數(shù)字電視原理

數(shù)字電視原理第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

數(shù)字視頻壓縮及傳輸技術(shù)簡(jiǎn)介

第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日簡(jiǎn)介模擬視頻信號(hào)為什么用數(shù)字視頻視頻信號(hào)的數(shù)字化為什么要壓縮數(shù)字視頻信號(hào)，怎么壓縮數(shù)字電視壓縮及傳輸標(biāo)準(zhǔn)：MPEG-2/DVB數(shù)字電視的傳輸，機(jī)頂盒怎樣解碼第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬電視信號(hào)的產(chǎn)生電視是利用光電和電光轉(zhuǎn)換原理，將光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，然后再還原為光圖象的一門(mén)技術(shù)。整個(gè)電視系統(tǒng)主要由成像、電視信號(hào)的形成、信號(hào)處理、傳輸系統(tǒng)、電視信號(hào)接收與顯示等部分組成。第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬電視光柵掃描注1：PAL制式有625行(每場(chǎng)312.5行)，但在電視機(jī)上只顯示575行。上面44行和下面6行是消隱行(VBI)。注2：對(duì)每行進(jìn)行掃描時(shí)，攝像機(jī)同時(shí)有3個(gè)輸出信號(hào)。PAL制式里這3個(gè)信號(hào)分別是：亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)U和色差信號(hào)V。第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日電視制式電視圖像的質(zhì)量受以下因素的影響：清晰度：掃描行數(shù)越多，縱向分辨率就越高。掃描槍反應(yīng)越快，水平分辨率就越高。閃耀：每秒鐘至少需有24幀，否則看起來(lái)閃耀。顏色處理：人眼對(duì)顏色變化不太敏感，但對(duì)顏色失真很敏感。世界上有三個(gè)主要彩色電視制式：NTSC制式主要在北美、日本、臺(tái)灣使用。PAL制式主要在歐洲大部分地區(qū)、中國(guó)等地使用。SECAM制式主要在法國(guó)、俄羅斯、東歐使用。第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬視頻信號(hào)的基本參數(shù)

第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日為什么用數(shù)字視頻多次復(fù)制、編輯和中繼后不會(huì)產(chǎn)生噪聲積累，仍與原節(jié)目的數(shù)字化圖像一樣(無(wú)損耗)?？梢杂糜?jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)編輯、處理和傳輸圖像。有利于不同電視制式的相互轉(zhuǎn)換。有利于實(shí)現(xiàn)視音頻及數(shù)據(jù)在多媒體平臺(tái)上的匯集。節(jié)目存入數(shù)字電視服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)后，可靈活控制節(jié)目播出和內(nèi)容檢索?？衫脭?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)壓縮技術(shù)，降低數(shù)碼率和存儲(chǔ)空間。一個(gè)模擬電視頻道里可傳輸6至10套節(jié)目?？墒褂酶鞣N通信線路和網(wǎng)絡(luò)，提供多種新業(yè)務(wù)。易于實(shí)現(xiàn)加密和保密通信。第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化(1)電視信號(hào)的數(shù)字化有兩步，抽樣(sampling)和量化(quantization)：(1)對(duì)掃描信號(hào)幅度進(jìn)行等間隔抽樣，把連續(xù)信號(hào)變成離散(discrete)信號(hào)。(2)把每個(gè)抽樣的值用8比特(或10比特)位數(shù)表示。比特?cái)?shù)位越多，量化就越細(xì)，但是數(shù)據(jù)率也大。超過(guò)8比特，人眼幾乎看不出圖像質(zhì)量的改變。第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化(2)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)1982年制定了適合不同電視制式的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即ITU-R601規(guī)定的演播室用(廣播級(jí))分量電視信號(hào)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)每行水平掃描輸出進(jìn)行抽樣。每個(gè)抽樣點(diǎn)有3個(gè)分量：亮度分量(luminance)和兩個(gè)色差分量(chrominance)。在每行，對(duì)亮度分量的抽樣頻率為13.5MHz，對(duì)兩個(gè)色差分量的抽樣頻率分別為6.75MHz。625行50場(chǎng)制式(PAL和SECAM)：每行有864個(gè)亮度抽樣:[13.5兆抽樣/秒]/[(15625行/秒)]=864抽樣/行。525行60場(chǎng)制式(NTSC)：每行有858個(gè)亮度抽樣。第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日4:2:2和4:2:0抽樣方式

第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字視頻信號(hào)的比特率

第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日為什么壓縮數(shù)字視頻信號(hào)如果每個(gè)抽樣(sample)用10個(gè)比特(bit)來(lái)量化(quantize)，ITU-R601數(shù)字視頻信號(hào)的最高比特率為270Mbps： (13.5Msamples/s+6.75Msamples/s+6.75Msamples/s)*10bits/sample=27Msamples/s*10bits/s=270Mbp。根據(jù)ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)，每行只顯示720個(gè)抽樣，而且不顯示所有行(PAL顯示576行，NTSC顯示480行)，不需要傳輸所有抽樣。所以顯示區(qū)的比特率是207.36Mbps。如果傳輸4:2:0格式信號(hào)，顯示區(qū)比特率是155.52Mbps。除非能夠大幅度地壓縮這個(gè)數(shù)字化的視頻信號(hào)，一般傳輸方法根本無(wú)法傳輸這么大的數(shù)據(jù)率(每套電視節(jié)目大約150-200兆帶寬)，數(shù)字電視廣播也無(wú)法成為現(xiàn)實(shí)。第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日常見(jiàn)傳輸方式的帶寬

第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字視頻壓縮的目標(biāo)保留圖像中所有信息消除圖像中所有多余的信息用最節(jié)省比特的方法傳輸必須傳的信息最大限度地降低復(fù)雜性和成本第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日壓縮數(shù)字視頻基本思路消除電視圖像中多余信息時(shí)域冗余信息(time-domainredundancy)。相鄰圖像之間變化不大?？臻g域冗余信息(spatialredundancy)。在同一圖像中，相鄰像素(pixel)變化不大。利用人眼視覺(jué)特征對(duì)亮度變化的敏感度并不高對(duì)色度變化的靈敏度更低在物體邊緣和高亮度區(qū)域，對(duì)噪聲的靈敏度降低。第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)域(幀間)冗余信息(1)時(shí)域信息冗余：PAL制式每秒傳25幀圖像，兩幀相鄰圖像時(shí)間差距是0.04秒。在這么短時(shí)間里，圖像中大部分沒(méi)有變，是重復(fù)的。當(dāng)主持人坐在演播室里讀新聞，除非攝像機(jī)在動(dòng)或變焦距，否則演播室的固定背景不會(huì)變。在半秒鐘(12.5幀)之內(nèi)，主持人的姿態(tài)變化很少；除了頭部有變化，圖像其它部分變化很少。當(dāng)電視圖像背景變化不太大，即使圖像中有運(yùn)動(dòng)物體，仍有大量冗余信息。第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)域(幀間)冗余信息(2)沒(méi)有變的信息不需要重復(fù)傳。沒(méi)有必要以每秒25幀的速度重復(fù)傳輸圖像中沒(méi)有變的部分。變了再傳。圖像靜止或活動(dòng)很緩慢時(shí)，可以隔幀處理。用幀間壓縮除去時(shí)域里的冗余信息，比單純采用幀內(nèi)壓縮的效率要高10倍以上。在圖像中活動(dòng)緩慢區(qū)域，幀間壓縮方法效果好，但在快速活動(dòng)區(qū)域，幀間壓縮方法失真大，而幀內(nèi)壓縮方法性能比較好。第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)域(幀間)冗余信息(3)新信息信息右移了信息下移了只是氣球動(dòng)了只需傳輸圖像差別第一幀第二幀第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)域(幀間)冗余信息(4)如果攝像機(jī)跟蹤運(yùn)動(dòng)員，圖像中的變化會(huì)很大第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(1)空間信息冗余：在任何一幀圖像里，有很多像素與周圍很多其它像素相同。天空中如有一點(diǎn)是藍(lán)色，它附近一片也會(huì)是藍(lán)色。無(wú)需重復(fù)傳輸數(shù)值一樣的所有藍(lán)點(diǎn)，只需傳輸那一個(gè)藍(lán)點(diǎn)的數(shù)值和這個(gè)數(shù)值的分布范圍。圖像中亮度低于某一值可以不傳，因?yàn)槿搜劭床怀龊谏g的區(qū)別。第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(2)第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(3)第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日MPEG-2圖像種類I-圖像(Intra-codedPicture，幀內(nèi)編碼圖像)：空間域DCT壓縮，只利用本幀內(nèi)的信息。P-圖像(Predictive-codedPicture，預(yù)測(cè)編碼圖像)：從過(guò)去的一幀參考圖像，通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償所預(yù)測(cè)出的圖像。B-圖像(Bi-directionallypredictive-codedPicture，雙向預(yù)測(cè)編碼圖像)：從過(guò)去和將來(lái)的參考圖像，通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償所預(yù)測(cè)出的圖像。用過(guò)去的I-圖像獲得運(yùn)動(dòng)矢量和圖像差別FullImageI-PictureP-PictureB-PictureB-Picture用過(guò)去的I-圖像和將來(lái)的P-圖像獲得運(yùn)動(dòng)矢量和圖像差別第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D像組(GOP)和幀間編碼

IIBBPBBPBBPBBPBB前向預(yù)測(cè)雙向預(yù)測(cè)前向預(yù)測(cè)時(shí)間例GOP:N=15M=3第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日MPEG-2和DVB數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(傳輸流內(nèi)容要求、傳輸、接收)視頻(圖像格式、視頻碼流內(nèi)容要求、解碼)音頻(音頻信號(hào)的編碼、碼流內(nèi)容要求、解碼)TS流中的其它信息PSI/SI表第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字電視信號(hào)傳輸系統(tǒng)：傳輸流的產(chǎn)生第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日傳輸流(TS流)里有什么視頻節(jié)目(多個(gè))電視節(jié)目的伴音(有些節(jié)目有多個(gè)伴音)數(shù)據(jù)廣播，如圖文電視數(shù)據(jù)、IP廣播數(shù)據(jù)電子菜單數(shù)據(jù)等條件接收系統(tǒng)的授權(quán)管理和控制信息MPEG/DVB規(guī)定的表格第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生(方框圖)

第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生數(shù)字化和量化(digitizeandquantize)模擬視頻音頻源壓縮數(shù)字視頻和音頻信號(hào)，產(chǎn)生視頻基本碼流(elementarystream,ES)和音頻基本碼流把視頻和音頻基本流打成分組的基本流(packetizedelementarystream,PES)把控制管理信息、電子菜單、數(shù)據(jù)廣播信息以及其它數(shù)據(jù)信息達(dá)成分組的基本流把PES碼流打包成傳輸流分組(transportstreampackets)，然后將所有包復(fù)用成一個(gè)傳輸流(transportstream,TS)TS流中含有多種信息，這些信息全部分布在各個(gè)小分組包里。PID(packetidentification，分組識(shí)別號(hào))是識(shí)別各種信息的最重要工具。第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生PES(可變長(zhǎng)度)含有關(guān)基本流的信息，共解碼時(shí)使用。TS(固定長(zhǎng)度188bytes)含有關(guān)傳輸和解復(fù)用所需信息。分組長(zhǎng)度適合實(shí)際傳輸信道。TS流中最重要的信息之一是分組識(shí)別號(hào)(packetidentification,PID)第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DVB服務(wù)傳送模型第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(1)機(jī)頂盒接收到的傳輸流里復(fù)用了眾多節(jié)目和各種信息。這些信息并不一定是按順序依次送到機(jī)頂盒的。當(dāng)用戶在機(jī)頂盒遙控器上選了一個(gè)節(jié)目，機(jī)頂盒需要知道調(diào)到哪個(gè)頻率；哪個(gè)節(jié)目能看，哪個(gè)節(jié)目不能看；到哪找能看的節(jié)目的碼流；如果節(jié)目被加密了，怎么找到解密鑰匙。機(jī)頂盒怎樣從一個(gè)傳輸流里千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)分組包當(dāng)中找到用戶想看得節(jié)目呢？答案：靠PID和PSI/SI表。第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(2)為了協(xié)助機(jī)頂盒在傳輸流中瀏覽，MPEG和DVB在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一些信息表。沒(méi)有這些信息表指路，機(jī)頂盒就迷失方向，什么都找不到。MPEG-2規(guī)定了三個(gè)主要表(PAT，PMT，CAT)，統(tǒng)稱PSI表(programspecificinformation，節(jié)目信息表)。PAT表提供每個(gè)節(jié)目的PMT表PMT表提供節(jié)目的基本流(視頻流、音頻流、數(shù)據(jù)流等)PSI各表里的信息只與本傳輸流內(nèi)的節(jié)目及服務(wù)有關(guān)DVB又補(bǔ)加了一些表(NIT，BAT，SDT，EIT，RST，TOT，ST)，統(tǒng)稱SI表(serviceinformation，服務(wù)信息表)。SI表向機(jī)頂盒提供有關(guān)其它其它流或其它網(wǎng)絡(luò)的信息。第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(3)第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日PAT節(jié)目關(guān)聯(lián)表(programassociationtable)第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日PMT節(jié)目映射表(programmaptable)第三十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日CAT有條件接收表(conditionalaccesstable)第三十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)頂盒怎樣解碼接收、解調(diào)搜索PSI/SI表(解密)找節(jié)目流解碼顯示第三十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)頂盒解碼過(guò)程機(jī)頂盒首先找到所用PID=0的分組，用它們重建PAT表。根據(jù)用戶所選的節(jié)目號(hào)，機(jī)頂盒從PAT表找到所選節(jié)目的PMT表的位置(即PID)。機(jī)頂盒用這個(gè)PID找到所有PMT的分組，重建PMT表。PMT表含視頻碼流包的PID，音頻碼流包的PID，以及各個(gè)數(shù)據(jù)碼流包的PID。根據(jù)從PMT找到的PID，機(jī)頂盒找到所有視頻、音頻和數(shù)據(jù)分組；重建視頻ES流、音頻ES流和數(shù)據(jù)流。機(jī)頂盒對(duì)音頻視頻基本