第5章 數(shù)字電視的國際標(biāo)準(zhǔn)1

數(shù)字電視原理第五章數(shù)字電視的國際標(biāo)準(zhǔn)2/4/20231信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG的目標(biāo)：JPEG用于連續(xù)變化的靜止圖像連續(xù)變化是指灰度等級和顏色兩方面的連續(xù)變化靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEGJointPhoto-GraphicExpertsGroup

聯(lián)合圖像專家組從1986年正式開始制訂,由多個國際組織聯(lián)合制定:國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO國際電報電話咨詢委員會CCITT(后改為國際電信聯(lián)盟ITU)。國際電工委員會(IEC)也參加合作1992年7月通過了標(biāo)準(zhǔn)的第一部分，后又對有關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)草案(即標(biāo)準(zhǔn)的第二部分)作了進一步修改

2/4/20232信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG包含兩種基本壓縮方法：有損壓縮：基于DCT的有損壓縮，又稱為基線順序編解碼(BaselineSequentialCodec)方法無損壓縮：又稱預(yù)測壓縮方法JPEG編碼壓縮的基本算法與H.261的幀內(nèi)模式相似，JPEG標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮是在本幀內(nèi)進行,與前后幀無關(guān)JPEG可用于活動圖像壓縮編碼，只不過壓縮方法只限于幀內(nèi)進行，不作運動補償和幀間差運算。這種用于活動圖像的壓縮技術(shù)稱作：M-JPEG(Motion-JPEG),主要用于高質(zhì)量圖像壓縮編碼方案中，例如電視臺節(jié)目編輯中2/4/20233信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)1.基于DCT的編碼器和解碼器基于DCT的JPEG編碼器：2/4/20234信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)基于DCT的JPEG解碼器：2/4/20235信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的像素以NTSC制為例，它的視頻最高頻率為4.2MHz，故抽樣頻率可取8.4MHz至9MHzNTSC制行頻行周期每行的顯示時間若設(shè)抽樣頻率

2/4/20236信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)則時間內(nèi)的抽樣數(shù)N如下式所示 抽樣數(shù)N:一行中的顯示區(qū)或稱有效像素區(qū)中的像素數(shù)2/4/20237信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)像素形狀又稱為縱橫比，按JPEG標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定像素縱橫比為1：1，也就是像素為正方形例如上述NTSC制中一行像素為480個，若像素縱橫比為1：1，圖像尺寸縱橫比為3：4，則一幀圖像應(yīng)有的行數(shù)為480×3／4＝360行光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換：NTSC制一幀圖像為525行，其中包含兩場，若扣除兩場的場消隱所需74行，則余451行,轉(zhuǎn)換到360行,則需要并行。按，則每10行需要并成8行，這就是圖像光柵處理中常用的光柵轉(zhuǎn)換或掃描轉(zhuǎn)換2/4/20238信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮流程示意圖2/4/20239信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)2.離散余弦變換和DCT系數(shù)量化JPEG標(biāo)準(zhǔn)是將“二維”空間的圖像數(shù)據(jù)用離散余弦變換DCT公式變換到二維頻域成為二維頻率系數(shù)。變換后的系數(shù)經(jīng)量化矩陣量化亮度量化矩陣色度量化矩陣2/4/202310信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化矩陣量化 正量化：式中為DCT系數(shù)，為量化步長反量化：2/4/202311信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)Zig-Zag掃描后，把二維量化系數(shù)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)據(jù)序列，以便進行熵編碼這種低頻在前高頻在后Zig-Zag掃描的排列方式也稱帶狀編碼，因為它和頻帶由低到高呈帶狀一致。這和量化步長逐步提高的方式一致，所以也稱門限系數(shù)排列方式對于直流分量DC進行差分脈沖編碼2/4/202312信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)3.熵編碼器熵編碼也稱無損編碼或無誤差編碼。熵編碼分為兩個步驟，其一為中間熵編碼，其二是可變長度熵編碼JPEG標(biāo)準(zhǔn)的DCT變換編碼、解碼過程及熵編碼的具體操作方法請見附錄2/4/202313信息工程系5.4JPEG標(biāo)準(zhǔn)4.數(shù)據(jù)交換格式2/4/202314信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1目標(biāo)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低帶寬條件下，提供盡可能高的圖像質(zhì)量（包括音頻，以下所指圖像均包括音頻）。針對CD-ROM、光盤的視頻存儲和放像所制定的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)VCD使用MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)，圖像尺寸為352×288，標(biāo)準(zhǔn)速率為1.2Mbit/sMPEG是活動圖像專家組(MovingPictureExpertGroup)的英文縮寫，MPEG的任務(wù)是開發(fā)活動圖像及其聲音的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)，成立于1988年。它是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)聯(lián)合技術(shù)委員會l(JTCl)的第29分委員會(S29)的第ll工作組(WGll)，其全稱是WGllofSI29ofISO／IECJTCl2/4/202315信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)ISO的活動圖像專家組(MPEG)在1991年11月提出了ISO11172標(biāo)準(zhǔn)的建議草案，通稱MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)予1992年l1月被通過，l993年8月公布2/4/202316信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)1.MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容ISO/IEC11172包括三大部分:ISO/IEC11172-1第一部分系統(tǒng)ISO/IEC11172-2第二部分視頻ISO/IEC11172-3第三部分音頻MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)可以處理各種類型的活動圖像，其基本算法對于壓縮水平方向352個像素、豎直方向288個像素的空間分辨力，每秒24/25/30幅畫面的運動圖像有很好的效果在MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)中的一幀圖像的概念不同于電視中幀的概念，前者一定是逐行掃描的圖像，如果待處理信號是隔行掃描的圖像，則編碼前必須將其轉(zhuǎn)換成逐行掃描的格式2/4/202317信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列技術(shù)以獲得高壓縮比對色差信號進行亞采樣，減少數(shù)據(jù)量采用運動補償技術(shù)減少幀間冗余度做二維DCT變換去除空間相關(guān)性對DCT系數(shù)進行量化，舍去不重要的信息，將量化后的DCT系數(shù)按照頻率重新排序?qū)CT系數(shù)進行變字長熵保持編碼對每數(shù)據(jù)塊的直流分量(DC)進行預(yù)測差分編碼2/4/202318信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)在MPEG-l標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到壓縮比和隨機存取這對矛盾，一共定義了四種圖像類型：I幀圖像：幀內(nèi)幀圖像，采用幀內(nèi)編碼，不參照其他圖像P幀圖像：預(yù)測幀圖像，參照前一幅I幀或P幀圖像做運動補償編碼B幀圖像：雙向預(yù)測幀圖像，參照前一幅和后一幅I幀或P幀圖像做雙向運動補償編碼D類圖像：直流(DC)圖像，這類圖像中只含直流分量，是為快放功能而設(shè)計的2/4/202319信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)幀內(nèi)圖像I的壓縮編碼算法框圖2/4/202320信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測圖像P的壓縮編碼算法框圖2/4/202321信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)雙向預(yù)測圖像B的壓縮編碼算法框圖2/4/202322信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)I幀、P幀和B幀圖像的依賴關(guān)系2/4/202323信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)圖像的顯示順序和編碼順序顯示順序：編碼順序：2/4/202324信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)I幀、P幀、B幀的數(shù)據(jù)字節(jié)和壓縮比2/4/202325信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)編解碼延時問題由于編碼順序和顯示順序之間的差異,帶來編、解碼總延時達0.8～1秒時間這種延時對廣播性質(zhì)的圖像傳輸不會帶來任何影響，因為用戶并不能發(fā)現(xiàn)發(fā)射端與接收端信號起始時間的差異對于交互性質(zhì)的圖像傳輸，例如，數(shù)字會議電視則帶來十分不便。因為甲方圖像傳至乙方經(jīng)編碼、解碼要延時0.8～1秒時間;乙方圖像傳至甲方經(jīng)編碼、解碼也要延時0.8～1秒時間,這樣，如果甲對乙提一個問題，則1.8～2秒以后才能得到回答2/4/202326信息工程系5.5MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)解決編解碼延時過長問題減少B幀使兩個I幀之間的幀數(shù)減少，則編、解碼總延時下降，甚至可以把B幀、P幀全部取消，這樣，可以得到0延時。這種方式也稱M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此時的壓縮比降到了5