數(shù)字電視基礎(chǔ)知識

數(shù)字電視體系及有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)

唐明光電子科技大學(xué)5.18,2006內(nèi)容安排一、數(shù)字電視基本概念二、數(shù)字電視系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)三、數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)四、有線數(shù)字電視技術(shù)基礎(chǔ)五、信源編碼技術(shù)--壓縮編碼技術(shù)六、信道編碼和調(diào)制七、有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)八、條件接收（CA）系統(tǒng)九、有線電視傳輸系統(tǒng)對數(shù)字電視信號質(zhì)量的影響十、機頂盒的應(yīng)用要求十一、數(shù)字電視參數(shù)的測量

1.什么是數(shù)字電視

數(shù)字電視是一個系統(tǒng)。它指一個從節(jié)目攝制、制作、編輯、存儲、發(fā)送、傳輸，到信號接收、處理、顯示等全過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。一、數(shù)字電視基本概念2.數(shù)字電視實現(xiàn)的意義

數(shù)字電視系統(tǒng)建成后將成為一個數(shù)字信號傳輸平臺：它使整個廣播電視節(jié)目制作和傳輸質(zhì)量顯著改善信道資源利用率大大提高提供其他增值業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)廣播，視頻點播，電子商務(wù)，軟件下載，電視購物，……

為“三網(wǎng)融合”提供了技術(shù)上的可能性。

3.數(shù)字電視分類

HDTV：圖像分辨率1920×1080（16：9）

SDTV：圖像分辨率720×576（PAL）

720×480（NTSC）

LDTV：VCD級圖像分辨率4.數(shù)字電視的優(yōu)點

數(shù)字傳輸，信號質(zhì)量高彩色逼真

可實現(xiàn)不同分辨率等級接收（HDTV，SDTV）可移動接收，無重影增加節(jié)目頻道

應(yīng)實現(xiàn)加解密和加解擾，便于展開CA業(yè)務(wù)

準(zhǔn)交互和交互

其它增值業(yè)務(wù)二.數(shù)字電視系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)1、系統(tǒng)組成

從橫向看：（硬件系統(tǒng)）節(jié)目制作數(shù)字信號處理傳輸接收顯示從縱向看：（軟件系統(tǒng)）物理層傳輸協(xié)議中間件標(biāo)準(zhǔn)信息表示信息使用內(nèi)容保護?

節(jié)目制作設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字錄像機、數(shù)字特技機、數(shù)字編輯機、數(shù)字字幕機、非線性編輯系統(tǒng)數(shù)字處理設(shè)備及技術(shù)：壓縮編/解碼設(shè)備及技術(shù)、數(shù)據(jù)加/解擾設(shè)備及技術(shù)、加/解密設(shè)備及技術(shù)信號傳輸：地面、有線、衛(wèi)星接收設(shè)備：數(shù)字電視接收機（衛(wèi)星、有線）顯示：CRT、LCD、PDP、投影顯示等2.關(guān)鍵技術(shù)1)信源編碼技術(shù)

視頻壓縮編碼——MPEG-2

音頻壓縮編碼——MPEG-2（歐洲、日本）

AC-3(美國)

我國標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T17975.2—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號的通用編碼規(guī)范第2部分：視頻”

GB/T17975.3—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號的通用編碼規(guī)范第３部分：音頻”2)傳輸復(fù)用技術(shù)

數(shù)據(jù)打包：N個信道的視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分組傳輸流復(fù)用：將N個打包的數(shù)據(jù)復(fù)合成單路串行傳輸流標(biāo)準(zhǔn)：國際MPEG-2

我國GB/T17975.1—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號通用編碼第1部分：系統(tǒng)”

傳送復(fù)用使電視信號具有與數(shù)據(jù)通信相似的數(shù)據(jù)分組（打包）傳輸，從而使數(shù)字電視系統(tǒng)具備了可擴展、分級和交互通信的基礎(chǔ)。3)信道編碼和調(diào)制

經(jīng)信源編碼的傳輸碼流通常不適合在傳輸信道（無線、有線、衛(wèi)星）中傳輸，必須經(jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定的信道中傳輸?shù)男问健Ｔ谕ㄐ旁碇邪堰@種處理稱為信道編碼和調(diào)制。信道編碼包括：糾錯編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等。信道編碼目的：提高傳輸信號在信道中的抗干擾能力標(biāo)準(zhǔn)：GY/T170—2001“有線數(shù)字電視廣播系統(tǒng)信道編碼與調(diào)制規(guī)范”4)有條件接收（CA）CA只允許已付費的授權(quán)用戶使用某一業(yè)務(wù)，未經(jīng)授權(quán)的用戶不能使用這一業(yè)務(wù)。CA涉及技術(shù)：前端的加密和加擾技術(shù)接收端的對用戶尋址控制和授權(quán)解擾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GY/Z175-2001“數(shù)字電視廣播條件接收系統(tǒng)規(guī)范”5)軟件平臺——中間件機頂盒中硬件功能：接收RF信號、信道解碼、解調(diào)。MPEG-2碼流解碼，模擬視/音頻輸出。機頂盒中軟件功能：電視節(jié)目內(nèi)容顯示、EPG節(jié)目信息、操作界面的實現(xiàn)等。中間件：是一種將應(yīng)用程序與底層的實時操作系統(tǒng)及硬實現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，支持跨硬件平臺和跨操作系統(tǒng)的軟件運行，使應(yīng)用不依賴于特定的硬件平臺和操作系統(tǒng)。中間件構(gòu)成：Java虛擬機、JavaScript虛擬機、HTML虛擬機等。

三.數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)1.國際：三大標(biāo)準(zhǔn)

DVB-S

歐洲：DVB（數(shù)字視頻廣播）DVB-TDVB-C

美國：ATSC（高級電視制式）日本：ISDB（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播）2.中國：數(shù)字電視演播室參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)

GY/T170-2001有線數(shù)字電視廣播信道編碼與調(diào)制規(guī)范

GY/T106-1999有線電視廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

GY/Z174-2001數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)信息規(guī)范

GY/Z175-2001數(shù)字電視廣播條件接收系統(tǒng)規(guī)范

GY/T148-2000衛(wèi)星數(shù)字電視接收機技術(shù)要求

GY/T158-2000演播室數(shù)字音頻信號接口

GY/T160-2000數(shù)字分量演播室接口中的附屬數(shù)據(jù)信號格式

GY/T161-2000數(shù)字電視附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)數(shù)字音頻和輔助數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)范

GY/T163-2000數(shù)字電視附屬數(shù)據(jù)空間內(nèi)時間碼和控制碼的傳輸格式

GY/T164-2000演播室串行數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)

GY/T167-2000數(shù)字分量演播室的同步基準(zhǔn)信號

GY/T180-2001HFC網(wǎng)絡(luò)上行傳輸物理通道技術(shù)規(guī)范

GB/T16694-1996智能卡接口規(guī)范

GB/T17975.1-2000信息技術(shù)運動圖像及其伴音信號的通用編碼第1部分系統(tǒng)

GB/T17975.2-2000信息技術(shù)運動圖像及其伴音信號的通用編碼第2部分視頻

GB/T17975.3-2000信息技術(shù)運動圖像及其伴音信號的通用編碼第3部分音頻

GB/T17881-1999廣播電視光纜干線同步數(shù)字體系(SDH)傳輸接口技術(shù)規(guī)范

GB/T17953-20004：2：2數(shù)字分量圖像信號接口

ISO7816智能卡接口規(guī)范符合2003年4月1日國家廣電總局科技司發(fā)行的

《有線數(shù)字電視暫行技術(shù)要求文件匯編》《用戶管理系統(tǒng)監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)交換接口要求》(暫行)《運動圖像及其伴音信號的通用編碼系統(tǒng)、視頻和音頻部分的實施指南》(暫行)《有線數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)應(yīng)用指南》(暫行)《有線數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)信息應(yīng)用指南》(暫行)〈有線數(shù)字電視電子節(jié)目指南指導(dǎo)性意見〉(暫行)〈有線數(shù)字電視中間件指導(dǎo)性意見〉(暫行)〈有線數(shù)字電視機頂盒和遙控器功能實施指導(dǎo)性意見〉(暫行)〈節(jié)目訂購單和用戶結(jié)賬單格式基本要求〉(暫行)〈有線數(shù)字電視廣播條件接收系統(tǒng)入網(wǎng)技術(shù)要求和評測方法〉(暫行)〈有線數(shù)字電視廣播用戶管理系統(tǒng)入網(wǎng)技術(shù)要求和評測方法〉(暫行)EN300429DVB系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制(DVB-C)EN300428DVB系統(tǒng)中服務(wù)信息(SI)規(guī)范(DVB-SI)ETR211DVB服務(wù)信息(SI)的使用和執(zhí)行指南(DVB-SI)EN300472DVB的比特流中傳送圖文信息和規(guī)范(DVB-TXT)EN301192數(shù)據(jù)廣播的DVB規(guī)范(DVB-DATA)EN50083-9CATV/SMATV前端和DVB/MPEG-2傳輸流同類專業(yè)設(shè)備和接口(DVB-PI)

EN50221關(guān)于條件接收和其它DVB解碼器運營的通用接口規(guī)范(DVB-CI)TS102201DVBIRD的接口技術(shù)規(guī)范(DBVB-IRD)TS101197DVB系統(tǒng)中同時加密(simulcrypt)的技術(shù)規(guī)范(DVB-SIM)TS103197.V1.1.1同密接口

ETR289通用加擾系統(tǒng)描述(DVB-CS)ETR154MPEG-2系統(tǒng)、視頻和音頻在衛(wèi)星、有線和地面廣播應(yīng)用中的實現(xiàn)指南(DVB-MPEG)ETS300743DVB字幕系統(tǒng)(DVB-SUB)ETS300802DVB交互服務(wù)獨立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(DVB-NIP)ETS/EN300429DVB系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制(DVB-C)

四.有線數(shù)字電視技術(shù)基礎(chǔ)

1.有線數(shù)字電視信號傳輸?shù)燃壖皞鬏斚到y(tǒng)模式

1）傳輸?shù)燃?/p>

LDTV，SDTV，HDTV

2)傳輸系統(tǒng)模式

電纜傳輸——PCM方式光纖傳輸——SDH方式光纖—同軸混合傳輸——HFC數(shù)字調(diào)制方式

2．有線數(shù)字電視的主流標(biāo)準(zhǔn)與方式

1)標(biāo)準(zhǔn)：DVB-C

ATSC-16VSB，ATSC-64QAMISDB-C

2)四種方式：

DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C傳送方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM頻帶寬度8MHz6MHz6MHz6MHz傳輸速率31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s接收滾降15%15%11.5%18%糾錯率RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188)壓縮方式MPEG-23．?dāng)?shù)字電視信號的產(chǎn)生

直接產(chǎn)生：字幕機，數(shù)字?jǐn)z像機等轉(zhuǎn)換生產(chǎn)：電影膠片——電視電影機

模擬-數(shù)字（A/D轉(zhuǎn)換）——信號數(shù)字化1)信號數(shù)字化過程

取樣：取樣頻率，Nyquist定理連續(xù)信號變換成離散信號

量化：將離散信號樣值進行離散化處理離散化的量化級量化噪聲

編碼：量化后的信號仍然只是離散信號，還不是數(shù)字信號。用

n比特二進制碼來表示已經(jīng)量化了的取樣值，稱為編碼。每個二進制數(shù)對應(yīng)一個量化電平，再按時序?qū)⑺鼈兣帕衅饋?，就得到基帶?shù)字信息流。

傳輸速率：傳輸速率=取樣頻率fs×量化比特數(shù)2）音頻信號的數(shù)字化

?取樣頻率：>40KHz。

常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。

?量化比特數(shù)：8bit，12bit，16bit。

?聲道：單聲道，雙聲道（立體聲）取樣頻率×量化比特數(shù)×聲道數(shù)

?數(shù)字音存儲量：（字節(jié)）

8bit例：CD標(biāo)準(zhǔn)取樣頻率44.1KHz，量化比特數(shù)16bit，立體聲，存儲一分鐘數(shù)字音樂的容量為10,584,000字節(jié)或84,672,000比特。3）視頻信號的數(shù)字化

編碼方式：復(fù)合編碼——將彩色全電視信息直接編成PCM碼分量編碼——將亮度信號Y，色差信號R-Y和B-Y分別編碼或PCM碼

二者比較：“復(fù)合編碼”與電視制式有關(guān)“分量編碼”與電視制式無關(guān)在節(jié)目后期制作中：“復(fù)合”需解碼“分量”無需解碼傳輸時：“復(fù)合”由于頻分復(fù)用，產(chǎn)生亮，色串?dāng)_“分量”采用時分復(fù)用，無亮，色串?dāng)_

分量編碼取樣頻率

亮度信號取樣頻率：足夠小的混疊噪聲fs=（2.2～2.7）fmfm=5.8-6MHzfs≥12.76～13.2MHz

滿足行鎖相采樣fs=mfH,m為整數(shù)使525/652行兼容（525行/60場

625行/50場）要采用同一取樣頻率在13.2MHz附近，只有

13.5MHz=15625Hz×864(625/50)=15734.264Hz×858(525/60)

亮度信號取樣頻率取樣13.5MHz

色差信號取樣頻率：

需要滿足與亮度信號同樣的三個要求

取為fS=6.75MHz

分量編碼取樣頻率的組合，適應(yīng)不同圖像質(zhì)量要求

Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：13.5MHz：13.5MHz=4：4：4

Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz=4：2：2

（演播室圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）

Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz=4：1：1（4：2：0）

4：4：4，4：2：2和4：2：0三種是可以相互兼容，相互轉(zhuǎn)換的由高檔轉(zhuǎn)為低檔，樣點數(shù)減少，稱為數(shù)字信號的抽去；反之稱為數(shù)字信號的內(nèi)插。

4：4：44：2：24：2：0視頻取樣示例4：2：24：2：04：4：4

像素：在理想情況下可用“1份亮度+2份彩色差的樣品”來描述：

表示1份亮度樣品(Y)重合的亮度、色度樣品表示2個色度樣品(R-Y，B-Y)4為13.5MHz、2為6.75MHz和1為3.75MHz的取樣頻率4）量化比特數(shù)和量化級

量化比特：

Y，B-Y，R-Y都采用8bit均勻量化未經(jīng)γ較正的信號采用10bit均勻量化

量化級：亮度信號8bit，256個量化級，0-255

為防止過載上端留20級下端留16級量化級16表示黑電平量化級235表示白電平

5）ITU-R601建議編碼主要參數(shù)（4：4：4格式）

參數(shù)625行50場/s制式525行60場/s制式

1，編碼信號經(jīng)過γ校正的信號EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB2，各信號的全行樣點數(shù)8648583，取樣結(jié)構(gòu)正交，按場，行，幀重復(fù)，并與此4：2：2標(biāo)準(zhǔn)的亮度樣點重合

4，每種信號的取樣頻率13.5MHz5，編碼方式每樣值至少8比特均勻量化PCM6，用樣點表示的數(shù)字有效行長度至少7207，視頻信號電平每樣值共220量化級，黑電平對應(yīng)于第16量化級；

8比特的最高有效位峰值白電平相應(yīng)于第235量化級（MSB）量化級之間的在量化等級中部共分224級，零電平對應(yīng)128級對應(yīng)值（范圍：0—255）

ITU-R601建議演播室分量編碼主要參數(shù)(4∶2∶2格式)

參

數(shù)

625行50場/s制式

525行60場/s制式1、編碼信號Y、R-Y、B-Y2、全行樣點數(shù)

亮度信號(Y)864858

每個色差信號(R-Y、B-Y)432429

3、取樣結(jié)構(gòu)正交，場、行、幀重復(fù)，R-Y和B-Y的樣點同位，并和每行第奇數(shù)個(1，3，5...)Y樣點同位4、取樣頻率

亮度信號13.5MHz

每個色差信號6.75MHz5、編碼方式線性PCM、8比特量化/每個取樣值6、每數(shù)字有效行數(shù)樣點數(shù)

亮度信號720

每個色差信號3607、視頻信號電平與量化級間的對應(yīng)值

亮度信號

每個色差信號

共22個量化級，黑電平對應(yīng)量化級16；峰值白電平對應(yīng)量化級235

在量化等級中間部，共分224級，零電平對應(yīng)于128級

數(shù)字電視信號的碼率1）標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視（SDTV）：在ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)中，采用10bit量化時，亮度信號的碼率為取樣頻率X量化比特數(shù)=13.5MHzX10bit=135Mbps2個色差信號的碼率為

2X6.75MHzX10bit=135Mbps

SDTV的總碼率為亮度信號碼率+2個色差信號碼率=135Mbps+135Mbps=270Mbps

2）高清晰度電視（HDTV）：在SMPTE274M數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，采用10bit量化時，亮度信號的碼率為取樣頻率X量化比特數(shù)=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2個色差信號的碼率為

2X37.125MHzX10bit=742.5Mbps

HDTV的總碼率為亮度信號碼率+2個色差信號碼率=742.5Mbps+742.5Mbps=1485Mbps數(shù)字電視信號的有效碼率

有效碼率（視頻有效碼率）：

1）標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率

是指在單位時間內(nèi)與視頻信號有關(guān)的數(shù)據(jù)量。因為在電視信號的水平和垂直消隱期間內(nèi)沒有視頻信號，所以有效碼率一般只是碼率的60%--80%。

在ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)中，8bit量化時，

NTSC（480/60i）亮度信號的有效碼率為：每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻

=720X480X8X30=82.944Mbps2個色差信號的有效碼率為：

2X360X480X8X30=82.944Mbps

總有效碼率為：亮度信號有效碼率+2個色差信號有效碼率

=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（480/60i）

PAL（576/50i）亮度信號的有效碼率為：每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻

=720X576X8X25=82.944Mbps2個色差信號的有效碼率為：

2X360X576X8X25=82.944Mbps

總有效碼率為：亮度信號有效碼率+2個色差信號有效碼率

=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（576/50i）

2）高清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率

在SMPTE274M數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，采用8bits量化時1080/60i信號格式量度信號的有效碼率為每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻

=1920X1080X8X30=497.664Mbps2個色差信號的有效碼率為

2X960X1080X8X30=497.664Mbps

總有效碼率為

2X497.664=995.328Mbps（1080/60i）

1080/50i信號格式的有效碼率為

1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i）

數(shù)字電視技術(shù)中電視系統(tǒng)的表示方法示例1080/60i：1080表示每幀有效掃描行數(shù)，

60表示幀頻或場頻，

i表示隔行掃描。

720/50P：720表示每幀有效掃描行數(shù)，

50表示幀頻或場頻，

P表示逐行掃描。

NTSC制可表示為：480/60iPAL制可表示為：576/50i1080/60i還可表示為：1080/60/2：1720/50P還可表示為：720/50/1：11080/60i還可表示為：1080@60i720/50P還可表示為：720@50P五.信源編碼技術(shù)—壓縮編碼技術(shù)1．?dāng)?shù)字視頻壓縮的必要性

HDTV1920×1080顯示格式數(shù)字化后傳輸速率995Mb/SSDTV復(fù)合編碼135Mb/S

分量編碼4：2：2216Mb/S

存儲：2小時HDTV，存儲量7164Gbit/S2小時SDTV，存儲量972Gbit/S復(fù)合編碼

1555Gbit/S分量編碼傳輸：HDTV需1Gb/S信道

SDTV需1～2個155Mb/S信道無論對于存儲或傳輸，碼率壓縮都是絕對必要的。

2．壓縮編碼方法

1)利用圖象時間的相關(guān)性與時間冗余度的壓縮電視圖象中相繼各幀對應(yīng)象素點的值往往相近或相同，具有時間相關(guān)性，找出這些相關(guān)性就可以減小信息量，從而實現(xiàn)與時間有關(guān)的壓縮。

2)利用圖象空間的相關(guān)性與空間冗余度的壓縮一幅圖象相鄰各點的取值往往相近或相同，具有空間相關(guān)性，找出這些相關(guān)性就可以減少信息量，從而實現(xiàn)與空間有關(guān)的壓縮。

3)利用事件的統(tǒng)計特性與統(tǒng)計冗余度的壓縮

對經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用短碼組表，對不經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用長碼組表示，則最終用于表示這一串?dāng)?shù)據(jù)的總碼位就減少了。從而實現(xiàn)與統(tǒng)計冗余有關(guān)的壓縮。

4)利用人眼的視覺特性與視覺冗余度的壓縮人眼的視覺特性：對亮度信號比對色度信號敏感對低頻信號比對高頻信號敏感對靜止圖象比對運動圖象敏感對圖象中水平和垂直線條比對斜線條敏感包含在色度信號、圖象高頻信號和運動圖象中的一些數(shù)據(jù)并不能對增加圖象相對于人眼清晰度作出貢獻，而被認(rèn)為是多余的數(shù)據(jù)，這就是視覺冗余度。壓縮視覺冗余度就是去掉那些相對人眼而言是看不到的或可有可無的圖象數(shù)據(jù)。3．基本的圖象壓縮編碼技術(shù)

1)分類

冗余度壓縮技術(shù)，無損傷壓縮技術(shù)，無失真，數(shù)學(xué)上可逆。即它是可還原的。

信息量壓縮技術(shù)，有損傷壓縮技術(shù)，有失真，數(shù)學(xué)上不可逆。即它是不可還原的。2)圖象壓縮技術(shù)優(yōu)劣評估條件

信息壓縮比：壓縮前后所需的信息存儲量之比

重現(xiàn)圖象精度：重現(xiàn)的圖象與原圖象相比有多大失真

執(zhí)行速度：壓縮算法要多少時間完成

壓縮比增大，圖象損傷程度也隨之加大。

電視節(jié)目制作：壓縮比2：1至8：1Sony數(shù)字Betacam

錄象機2.37：1

模擬分量錄象機Betacam–SP8：1VCD母盤，壓縮比12：1

采用幀內(nèi)壓縮方式，JPEG標(biāo)準(zhǔn)。電視廣播：壓縮比15：1～20：1

采用幀間預(yù)測編碼，MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)有線數(shù)字電視壓縮比可加大至30：1，

MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)3)基本壓縮編碼方法預(yù)測編碼（DPCM）——差分脈沖編碼調(diào)制

DPCM不直接傳送圖象樣值本身，而是對實際樣值與它的一個預(yù)測值之間的差值進行再次量化、編碼。

這種方法可消除圖象信號的空間相關(guān)冗余幀內(nèi)預(yù)測）和時間相關(guān)冗余（幀間預(yù)測）。利用象素的相關(guān)性還可進一步減小差值。

DPCM系統(tǒng)原理圖

DPCM系統(tǒng)原理框圖+量化器編碼器預(yù)測器+解碼器預(yù)測器信道+輸入XN輸出X'NeN

e’N+-X'NE’N++++X''N

(X''N

：是通過預(yù)測公式從DPCM的輸入XN和已傳出去的幾個鄰近樣值計算出來的。)X''N

+

+

+

++

離散余弦變換（DCT）

DCT(DiscreteCosineTransform)是數(shù)碼率壓縮的一種常用的變換編碼方法。DCT是先將整體圖像分成N

N像素塊，然后對N

N像素塊逐一進行DCT變換。由于多數(shù)圖像高頻分量較少，相應(yīng)圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加之人眼對高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率，要大大小于傳送像素所用的數(shù)碼率。到達(dá)接收端后通過反離散余弦變換回到樣值。雖有失真，但人眼是可以接受的。DCT系數(shù)Y0：(0~2407)Y1-7：(-1024~1023××××××××+y0y1y2y3y4y5y6y7恢復(fù)成的圖像信號(0~255)DCT系數(shù)Y0、Y1-7

與各像元信號相乘后恢復(fù)原圖像信號

水平一行數(shù)據(jù)的變換示意圖F2.0F4.0F5.0原始圖像信號

(0~255)圖像信號分解為各種余弦成分DCT基底直流成分低頻成分高頻成分F0.0F1.0F3.0F6.0F7.0

8910111412512611510596971151311471491351231131141341591781751641491371211431771962011891651501191411752012071861621441071301651891921711441259711914917117214511796891071361561551299775圖像信號采樣數(shù)據(jù)1152-32-185-72-1-22-32-1645-3-20-2-2

-1653217951-30-7-4022-1-12-20030021311-1-2020002-1-121-1031-121-20DCTDCT系數(shù)量化

281-8-46-10000-5-41100000-418421000-1-100000000000000000000000000000000000000“之”字讀出

(掃描)281，-8，-5，-41，-4，-46，-1，11，8，-1，0，-1，4，0，0，0，0，2，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0

編碼281，-8，-5，-41，-4，-46，-1，11，8，-1，1*0，-1，4，4*0，2，7*0，1，EOB

DCT變換實例

游程長度編碼（RunlengthEncoding）

是指一個碼可同時表示碼的值和前面有幾個零。在用之字形讀出方式情況下，出現(xiàn)連零的機會較多，尤其在最后，如果都是零，在讀到最后一個數(shù)后只要給出“塊結(jié)束”（EOB）碼，就可以結(jié)束輸出，從而節(jié)省很多碼率。通常，DCT系數(shù)量化之后，都采用之字形方式讀出?；舴蚵℉offman）編碼

霍夫曼(Hoffman)編碼(屬于統(tǒng)計編碼)是可變字長編碼(VLC:Variable-LengthCoding)的一種，相當(dāng)于對概率大的符號給短碼，對概率小的符號給長碼。

符號ABCDEFGH概率0.100.180.400.050.060.100.070.04碼01100110001001010000010000011C0.400.400.400.400.400.400.60B0.180.180.180.190.230.370.40A0.100.100.130.180.190.23F0.100.100.100.130.18G0.070.090.100.10E0.060.070.09D0.050.06H0.041.00

霍夫曼編碼4．視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)

1）H.261標(biāo)準(zhǔn)

1980年CCITT通過為國際標(biāo)準(zhǔn)

用于可視電話，P×64Kb/S，P=1～30可變，（64～1920)Kb/S

用于會議電視，P≥36

H.261(又稱P

64)是最早的一個碼率壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

2）JPEG標(biāo)準(zhǔn)

1986年提出，1992年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)。屬幀內(nèi)壓縮編碼方法，主要用于數(shù)字電視編錄設(shè)備（如非線性編輯系統(tǒng)）。

壓縮比：４～32

４～5.3接近原始圖象質(zhì)量

5.3～11圖象很好,滿足絕大多數(shù)應(yīng)用

11～16圖象好,滿足多數(shù)應(yīng)用

15～32圖象較好,滿足某些應(yīng)用3）MPEG–1標(biāo)準(zhǔn)

1988年提出，1992年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)典型應(yīng)用如VCD等家用數(shù)字音象產(chǎn)品。最高編碼速率1.8Mb/S

實現(xiàn)方法：DCT、運動補償和霍夫曼編碼

信源輸入格式為SIF（SourceInpntFormat），如為

CCIR–601格式的信源要轉(zhuǎn)換成SIF格式才能輸入

MPEG–1編碼器。

a）MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)于1992年出版，目標(biāo)是“對當(dāng)比特率為1.5Mb/s時，用于數(shù)字存儲媒體的動態(tài)圖像及其伴音的編碼”。它首先提出了流（Sequence）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使視頻數(shù)據(jù)的描述更加完善。

b）為了解決隨機訪問和高效壓縮的要求沖突，在MPEG-1中定義了四種主要的圖像類型：I幀、P幀、B幀和D圖像?！鳬幀只使用幀內(nèi)編碼，必須傳遞，▲P幀用于前向預(yù)測，▲B幀用于雙向預(yù)測，▲D圖像用于甚低頻圖像的瀏覽。

c）MPEG-1視頻壓縮中主要用到兩項基本技術(shù)：

1、基于16

16塊運動補償：適用于預(yù)測編碼和插補編碼，用于減少幀序列的時間冗余度；

2、基于變換域(DCT)的壓縮技術(shù)：用于減少空間冗余度。在MPEG-1中，DCT不僅用于幀內(nèi)壓縮，而且對幀間預(yù)測誤差，也可再作DCT變換，以達(dá)到進一步壓縮的目的。

MPEG-1中的幀內(nèi)編碼：像素點的DCT編碼與JPEG相似，先進行DCT變換，然后通過量化和零行程等混合編碼達(dá)到壓縮。但在系數(shù)量化階段，MPEG的量化器考慮到運動信息和視覺質(zhì)量提出了若干改進，如視覺權(quán)量化，即以視覺域值作為量化矩陣的步長；幀內(nèi)塊和非幀內(nèi)塊區(qū)別量化，對幀內(nèi)的宏塊和非幀內(nèi)塊采取兩種不同的量化器；可調(diào)整量化器，在塊與塊的基礎(chǔ)上對量化步長作自適應(yīng)調(diào)整。

d）MPEG-1中用到幀間編碼：視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都用到了運動補償技術(shù)(簡稱MC技術(shù))，一般為“簡單幀間預(yù)測+運動補償”框架。MC技術(shù)通常由以下幾個方面組成：

1、圖像分割：將視頻圖像分割成靜止和運動兩部分；

2、運動檢測和估值：檢測運動類型(平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等)，估計運動物體的位移值；

3、運動補償：用位移估值(即運動矢量)進行運動補償預(yù)測；

4、預(yù)測信息編碼：對預(yù)測信息進行編碼，作為邊信息傳送給接收端。

圖像分割（它是MC技術(shù)的基礎(chǔ)），采用了兩種方法：塊匹配法(BMA)和像素遞歸法(PRA)。

1、BMA是把圖像分成若干矩形子塊，適當(dāng)選擇子塊大小，把子塊分成靜止和運動兩類，估計出運動子塊的位移，進行預(yù)測編碼。

2、PRA則是對每個像素的位移進行遞歸估計,其精度相對來說較高，對多運動圖像適應(yīng)能力強，但跟綜能力較弱，且實現(xiàn)復(fù)雜。BMA雖精度較低，但位移跟綜能力較強，且實現(xiàn)簡單，很有實用性。

e）在MPEG-1中，幀間預(yù)測后宏塊被送入DCT變換，而運動矢量則用DPCM編碼，再經(jīng)VLC量化和霍夫曼編碼后完成壓縮過程。

4）MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)

1988年提出，1994年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)，是專門針對數(shù)字電視（包括SDTV和HDTV）的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG是運動圖像專家組(MovingPicturesExpertGroup)的縮寫，成立于1988年，以建立活動圖像及相應(yīng)音頻的編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2的主級和主類提供720×576(PAL)25幀的ITU–R601建議圖像質(zhì)量。在壓縮比為30∶1或更小時，MPEG-2可以提供廣播質(zhì)量的編碼圖像，MPEG-2也可工作在大壓縮比如200∶1下，效果與MPEG–1相差不大（即與MPEG-1兼容）。

a）

MPEG–2是一個系統(tǒng)，它的作用是：對音頻、視頻、數(shù)據(jù)、控制等基本比特流實現(xiàn)復(fù)用提供各種定時及初始化經(jīng)解碼器提供PSI（節(jié)目特定信息）支持有條件接收（CA），隨機接入，數(shù)字存儲和糾錯b）MPEG-2系統(tǒng)輸出兩個數(shù)碼流：

節(jié)目比特流PS，用于相對無誤差的環(huán)境

傳輸比特流TS，用于有噪聲媒質(zhì)

c）MPEG-2的類與級

1、MPEG-2有4種輸入格式，稱為級(Levels或等級)。從有限清晰度的VHS(家用錄像系統(tǒng))質(zhì)量圖像直到HDTV圖像，每一種輸入格式編碼后都有一個相應(yīng)的范圍。除了在源格式提供這種靈活性之外，MPEG-2還有不同的處理方法，稱為類(profiles或?qū)用?，每一類都包括壓縮和使用方法的一個集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。

2、MPEG–2共分６類，較高的類編碼更精細(xì)，而且每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具。

甲）簡單類(SP)

乙）主類(MP)

丙）信噪比可分級類SNRP

?。┛臻g可分級類SSP

戊）高級類(HP)

己）４：２：２格式在主類上的類是信噪比可分級類(SNRP)、空間可分級類(SSP)、高級類和4:2:2格式。這允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和另一個或更多的上層信號?；緦颖硎揪幋a圖像的基本數(shù)據(jù)但代表的圖像質(zhì)量較低。上層信號則可用來改進信噪比或清晰度。

d）圖像的4個級別：甲）低級(LL：LowLevel)的輸入格式的像素是ITU-R601格式的1/4，即352×240×30或352×288×25，相應(yīng)編碼最大輸出碼率為4Mb/s。

乙）主級(ML：Mainlevel)：輸入格式完全符合ITU-RRec.601格式，720×480×30或720×576×25，輸出最大碼率除高級類和4:2:2外是15Mb/s，高級類主級是20Mb/s，4:2:2是50Mb/s。

丙）高1440級(H14L：High–1440Level)：是每行1440有效像素的高清晰度格式。除高級類外，最大輸出碼率為60Mb/s，相應(yīng)的高級類輸出碼率為80Mb/s。

丁）高級(HL)：輸入是每行1920有效像素的高清晰度格式，輸出最大碼率為80Mb/s，相應(yīng)的高類輸出碼率為100Mb/s。

e）MPEG-2的類和級的組合如下圖(常用縮寫表示如MP@ML主類主級、MP@HL主類高級等)。MP@LL352

28830Hz4Mb/s，4Mb級

(Levels)高級(HIGH)1440高級(HIGH-1440)MP@HL1920

115260Hz80Mb/s，128MbMP@H14L1440

115260Hz60Mb/s，64MbSSP@H14L1440

115260Hz60Mb/s，128MbHP@H11440

115260Hz80Mb/s，128MbHP@HL1920

115260Hz100Mb/s，256MbHP@M352

28830Hz20Mb/s，32MbSP@ML720x57615Mb/s，8MbMP@ML720

57630Hz15Mb/s，16MbSNRP@LL352

28830Hz4Mb/s，8MbSNRP@MM720

57630Hz15Mb/s，30Mb主級(MAIN)低級(LOW)

MPEG-2的類和級簡單類信噪比可分級類主類(MAIN)高類(MAIN)(SIMPLE)（SNRSCL)空間可分級類（SPAＳＣＬ）類(Profiles)專業(yè)類(4:2:2)

720

60830Hz50Mb/s,16Mb在24個所選組合中有12個是獲準(zhǔn)通過的。圖中顯示了每種組合的最大分辨率(水平×垂直)、最大幀速、最高碼速和解碼器必須的緩存容量。

最廣泛采用的類和級是MP@ML和SP@ML。

4:2:2是對主類的修改，它用4:2:2色度格式代替了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中其它類所共用的4:2:0格式。由于色差數(shù)據(jù)量增加，故規(guī)定了比主類更高的數(shù)據(jù)率。4:2:2主要用于演播室設(shè)備，故又稱演播室類或?qū)I(yè)類。MPEG-2的色度格式除專業(yè)類外，都是4:2:0(或4:1:1)，圖像類型(除簡單類為I、P外)都是I、P、B。在所有MPEG-2實際實現(xiàn)中應(yīng)指明所選用的組合，由于MP@ML最普及，通常說MPEG-2，就意味著MP@ML。

f）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本碼流結(jié)構(gòu)

甲）MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)部分：它涉及將一個或多個圖像、聲音和其它數(shù)據(jù)的基本碼流組合成單一或多個碼流，使之便于存貯和傳輸。定義了一套系統(tǒng)指標(biāo)是為了把視頻、音頻壓縮過程結(jié)合在一起而設(shè)置的。系統(tǒng)層中的信息流通方式如下：首先，數(shù)據(jù)從視頻、音頻編碼器而來，稱為基本碼流(ES)，然后，ES被分別打包，形成兩個打包的基本碼流(PES)，

再后，PES被復(fù)接成一個節(jié)目碼流(PS)和一個傳輸碼流(TS)，附圖給出了MPEG-2系統(tǒng)的簡化總體結(jié)構(gòu)。

兩種比特流的區(qū)別：

節(jié)目碼流（PS）用于誤碼比較小的傳輸或存貯媒介，節(jié)目碼流可以是固定碼率也可以是可變碼率，其數(shù)值在系統(tǒng)時鐘參考(SCR)中定義，為本地應(yīng)用相對于無誤碼的環(huán)境設(shè)計；

傳輸碼流（TS）用于誤碼比較大的傳輸或存貯媒介，其碼率可以是固定的或不固定的，其數(shù)值在節(jié)目時鐘參考(PCR)中定義。它是為廣播應(yīng)用而設(shè)計，即TS是為易誤碼的環(huán)境和有較高比特差錯概率的噪聲媒質(zhì)設(shè)計的，那里往往需要把幾個信道集合成一束數(shù)據(jù)。TS用在廣播系統(tǒng)和長距離網(wǎng)絡(luò)中。在TS中可以包括多個節(jié)目。因此接收TS時首先要解復(fù)用。

PS和TS是各針對一類應(yīng)用而設(shè)計的。都以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)。PS的包長可變，通常較長；TS的包長固定為188字節(jié)，包頭4個字節(jié)，184個凈荷字節(jié)。并可與ATM適配。

MPEG-2系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)視頻PES音頻PES系統(tǒng)規(guī)定的擴展PS復(fù)用TS復(fù)用節(jié)目碼流PS傳送碼流TS打包器打包器視頻編碼視頻數(shù)據(jù)音頻數(shù)據(jù)音頻編碼視頻ES音頻ES

MPEG-2系統(tǒng)作用如下：

a）對音頻、視頻、數(shù)據(jù)、控制等基本比特流起系統(tǒng)復(fù)用的作用。

b）提供用于恢復(fù)時間基準(zhǔn)的時間標(biāo)志，緩沖器初始化和管理，音頻和視頻的解碼時間、顯示時間。

c）給解碼器提供PSI信息，使之更容易和更迅速的找到所需要的節(jié)目。

d）給誤差恢復(fù)、有條件接收（CA）、隨機接入以及數(shù)字存儲控制提供支持。乙）視頻基本碼流(ES)層次結(jié)構(gòu)：

如附圖所示。不管那一種碼流，都可以分成6個層次：

視頻序列層(Sequence)，圖像組層（GOP），圖像層，像條層，宏塊層，像塊層，除了宏塊和像塊層，上四層都從相應(yīng)的起始碼(SC：StartCode)開始。這種碼是專門預(yù)留的，從來不出現(xiàn)在碼流中，因此可以作為同步識別用。一旦因誤碼或其他原因收發(fā)失去同步時，重新同步的過程首先就是從比特流中尋找相應(yīng)的起始碼。一旦在正確的間隔上發(fā)現(xiàn)有效的起始碼時，解碼就可以重新開始。

視頻序列層：在起始碼后是序列頭，包括了圖像尺寸，寬高比，圖像速率等信息。在序列頭后面總是跟著包含附加數(shù)據(jù)的序列擴展數(shù)據(jù)。為了確保能在不同的時間隨時進入視頻序列，MPEG-2允許重復(fù)發(fā)送序列頭。序列層結(jié)束在序列結(jié)束碼(SEQEC)。圖像組層：圖像組是指相互間有預(yù)測和生成關(guān)系的一組圖像。在起始碼后面是可選的GOP頭，包括了時間信息，但這一信息并不是解碼中實際使用的信息，即便丟失，解碼也可以繼續(xù)進行。分成圖像組的一個目的是在同一序列內(nèi)可隨時進入不同的圖像。

圖像層：它包括了不同種類編碼的圖像。在MPEG–2中圖像分成三種編碼類型：幀內(nèi)編碼的圖像(IntraCodedPicture)稱為I幀；雙向預(yù)測編碼的圖像稱為B幀；前向預(yù)測編碼的圖像稱為P幀。在某些場合下還有D幀(Dframe：DCCodedPicture)或稱D圖像，指只使用DCT數(shù)據(jù)中的DC分量編碼的圖像。條SC條頭宏塊宏塊宏塊條SC條頭宏塊