延時時差。C.長寬比2023/1/61.4數(shù)字電視視（1）定義：：信源：數(shù)數(shù)字電視視信號（2）與模擬擬電視的的區(qū)別：：可利用數(shù)數(shù)字壓縮縮技術(shù)頻道資源源專業(yè)化化、個性性化數(shù)字技術(shù)對節(jié)節(jié)目處理、傳傳輸、儲存功能豐富：查查詢回放預(yù)預(yù)定2023/1/6（3）數(shù)字電視系系統(tǒng)組成數(shù)字前端系統(tǒng)統(tǒng)：數(shù)字化化、加擾、授授權(quán)、認(rèn)證雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)絡(luò)：衛(wèi)星、Cable用戶終端系統(tǒng)統(tǒng)：機頂盒（4）主要業(yè)務(wù)：：以IPTV為例，基于以以太網(wǎng)的電視視2023/1/6（5）數(shù)字電視標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)1ATSC（美國高級電電視系統(tǒng)委員員會）2DVB(Digitalvideobroadcasting)3ISDB（IntegratedserviceDigitalbroadcasting）A壓縮技術(shù)所采采用壓縮標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)：MPEG-2B調(diào)制方式:ATSC:電平殘留邊帶帶VSB2023/1/6（7）機頂頂盒A背景：：目前前我國國處于于模擬擬電視視向數(shù)數(shù)字電電視廣廣播的的過度度階段段。(1)電視臺臺發(fā)的的信號號基本本是模模擬信信號。。(2)采用的的PAL-D制式為為模擬擬電視視廣播播。B機頂盒盒的主主要作作用：：信道解解碼、、解復(fù)復(fù)用、、信源源解碼碼、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成PAL制模擬擬信號號C機頂盒盒分類類：STC2023/1/6DVB-S:QPSK四相相相相移移鍵鍵控控DVB-C:QAM正交交幅幅度度調(diào)調(diào)制制DVB-T:COFDM（6）數(shù)數(shù)字字電電視視優(yōu)優(yōu)點點數(shù)字字電電視視與與模模擬擬電電視視可可實實現(xiàn)現(xiàn)信信道道兼兼容容加密密加加擾擾：：有有償償電電視視服服務(wù)務(wù)2023/1/61.5數(shù)字化電電視背景：目前我國國處于模模擬電視視向數(shù)字字電視廣廣播的過過度階段段。(1)電視臺發(fā)發(fā)的信號號基本是是模擬信信號。(2)采用的PAL-D制式為模模擬電視視廣播。。(3)電視機接接收模擬擬電視信信號。數(shù)字化定定義：數(shù)字處理理技術(shù)的的應(yīng)用2023/1/6ThankYou!2023/1/6謝謝謝1月-2301:06:4001:0601:061月-231月-2301:0601:0601:06:401月-231月-2301:06:402023/1/61:06:409、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。1月-231月-23Friday,January6,202310、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。01:06:4101:06:4101:061/6/20231:06:41AM11、以我獨沈久久，愧君相見見頻。。1月-2301:06:4101:06Jan-2306-Jan-2312、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。01:06:4101:06:4101:06Friday,January6,202313、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。1月-231月-2301:06:4101:06:41January6,202314、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。06一月20231:06:41上午01:06:411月-2315、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。一月月231:06上上午午1月月-2301:06January6,202316、行動動出成成果，，工作作出財財富。。。2023/1/61:06:4101:06:4106January202317、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時時，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點的的射線向前前。。1:06:41上上午1:06上上午01:06:411月-239、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功??！。。1月月-231月月-23Friday,January6,202310、很多事事情努力力了未必必有結(jié)果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。01:06:4101:06:4101:061/6/20231:06:41AM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。1月-2301:06:4101:06Jan-2306-Jan-2312、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。01:06:4101:06:4101:06Friday,January6,202313、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。1月-231月-2301:06:4101:06:41January6,202314、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。06一月月20231:06:41上上午01:06:411月-2315、楚塞