圖像信號(hào)系統(tǒng)原理第7章

第七章數(shù)字電視與高清晰度電視

§7-1概述

7.1.1數(shù)字電視的概念數(shù)字電視：將電視信號(hào)數(shù)字化后進(jìn)行傳輸、處理和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。7.1.2數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)(1)數(shù)字電視抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字電視采用二進(jìn)制，在傳輸過(guò)程中在一定程度的失真和受干擾后，并不影響所帶的信息。(2)數(shù)字電視信號(hào)容易進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，存取速度很高，進(jìn)行反復(fù)的存取后不會(huì)失真。(3)數(shù)字電視穩(wěn)定可靠數(shù)字電路采用超大規(guī)模集成電路，性能穩(wěn)定可靠。(4)數(shù)字信號(hào)易于與其它信號(hào)鏈接數(shù)字電視信號(hào)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送，容易進(jìn)行處理。7.1.3數(shù)字電視的發(fā)展1、模擬彩色電視的問(wèn)題三大彩色電視制式NTSC制：美國(guó)、加拿大、中美州、南美州、日本等PAL制：英國(guó)、西歐國(guó)家、中國(guó)等SECAM制：法國(guó)、中歐國(guó)家、俄羅斯等(1)模擬電視制式的相似性都使用隔行掃描方式，兩場(chǎng)構(gòu)成一幀廣播圖像信號(hào)都使用幅度調(diào)制方式聲音載波偏置高于圖像載波頻率，大多使用頻率調(diào)制都采用殘留下邊帶調(diào)制方式都從紅綠藍(lán)分量中取得亮度和兩個(gè)色差信號(hào)(2)三大制式的不兼容性射頻信號(hào)帶寬不同NTSC制使用6MHz帶寬SECAM使用8MHz帶寬PAL制有6MHz、7MHz、8MHz幾種帶寬視頻信號(hào)帶寬不同NTSC制使用4.2MHz帶寬PAL制有4.2MHz、5MHz、5.5MHz、6MHz幾種帶寬SECAM使用6MHz帶寬信號(hào)的結(jié)構(gòu)不同色副載波不同NTSC制使用525行，每秒30幀PAL、SECAM制使用625行，每秒25幀NTSC用3.57954506MHzPAL用4.43361875MHzSECAM用4.40625MHz和4.250MHz兩個(gè)副載波聲音載波的偏置不同NTSC偏置4.5MHzPAL偏置5.5MHz、6MHz、6.5MHzSECAM偏置6.5MHz(3)模擬電視制式的缺陷亮度分解力不足垂直分解力受每幀行數(shù)的限制，水平分解力受圖像信號(hào)帶寬的限制。色度分解力不足在亮色頻譜間置后，亮色信號(hào)不能很好地分離，因而會(huì)造成相互的干擾。由于利用了大面積著色原理，使色度分解力降低。亮色串?dāng)_亮色增益差亮度信號(hào)的能量主要分布在整個(gè)頻帶的低、中頻部分，而色度信號(hào)的能量分布在頻帶的高頻部分。由于信道的線性不是很好，導(dǎo)致亮色信號(hào)的增益不一直，產(chǎn)生色飽和度失真。亮色信號(hào)通道的帶寬不同，產(chǎn)生傳輸延時(shí)不同，雖然進(jìn)行了補(bǔ)償，但仍有差異，造成亮度和彩色圖像位置的不重合，形成彩色鑲邊圖像。亮色延時(shí)差信號(hào)傳送中時(shí)間利用率不充分行消隱占18.75%，場(chǎng)消隱占8%，有效信息傳送率不高。通道動(dòng)態(tài)范圍利用不充分圖像信號(hào)占用75%的幅度，同步信號(hào)占用25%的幅度。聲音信號(hào)只有單聲道模擬電視采用的是單聲道制式不適合磁帶、磁盤的多次復(fù)制對(duì)模擬信號(hào)，在對(duì)信號(hào)的復(fù)制和處理過(guò)程中，噪聲功率會(huì)不斷累加，播出節(jié)目一般不使用復(fù)制四代以上的磁帶。寬高比不適合人眼的視覺(jué)特性制定模擬電視制式時(shí)，采用了35mm電影的4:3寬高比，而人眼適合的寬高比是16:9。(4)改良彩色電視制式在接收端將視頻基帶信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使用幀存儲(chǔ)器，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐行掃描，以提高圖像的垂直分解力。EDTV：在IDTV的基礎(chǔ)上，在消隱期間加入消除重影基準(zhǔn)信號(hào)，并將寬高比改成16:9，使用數(shù)字梳狀濾波器，使圖像質(zhì)量得到較大的改善。IDTV：MultiplexedAnalogueComponents制式MAC是一種亮色時(shí)分復(fù)用的模擬電視制式利用數(shù)字技術(shù)將亮度信號(hào)按3:2進(jìn)行時(shí)間壓縮，將色度信號(hào)按3:1進(jìn)行時(shí)間壓縮。在一行時(shí)間中，前1/3輪流傳送兩個(gè)色差信號(hào)，后2/3傳送亮度信號(hào)，完全避免了亮色信號(hào)共用頻帶的各種缺陷。在行消隱期間內(nèi)以數(shù)字方式傳送4路準(zhǔn)瞬時(shí)壓縮編碼的聲音信號(hào)。MAC僅用于衛(wèi)星傳送，與現(xiàn)行模擬制式不兼容。(5)Hivision高清晰度電視將每幀掃描行數(shù)提高到1125行/60場(chǎng)/2:1(隔行掃描)/畫面寬高為16:9，亮度信號(hào)帶寬為20MHz，色差信號(hào)帶寬為7.5MHz或5.5MHz，用PAL制的編碼方式，總帶寬30MHz。聲音為前3后1。在1985年定名為HDTV。由于帶寬太寬，無(wú)法在現(xiàn)行制式的電視頻道中傳送。將亮度信號(hào)經(jīng)4:3時(shí)間壓縮后，成為30MHz帶寬；將兩個(gè)色度信號(hào)經(jīng)4:1時(shí)間壓縮后，也成為30MHz的帶寬；然后用MUSE(多重亞取樣編碼)技術(shù)實(shí)現(xiàn)4:1的壓縮，亮度和兩個(gè)色差信號(hào)的帶寬都是8.1MHz的帶寬。由此構(gòu)成的電視廣播制式稱為Hivision制式，在24MHz帶寬的衛(wèi)星頻道中調(diào)頻廣播?！?-2數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生與信源編碼7.2.1、電視信號(hào)的數(shù)字化數(shù)字電視的編碼過(guò)程：A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電視的解碼過(guò)程：D/A轉(zhuǎn)換1、模擬電視信號(hào)的數(shù)字化PCM

(脈沖編碼調(diào)制)

編碼和解碼模擬信號(hào)取樣脈沖脈沖幅度調(diào)制信號(hào)PAM不歸零串行數(shù)字信號(hào)NRZ取樣序列量化序列編碼序列頻譜電視信號(hào)頻譜抽樣脈沖頻譜理想抽樣PAM信號(hào)頻譜濾波器特性抽樣定理：fs≥2fm2、視頻信號(hào)的編碼方案與參數(shù)確定1)、全電視信號(hào)編碼將全電視信號(hào)轉(zhuǎn)變成PCM數(shù)字信號(hào)(1)取樣結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)行交叉結(jié)構(gòu)(2)取樣頻率fS滿足抽樣定理：fS≥2fm=16MHz滿足正交結(jié)構(gòu)：fS=n

fH有利于幀內(nèi)和幀間的信號(hào)處理滿足與色度信號(hào)副載波的差拍|fSq

fSC|=0對(duì)PAL制有fSC=

(283+3/4)fH+25=

(283+3/4+25/fH)fH取q=4，則有：fS=4fSC=(1135+100/fH)fH

=(1135+4/625)fHn=1135.00641135滿足正交結(jié)構(gòu)fS=(1135+4/625)fH=17.734475MHz滿足抽樣定理(3)編碼位數(shù)對(duì)于現(xiàn)行的電視圖像，編碼位數(shù)取8位，有256個(gè)量化層就夠了。則數(shù)字信號(hào)的碼率為：fS

8bit

=4fSC

8bit=44.431068bit=141.76106bit/s=16.9MBps一幀的數(shù)據(jù)量為：5.67106bit=692KByte2)、分量信號(hào)編碼將Y、U、V信號(hào)或R、G、B信號(hào)進(jìn)行編碼(1)亮度信號(hào)取樣頻率兼顧不同國(guó)際格式：滿足抽樣定理：fY≥2fm=12MHz滿足正交結(jié)構(gòu)：fY=n

fH625行/50場(chǎng)格式：fH=15625Hz525行/59.94格式：fH=15734.25Hz最小公倍數(shù)是2.25MHz，因此fY=m

2.25MHz國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR)建議：m=6則fY=13.5MHz(2)色度格式對(duì)625行/50場(chǎng)格式的亮度信號(hào)，每行取樣點(diǎn)數(shù)為對(duì)525行/60場(chǎng)格式的亮度信號(hào)，每行取樣點(diǎn)數(shù)為對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)的取樣有如下格式：4:2:2格式：fY:fR:fB=4:2:2即fR=fB=6.75MHz4:1:1格式：fY:fR:fB=4:1:1即fR=fB=3.375MHz(3)數(shù)字有效行圖像信號(hào)在掃描的正程，因此只有在掃描正程的取樣信號(hào)才是有效的，是應(yīng)該進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的。規(guī)定：對(duì)兩種圖像格式，亮度信號(hào)在正程中取720個(gè)點(diǎn)，色度信號(hào)取360個(gè)點(diǎn)。(4)編碼位數(shù)和排列亮度信號(hào)歸一化為：0到1間色差信號(hào)歸一化為：-0.5到+0.5間對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)需要進(jìn)行壓縮，結(jié)果為亮度信號(hào)：Y=0.3R+0.59G+0.11B紅差信號(hào)：R–Y=0.5R–0.42G–0.08B藍(lán)差信號(hào)：B–Y=–0.17R–0.33G+0.5B編碼亮度信號(hào)為8位自然二進(jìn)制碼色差信號(hào)為8位偏移二進(jìn)制碼：-0.5對(duì)應(yīng)00對(duì)應(yīng)128+0.5對(duì)應(yīng)255傳輸順序(4:2:2)(B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y)其中(B-Y)Y(R-Y)是同一取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而(Y)是只有亮度的取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。7.2.2頻帶壓縮編碼將電視信號(hào)數(shù)字化后產(chǎn)生的問(wèn)題：海量的數(shù)據(jù)造成存儲(chǔ)和傳輸上的困難。例：4:2:2分量編碼的碼率為(13.5+26.75)8=216Mbps如果用1.5bit/Hz進(jìn)行調(diào)制，需要帶寬144MHz。解決海量的數(shù)據(jù)困難的方法：采用壓縮編碼1、概述壓縮編碼的基礎(chǔ)1)、圖像數(shù)據(jù)的冗余(1)空間冗余在圖像序列中相鄰行和相鄰幀有較大的相關(guān)性。在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景有較大的相關(guān)性。(2)時(shí)間冗余(3)結(jié)構(gòu)冗余圖像從大面積上看，存在著紋理結(jié)構(gòu)。(4)視覺(jué)冗余人眼視覺(jué)分辨能力的限制使有些信息是不必要的。2)、人眼視覺(jué)限制(1)亮度辨別閾值當(dāng)景物的亮度在背景亮度的基礎(chǔ)上增加很少時(shí)，人眼是辨別不出來(lái)的，只有當(dāng)亮度增加到某一數(shù)值時(shí)，人眼才能感覺(jué)亮度有變化。人眼剛剛能察覺(jué)亮度變化的值稱為亮度辨別閾值(2)視覺(jué)閾值視覺(jué)閾值是指干擾或失真剛好可以被察覺(jué)的門限值，低于它就察覺(jué)不出來(lái)，高于它才能看得出來(lái)，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。(3)空間分辨力空間分辨力是指對(duì)一幅圖像相鄰像素的灰度和細(xì)節(jié)的分辨力，視覺(jué)對(duì)于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。對(duì)于靜止圖像或變化緩慢的圖像，在適當(dāng)?shù)牧炼认?，視覺(jué)具有較高的空間分辨力；而對(duì)于活動(dòng)圖像，視覺(jué)的空間分辨力減低，并隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的增大而迅速下降。(4)掩蓋效應(yīng)“掩蓋效應(yīng)”是指人眼對(duì)圖像中量化誤差的敏感程度，與圖像信號(hào)變化的劇烈程度有關(guān)。人眼對(duì)圖像中誤差的辨別能力受“掩蓋效應(yīng)”的影響，亮度變化越劇烈，在輪廓和邊沿處的量化誤差越容易被掩蓋；相反則越容易被察覺(jué)。2、圖像編碼技術(shù)(1)基于圖像信源統(tǒng)計(jì)特性的壓縮方法(2)基于人眼視覺(jué)特性的壓縮方法有預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、矢量量化編碼、子帶-小波編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼等。有方向?yàn)V波圖像編碼和圖像輪廓-紋理編碼法等。(3)基于圖像景物特征的壓縮方法有分形編碼法和模型編碼法等。1)預(yù)測(cè)編碼減小空間和時(shí)間冗余信息的編碼方法取樣序列量化后的序列預(yù)測(cè)值:預(yù)測(cè)系數(shù)量化后的預(yù)測(cè)誤差僅對(duì)預(yù)測(cè)誤差編碼，碼率將下降預(yù)測(cè)誤差線性預(yù)測(cè)以前各點(diǎn)量化值的線性組合DPCM編碼采用線性預(yù)測(cè)，由于減小了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使編碼后的碼率下降，但編碼的方法將決定壓縮的程度。(1)預(yù)測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)特性預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)誤差的概率分布集中在0附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，近似滿足Laplace分布實(shí)驗(yàn)表明：用8bit量化，分層數(shù)為M=256，預(yù)測(cè)誤差的絕對(duì)值在16~18以下的像素占(80%~90%)以上。(1)非均勻量化編碼對(duì)幅值小的范圍，量化間距??；對(duì)大幅值的范圍，量化間距大。非均勻量化用5位編碼可達(dá)到均勻量化8位編碼的效果。(2)可變字長(zhǎng)編碼用均勻量化編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的小差值信號(hào)的編碼位數(shù)n??；對(duì)出現(xiàn)概率小的大差值信號(hào)的編碼位數(shù)n大。編碼位數(shù)n隨信號(hào)出現(xiàn)的概率而變化，取Pi是第i個(gè)數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)的概率，C是負(fù)常數(shù)。平均碼長(zhǎng)：2)變換編碼編碼原理：將圖像中的像素按區(qū)域分成一些包括MN個(gè)像素的許多方塊，這些像素點(diǎn)的取樣值構(gòu)成一個(gè)矩陣。將數(shù)值矩陣進(jìn)行正交變換，將變換后的數(shù)值進(jìn)行編碼后再發(fā)送出去。在變換后，對(duì)幅度大的部分用高位數(shù)編碼，對(duì)幅度小的部分用低位數(shù)編碼，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，平均字長(zhǎng)和總碼長(zhǎng)都會(huì)下降。3)其他壓縮碼率的措施(1)、亞奈奎斯特取樣fs=2fm稱為奈奎斯特頻率，大于此頻率的取樣稱為奈奎斯特取樣。在取樣時(shí)若小于此頻率，將產(chǎn)生頻譜混疊失真。在特殊情況下，如果頻譜混疊可以用特殊的濾波器分開(kāi)(如亮度信號(hào)的頻譜交錯(cuò))，則取樣頻率可以小于奈奎斯特頻率由于取樣頻率降低，編碼數(shù)據(jù)率也隨之降低，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)壓縮的目的。(2)、同步信號(hào)的編碼在電視信號(hào)的逆程中，只有同步信號(hào)和消隱信號(hào)、色同步信號(hào)。由于信息量很少，沒(méi)有必要對(duì)波形進(jìn)行取樣編碼，也不必逐場(chǎng)逐行地傳送這些信息。每行只要用20~30bit傳送定時(shí)信號(hào)，每場(chǎng)只要在1~2行中傳送色同步信號(hào)?！?-3電視信號(hào)的數(shù)字處理7.3.1概述數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)容易進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、衰減、疊加、限幅、箝位等。容易進(jìn)行存儲(chǔ)和延時(shí)，信號(hào)的延時(shí)可以完全由外部定時(shí)信號(hào)來(lái)確定，有很好的精度，無(wú)失真。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像的各