數(shù)字電視原理

數(shù)字電視原理與應(yīng)用

PrincipleandApplicationofDigitalTelevision主講：張文軍教授上海交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院Email：zhangwenjun@2006～2007學(xué)年第一學(xué)期課程安排1數(shù)字電視概述電視技術(shù)的發(fā)展歷程模擬電視原理數(shù)字電視的發(fā)展2數(shù)字電視基本原理視頻壓縮原理MPEG-2視頻編碼及測量MPEG-2音頻編碼及測量MPEG-2系統(tǒng)及其測量數(shù)字調(diào)制基礎(chǔ)數(shù)字電視的糾錯(cuò)編碼原理3數(shù)字電視相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)DVB-S標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測量DVB-C標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測量OFDM技術(shù)DVB-T標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測量ATSC和ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)及其測量我國的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視原理與應(yīng)用2精選課件數(shù)字電視根本原理視頻壓縮原理——第5章MPEG-2視頻編碼及其測量—第4,6,11章MPEG-2音頻編碼局部及其測量——第7章MPEG-2系統(tǒng)局部及其測量——第3,9,10章數(shù)字調(diào)制根底——第12章數(shù)字電視中的糾錯(cuò)編碼原理——補(bǔ)充數(shù)字電視原理與應(yīng)用3精選課件MPEG-2視頻編碼及其測量1.數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601

2.MPEG-2視頻編碼3.DTV信號(hào)的圖像質(zhì)量分析數(shù)字電視原理與應(yīng)用4精選課件電視演播室中使用了一段時(shí)間的無壓縮數(shù)字視頻信號(hào)。ITU-BT.R.601(CCIR601)的獲得：視頻攝像機(jī)得到模擬RGB信號(hào)RGB信號(hào)在攝像機(jī)中通過矩陣變換得到亮度(Y)和色度(色差CB和CR)信號(hào)。1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601圖4.1亮度和色度信號(hào)的數(shù)字化

數(shù)字電視原理與應(yīng)用5精選課件RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成亮度和色度信號(hào)亮度信號(hào)色差信號(hào)亮度信號(hào)的帶寬利用低通濾波器限定到5.75MHz兩個(gè)色差信號(hào)帶寬限定到2.75MHz色度信號(hào)的分辨率比亮度信號(hào)分辨率低——人眼視覺特性模擬電視中色度信號(hào)限定到1.3MHz。1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601數(shù)字電視原理與應(yīng)用6精選課件帶限后的亮度和色度信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)采樣和數(shù)字化亮度分量Y中A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率是13.5MHz色度分量CB和CR中A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率是6.75MHz滿足采樣定理：信號(hào)的最高頻率不超過采樣頻率的一半。1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601圖4.2IUT-BT.R.601亮度和色度分量的采樣數(shù)字電視原理與應(yīng)用7精選課件A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率可達(dá)8或10bits10bits對(duì)應(yīng)270Mbit/s碼率碼率高，適合演播室應(yīng)用，不適合TV傳輸應(yīng)用。Y,CB,CR三個(gè)分量的復(fù)用順序：CBYCRYCBY…亮度分量Y與兩色度分量CBCR相交替，亮度分量Y的分辨率是CB或CR分辨率的兩倍——4:2:2格式。采樣前，矩陣變換輸出的Y、CB和CR的分辨率相同——4:4:4格式。信號(hào)接口：25－pinsub－D并口75－OhmBNC串口，叫做SDI(SerialDigitalInterface)廣泛采用傳統(tǒng)的75Ohm雙絞線/同軸電纜接口。1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601數(shù)字電視原理與應(yīng)用8精選課件碼流中視頻信號(hào)的開始和結(jié)束由特殊碼字SAV(StartofActiveVideo)和EAV(EndofActiveVideo)標(biāo)記。EAV到SAV之間有水平空白間隔，不包含任何視頻信號(hào)，可傳輸輔助信息，例如音頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的錯(cuò)誤掩蓋信息。SAV和EAV碼字各自由4個(gè)8或10bit碼字組成，第一個(gè)碼字是全1，第二和第三個(gè)碼字全0，第四個(gè)碼字包含相應(yīng)場或相應(yīng)垂直空白間隔的信息。1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601圖4.3IUT-BT.R.601信號(hào)中的SAV和EAV碼字1FVHP3P2P1P00000000000(00)=0/011111111(11)=255/102300000000(00)=0/0TRS=TimingReferenceSequence4codewords(SAVorEAV)數(shù)字電視原理與應(yīng)用9精選課件第四個(gè)碼字用于檢測垂直方向一幀、一場圖像的開始最高位始終是1。次高位——第8位〔10bit〕或第6位〔8bit〕是場標(biāo)志，如果該位為0，是第一場；如果該位為1，是第二場；第7位〔10bit〕或第5位〔8bit〕是垂直方向活動(dòng)視頻區(qū)域標(biāo)志，如果該位為0，表示是可見的視頻區(qū)域；如果該位為1，是垂直空白間隔。第6位〔10bit〕或第4位〔8bit〕標(biāo)記該碼字是SAV還是EAV，如果該位為0，是SAV；如果該位為1，是EAV。第5～2位〔10bit〕或第3～0位〔8bit〕用于SAV和EAV碼字的誤碼保護(hù)。F=Field(0=1stfield,1=2ndfield)V=Verticalblanking(1=verticalblankinginterval)H=SAV/EAV標(biāo)記〔0＝SAV，1＝EAV〕P0,P1,P2,P3=保護(hù)位〔漢明碼〕1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601數(shù)字電視原理與應(yīng)用10精選課件Y、CB和CR都沒有用到全部的動(dòng)態(tài)范圍，留有一個(gè)禁止區(qū)間作為保存凈空，同時(shí)使得SAV和EAV便于識(shí)別。亮度信號(hào)Y的范圍：16～235〔8bits〕64～940〔10bits〕色度信號(hào)CB和CR的動(dòng)態(tài)范圍：16～240〔8bits〕64～960〔10bits〕該范圍外的區(qū)間作為凈空和同步標(biāo)識(shí)1、數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.601圖4.4Y,CB,CR的動(dòng)態(tài)范圍700mV235/940Y255/10230mV16/64255/1023240/960350mV-350mV16/64Cb/Cr0mV128/512數(shù)字電視原理與應(yīng)用11精選課件MPEG-2視頻編碼及其測量1.數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.6012.MPEG-2視頻編碼3.DTV信號(hào)的圖像質(zhì)量分析數(shù)字電視原理與應(yīng)用12精選課件2、MPEG-2視頻編碼視頻壓縮步驟壓縮算法總結(jié)視頻ES流結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用13精選課件數(shù)字SDTV視頻信號(hào)數(shù)碼率270Mbit/s，必須壓縮到2～6Mbit/s才能用于播送傳輸。攝像機(jī)輸出的RGB信號(hào)通過矩陣變換得到Y(jié),CB和CR信號(hào)降低信號(hào)帶寬，信號(hào)通過低通濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換降低色度分辨率為4:2:2格式按照ITU-BT.R.601，信號(hào)碼率270Mbit/s通過MPEG視頻壓縮過程，必須壓縮到2～6(15)Mbit/s，壓縮比高達(dá)130。視頻壓縮數(shù)字電視原理與應(yīng)用14精選課件視頻壓縮冗余度消除多余信息：碼流中屢次存在，或沒有信息量，或在接收端可通過數(shù)學(xué)方法無失真恢復(fù)。VLC游程編碼霍夫曼編碼：使用頻率高的字母用短碼，使用頻率低的字母用長碼。無損壓縮高壓縮比不相關(guān)性消除不必要信息：人眼無法覺察的信息。人眼的彩色視覺細(xì)胞遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于亮度視覺細(xì)胞，因此色度分辨率可以降低，色度信號(hào)帶寬可以減少。人眼不能區(qū)分圖像中過于精細(xì)結(jié)構(gòu)和粗結(jié)構(gòu)。不能復(fù)原的有損過程數(shù)字電視原理與應(yīng)用15精選課件MPEG采用的壓縮步驟有損1量化從10bits降為8bits無損2省略水平和垂直空白間隔有損3降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)無損4活動(dòng)圖像的DPCM有損5DCT和量化無損6Z掃描和零序列的游程編碼無損7Huffman編碼數(shù)字電視原理與應(yīng)用16精選課件模擬電視中，視頻信號(hào)的信噪比大于48dB時(shí)，噪聲恰好人眼不可見。A/D轉(zhuǎn)換器中8bit分辨率的量化噪聲已經(jīng)不可見，因此在演播室以外，對(duì)Y,CB和CR信號(hào)不必要采用10bit分辨率。演播室中最好采用10bit，更容易進(jìn)行后處理，質(zhì)量更好。10bit降為8bit可節(jié)省20％碼率(10-8)/10=2/10=20%不相關(guān)性消除接收端不能恢復(fù)原始信號(hào)S/N[dB]＝6N，量化噪聲增加12dB。1、10bits量化降為8bits量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用17精選課件ITUBT.R601信號(hào)的水平和垂直空白間隔不包含任何信息，可以包含輔助數(shù)據(jù)例如聲音信號(hào)，但根據(jù)MPEG這些輔助數(shù)據(jù)必須單獨(dú)編碼，因此可以省略，接收端可以輕易恢復(fù)。2、省略水平和垂直空白間隔圖6.1水平和垂直空白PAL信號(hào)的625線只有575線可見，如果省略垂直空白間隔可以節(jié)省8％的碼率(625-575)/625=8%一行長64微秒，只有52微秒可見，如果省略水平空白間隔又可以節(jié)省19％的碼率(64-52)/64=19%因?yàn)閮蓚€(gè)節(jié)省有局部重疊，總的節(jié)省率大約25％。Visible,activepicture64μs52μsActivelineVBlanking(8%)575Visiblelines625linesHBlanking(19%)數(shù)字電視原理與應(yīng)用18精選課件按照ITUBT.R601，兩個(gè)色度分量CB和CR的采樣頻率是亮度分量Y的一半，Y的帶寬5.75MHz，CB和CR的帶寬降為2.75MHz?！?:2:2格式4:2:2色度分辨率只是水平方向降低。人眼無法分辨水平和垂直方向的色度分辨率。垂直方向降低一半色度分辨率的影響人眼不可見。4:2:0信號(hào)，四個(gè)Y像素對(duì)應(yīng)一個(gè)CB和CR值。又節(jié)省25％碼率。3、降低垂直色度分辨率(4:2:0)圖6.24:4:44:2:24:2:0分辨率數(shù)字電視原理與應(yīng)用19精選課件MPEG視頻壓縮步驟－20％量化10bits到8bits270Mbit/s216Mbit/s－25％忽略水平和垂直空白間隔166Mbit/s-25%降低垂直色度分辨率(4:2:0)124.5Mbit/s進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮步驟2～6Mbit/s數(shù)字電視原理與應(yīng)用20精選課件進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮DPCMZ掃描＋VLCHuffman編碼進(jìn)一步數(shù)據(jù)壓縮DCT＋量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用21精選課件相鄰幀之間差異較小，有靜止區(qū)域不發(fā)生變化，有活動(dòng)區(qū)域只改變其位置，還有新增加的對(duì)象。如果每幀圖像都完全傳輸，有局部傳輸?shù)男畔⑼耆嗤?，?huì)導(dǎo)致很高的碼率。顯然對(duì)這些圖像區(qū)域只傳輸兩幀之間的差值更適宜——DPCM：4、DPCMtimePulseCodeModulationts2550255time0tsDifferentialPulseCodeModulation255time0ts帶參考信息的DPCM數(shù)字電視原理與應(yīng)用22精選課件連續(xù)模擬信號(hào)采樣數(shù)字化時(shí)得到等間隔的離散采樣值，相當(dāng)于等間隔的脈沖，即PCM脈沖編碼調(diào)制，每個(gè)脈沖的高度表示該時(shí)刻信號(hào)的離散采樣值。由于經(jīng)過了帶限預(yù)處理，相鄰采樣值之間的差值不大，如果只傳輸差值可以節(jié)省傳輸容量，降低碼率，即DPCM差分脈沖編碼調(diào)制。DPCM的問題在于恢復(fù)原始信號(hào)的延遲較長，可以通過在傳輸差值時(shí)，每隔固定間隔就傳輸一次完全采樣值，來解決該問題。這種方法非常接近MPEG-1/-2圖像壓縮中采用的幀間預(yù)測編碼。4、DPCM數(shù)字電視原理與應(yīng)用23精選課件在一幀圖像進(jìn)行靜止和運(yùn)動(dòng)對(duì)象檢測之前，首先被分成假設(shè)干宏塊。4:2:0格式每個(gè)宏塊由一個(gè)16x16亮度像素Y和兩個(gè)8x8的色度像素CB、CR。每幀圖像水平和垂直像素?cái)?shù)目選擇為16和8的整數(shù)倍〔720x576〕。每隔一定間隔傳輸一幀完全參考幀，I幀(Intracoded)，兩個(gè)I幀之間傳輸差值幀。4、DPCM圖6.20幀分解為宏塊數(shù)字電視原理與應(yīng)用24精選課件求差值的單位是宏塊，當(dāng)前幀宏塊與前一幀的宏塊進(jìn)行比較：首先檢測該宏塊是否由于圖像中的運(yùn)動(dòng)在某方向發(fā)生位移?！粋鬏斶\(yùn)動(dòng)向量MV，如果當(dāng)前宏塊與前一幀的宏塊有差值，還傳輸殘差?；蛘吆陦K是否沒變化，也沒有位移?！恍鑲鬏斎魏涡畔??；蛘呤欠袷切鲁霈F(xiàn)的對(duì)象?！耆幋a4、DPCM數(shù)字電視原理與應(yīng)用25精選課件P幀——前向預(yù)測幀B幀——雙向預(yù)測幀，包括前向和后向預(yù)測，碼率比I/P幀低很多。GOP——兩個(gè)I幀之間P/B幀的組織結(jié)構(gòu)。GOP結(jié)構(gòu)靈活，一個(gè)GOP通常包括12幀：I,B,B,P,B,B,P,…B幀介于I和P幀之間，在解碼B幀之前，必須先解碼重建它的前向和后向參考幀〔I幀或P幀〕。因此，視頻幀的傳送順序和原始顯示順序不同。接收端的緩存大小可事先計(jì)算出，可以利用PES頭中的DTS(decodingtimestamp)值。4、DPCM圖6.9GOP結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用26精選課件運(yùn)動(dòng)估計(jì)——得到運(yùn)動(dòng)向量過程：對(duì)當(dāng)前要編碼幀的宏塊，在前面的參考幀〔P幀〕或后面的參考幀〔B幀〕中搜索最正確匹配宏塊。在當(dāng)前宏塊周圍的搜索窗內(nèi)的塊匹配找到匹配宏塊后就得到所需傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)向量。另外還傳輸匹配宏塊的殘差。殘差單獨(dú)再經(jīng)過DCT和量化進(jìn)一步壓縮。4、DPCM圖6.11運(yùn)動(dòng)向量RangeofblockmatchingFrameN-1,MotionvectorforwardFrameN,BencodedMacroblockFrameN+1Motionvectorbackward數(shù)字電視原理與應(yīng)用27精選課件80年代末，靜止圖象壓縮，JPEG標(biāo)準(zhǔn)的核心算法——DCTDCT也是MPEG視頻編碼的核心算法根據(jù)人眼視覺特性，低頻圖象干擾〔相應(yīng)于粗圖象結(jié)構(gòu)〕比高頻圖象〔圖象細(xì)節(jié)〕干擾更易覺察。因此，信噪比測量時(shí)要根據(jù)視覺敏感度進(jìn)行加權(quán)，高頻方向比低頻圖象分量可以容許更大噪聲。為節(jié)省碼率，低頻信號(hào)進(jìn)行更精細(xì)量化，高頻信號(hào)進(jìn)行粗量化。如何得到不同頻率圖象分量？——變換編碼。DCT是DFT和FFT的特例，將時(shí)域圖象信號(hào)變換到頻域。5、DCT和量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用28精選課件5、DCT和量化圖6.13/14一維DCT及DCT系數(shù)量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用29精選課件5、DCT和量化對(duì)視頻幀一行中8個(gè)象素的時(shí)域電壓值進(jìn)行DCT得到頻域的8個(gè)系數(shù)，依次為直流DC系數(shù)、低頻、中頻和高頻系數(shù)〔視頻信號(hào)能量〕。根據(jù)人眼視覺特性，DCT系數(shù)在頻域進(jìn)行量化，除以某個(gè)量化因子。量化因子越大，量化越粗。對(duì)較平滑圖象，量化因子改變不大或根本不變；而對(duì)細(xì)節(jié)豐富圖象，量化因子隨著頻率增高而變大。量化后很多系數(shù)變?yōu)?，尤其對(duì)高頻系數(shù)而言。數(shù)字電視原理與應(yīng)用30精選課件5、DCT和量化JPEG和MPEG中采用二維變換編碼。圖象先被分成8x8象素塊，再通過二維DCT變換到頻域。為得到帶符號(hào)值，在做二維DCT之前，所有象素值先減去128。DCT后即量化，除以適宜的量化步長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量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用31精選課件8x8象素塊做二維DCT后得到頻域中的8x8數(shù)組:第一個(gè)系數(shù)是DC系數(shù)，對(duì)應(yīng)整個(gè)塊的直流分量。第二個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)水平方向最粗圖象結(jié)構(gòu)的能量。第一行最后一個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)水平方向最精細(xì)圖象結(jié)構(gòu)的能量。第一列從上到下對(duì)應(yīng)垂直方向最粗到最細(xì)圖象結(jié)構(gòu)的能量。對(duì)角線上系數(shù)對(duì)應(yīng)對(duì)角線方向從粗到細(xì)圖象結(jié)構(gòu)的能量。5、DCT和量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用32精選課件DCT后即量化，除以適宜的量化步長MPEG定義了量化表，可以自定義量化后很多系數(shù)變?yōu)?量化后矩陣關(guān)于對(duì)角線近似對(duì)稱量化后矩陣系數(shù)通過Z掃描過程使得連續(xù)0的個(gè)數(shù)最大，便于采用游程編碼可以大大節(jié)省碼率。量化是控制根本視頻流碼率的唯一手段。DCT＋量化對(duì)宏塊中的Y分量和CB、CR分量進(jìn)行。量化在宏塊層可以通過量化因子調(diào)整來控制碼率。量化表只能在視頻序列層修改。I幀的宏塊即按上述方式編碼P幀和B幀的宏塊先按運(yùn)動(dòng)向量得到參考幀中的預(yù)測值，再計(jì)算與當(dāng)前宏塊的差值，殘差值再經(jīng)過DCT變換到頻域，再進(jìn)行量化。5、DCT和量化數(shù)字電視原理與應(yīng)用33精選課件量化DCT系數(shù)進(jìn)行Z掃描之后，使得連0數(shù)目最大。碼流中不傳這些連續(xù)0系數(shù)，而是通過游程編碼只傳連0的個(gè)數(shù)，Z掃描和游程編碼，與DCT和量化相配合，是MPEG-2高壓縮比的主要因素。6、Z掃描和游程編碼Z掃描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0RL1－200000000000002000000000000000－100000000－100000000000000數(shù)字電視原理與應(yīng)用34精選課件游程編碼后的碼流再進(jìn)行霍夫曼編碼。出現(xiàn)頻率高的碼字編碼為短碼，出現(xiàn)頻率低的碼字編碼為長碼。進(jìn)一步冗余度消除，無損過程。7、霍夫曼編碼DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0圖6.23Huffman編碼HuffmancodetableCodesofvariablelength數(shù)字電視原理與應(yīng)用35精選課件2、MPEG-2視頻編碼視頻壓縮步驟壓縮算法總結(jié)視頻ES流結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用36精選課件將IUTBT.R601的4:2:2標(biāo)清電視信號(hào)(270Mbit/s)壓縮到2～6Mbit/s。核心壓縮算法是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償DPCM與DCT變換編碼相結(jié)合。MPEG-2的不同應(yīng)用支持4:2:0和4:2:2不同格式。SD4:2:0——MainProfile@MainLevelSD4:2:2——HighProfile@MainLevelHD4:2:0——MainProfile@HighLevelHD4:2:2——HighProfile@HighLevel壓縮過程都一樣，只是質(zhì)量和碼率不同，碼率越高質(zhì)量越好。6Mbit/s4:2:0SDTV信號(hào)質(zhì)量與傳統(tǒng)模擬電視信號(hào)相似。視頻根本流的碼率可以是固定碼率或根據(jù)當(dāng)前圖像內(nèi)容可變碼率。碼率通過編碼器改變量化因子進(jìn)行控制。壓縮算法總結(jié)數(shù)字電視原理與應(yīng)用37精選課件MPEG-2編碼器總體框圖壓縮算法總結(jié)數(shù)字電視原理與應(yīng)用38精選課件I,P,B幀的宏塊有多種編碼模式。B幀宏塊的編碼模式包括：幀內(nèi)編碼〔完全編碼〕前向預(yù)測雙向預(yù)測跳過〔不編碼〕編碼模式由編碼器根據(jù)當(dāng)前圖像內(nèi)容和信道容量決定。只傳輸幀不傳輸場，在接收端由特殊方式恢復(fù)場結(jié)構(gòu)。宏塊有幀編碼和場編碼方式，場編碼方式在DCT之前先分成兩場。壓縮算法總結(jié)

幀宏塊編碼場宏塊編碼數(shù)字電視原理與應(yīng)用39精選課件2、MPEG-2視頻編碼視頻壓縮步驟壓縮算法總結(jié)視頻ES流結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用40精選課件塊：視頻流的最小單元是8x8像素塊，是DCT的單位。宏塊：是量化控制的單位，不同宏塊可采用不同量化因子。量化因子是實(shí)際視頻PES流控制碼率的調(diào)節(jié)器。量化表不能在宏塊層改變。宏塊可以是幀編碼或場編碼。視頻ES流結(jié)構(gòu)圖6.28

塊、宏塊、條、幀數(shù)字電視原理與應(yīng)用41精選課件Slice：一行中假設(shè)干宏塊構(gòu)成一個(gè)slice每個(gè)slice頭在誤碼時(shí)用于重同步誤碼掩蓋主要在slice層，發(fā)生誤碼時(shí)，MPEG解碼器將前一幀的slice復(fù)制到當(dāng)前幀，解碼器可以在一個(gè)新slice開頭重新同步，slice越短，誤碼造成的干擾越小。幀：假設(shè)干slice構(gòu)成一幀，有I/P/B幀每一幀都有幀頭由于B幀，編碼順序和顯示順序不同，幀頭和PES頭帶有時(shí)間戳，可以恢復(fù)原始幀順序。GOP：假設(shè)干I/P/B幀構(gòu)成一個(gè)GOP每一組GOP都有GOP頭播送采用短GOP，半秒12幀MPEG解碼器只能在GOP的第一個(gè)I幀重同步。大容量設(shè)備如DVD可以采用長GOP。序列：一個(gè)GOP或多個(gè)GOP構(gòu)成一個(gè)序列序列有序列頭，包括重要視頻參數(shù)如量化表。視頻ES流結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用42精選課件上述視頻PES流結(jié)構(gòu)全部或局部嵌入PES包中，打包方式和PES包的長度由視頻編碼器決定，PES包也有各自的包頭。視頻ES流結(jié)構(gòu)圖6.29

視頻ES流結(jié)構(gòu)數(shù)字電視原理與應(yīng)用43精選課件MPEG-2視頻編碼及其測量1.數(shù)字視頻信號(hào)ITU-BT.R.6012.MPEG-2視頻編碼3.DTV信號(hào)的圖像質(zhì)量分析數(shù)字電視原理與應(yīng)用44精選課件DTV信號(hào)圖像質(zhì)量的影響因素DTV信號(hào)圖像質(zhì)量的影響因素與模擬電視信號(hào)不同模擬電視信號(hào)中的噪聲直接表現(xiàn)為圖像中的雪花，而在數(shù)字電視中只會(huì)造成信道誤碼率的增加，由于信號(hào)中的誤碼保護(hù)機(jī)制，大局部誤碼可以被恢復(fù)，不會(huì)被覺察。如果信道噪聲太大，會(huì)造成信道突然中斷。對(duì)數(shù)字電視，線性或非線性失真不會(huì)對(duì)聲音和圖像有直接影響，在極端情況會(huì)造成完全傳輸中斷。數(shù)字電視不需要VITS(verticalinsertiontestsignal)來檢測線性和非線性失真，不需要黑電平信號(hào)來檢測噪聲，也不需要有關(guān)傳輸連接的測試信號(hào)。數(shù)字電視圖像質(zhì)量也有好壞之分，但質(zhì)量好壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，評(píng)價(jià)方法也有多種。主要有兩種因素會(huì)影響視頻傳輸，會(huì)造成不同類型的干擾：MPEG-2編碼器或復(fù)用器不同的壓縮率對(duì)圖像質(zhì)量有直接影響，壓縮比太大會(huì)造成塊效應(yīng)。調(diào)制器到接收機(jī)的傳輸鏈接傳輸鏈接的干擾會(huì)造成信道誤碼，最終表現(xiàn)為大面積塊影響，如圖像區(qū)域凍結(jié)或完全傳輸中斷。數(shù)字電視原理與應(yīng)用45精選課件MPEG-2視頻編碼對(duì)圖像質(zhì)量的影響及分析視頻壓縮算法的單位都是塊或宏塊，圖像首先被分成8x8像素塊，每塊單獨(dú)壓縮，16x16宏塊是預(yù)測編碼單位。如果壓縮比過大，塊邊界可見，出現(xiàn)塊效應(yīng)?！炼群蜕刃盘?hào)塊邊界不連續(xù)性可被覺察。壓縮比固定的情況下，塊效應(yīng)的大小取決于圖像內(nèi)容和其他因素：圖11.1

壓縮比過大造成的塊效應(yīng)運(yùn)動(dòng)緩慢細(xì)節(jié)較少的場景，卡通動(dòng)畫和傳統(tǒng)電影膠片相對(duì)沒有問題，因?yàn)閮蓤鲋g沒有運(yùn)動(dòng)，而且卡通動(dòng)畫的圖像結(jié)構(gòu)較粗。體育節(jié)目取決于不同體育工程，問題較大。一級(jí)方程式賽車節(jié)目比棋類比賽節(jié)目壓縮難度更大。實(shí)際圖像質(zhì)量取決于MPEG-2編碼器采用的算法。數(shù)字電視原理與應(yīng)用46精選課件MPEG-2視頻編碼對(duì)圖像質(zhì)量的影響及分析除了塊效應(yīng)，壓縮比過大還可能顯出DCT結(jié)構(gòu)，圖像中突然出現(xiàn)圖形干擾。干擾影響的決定性因素在于MPEG-2編碼器.壓縮算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響較難測量:不可能100％測量，總有主觀因素。所謂的客觀視頻質(zhì)量分析也是測試人員用主觀測試來校準(zhǔn)的。實(shí)際上對(duì)壓縮視頻信號(hào)，沒有參考信號(hào)可以做質(zhì)量評(píng)估。所有視頻質(zhì)量分析的根底——ITU-RBT.500標(biāo)準(zhǔn)描述一組測試人員分析圖像質(zhì)量時(shí)的主觀視頻質(zhì)量分析方法數(shù)字電視原理與應(yīng)用47精選課件圖像質(zhì)量測量方法ITU的VQEG(videoqualityexpertsgroup)定義了評(píng)估圖像質(zhì)量的方法ITU-RBT.500標(biāo)準(zhǔn)。原理上有兩種主觀圖像質(zhì)量評(píng)估方法：DSCQS(doublestimuluscontinualqualityscale)SSCQE(singlestimuluscontinualqualityevaluation)區(qū)別在于是否利用參考視頻信號(hào)。根本都是一組測試人員的主觀圖像質(zhì)量分析，按照特定步驟評(píng)估一組圖像序列。嘗試采用測試儀器，用自適應(yīng)算法對(duì)宏塊進(jìn)行圖像分析，力圖通過客觀方法取代上述主觀方法。數(shù)字電視原理與應(yīng)用48精選課件主觀圖像質(zhì)量分析一組測試人員評(píng)估一組圖像序列〔SSCQE〕或相對(duì)原始圖像比較壓縮后的一組圖像序列(DSCQS)，用一個(gè)滑動(dòng)控制裝置從質(zhì)量范圍0〔最差〕到100〔最好〕打分，滑動(dòng)控制的位置由計(jì)算機(jī)檢測，計(jì)算機(jī)與測試人員相連，連續(xù)〔如每隔0.5秒〕給出測試人員給出的所有分?jǐn)?shù)的平均值。這樣可以得到一個(gè)視頻序列隨時(shí)間變化的圖像質(zhì)量值。數(shù)字電視原理與應(yīng)用49精選課件DSCQS方法按照ITU-RBT.500標(biāo)準(zhǔn)，一組測試人員對(duì)編輯或處理過的視頻序列與原始視頻序列進(jìn)行比較，得到的結(jié)果是編輯或處理過視頻序列的比較性質(zhì)量評(píng)價(jià)，隨時(shí)間變化的質(zhì)量值曲線〔0到100〕?？偸切枰粋€(gè)參考信號(hào)。通過構(gòu)成差值，可進(jìn)行純粹的客觀分析。實(shí)際上參考信號(hào)常常不存在。傳輸鏈接測量不能采用這種方法。市場上有該方法的測量儀器〔TektronixPQA〕數(shù)字電視原理與應(yīng)用50精選課件SSCQE方法成心防止參考信號(hào)，因此實(shí)際使用更廣泛。一組測試人員只對(duì)處理視頻序列進(jìn)行評(píng)估，從0〔最差〕到100〔最好〕打分。測試結(jié)果也是隨時(shí)間變化的視頻質(zhì)量曲線。數(shù)字電視原理與應(yīng)用51精選課件客觀圖像質(zhì)量分析由于壓縮視頻信號(hào)DCT相關(guān)的干擾總是表現(xiàn)為塊效應(yīng)，SSCQE類型的數(shù)字圖像分析可以嘗試檢驗(yàn)圖像中塊效應(yīng)的存在，需要仔細(xì)分析圖像中的宏塊和塊。TechnicalUniversityofBraunschweig和Rohde&Schwarz的測試方法：求宏塊內(nèi)相鄰像素間的差值。圖11.4求宏塊內(nèi)像素差值[DVQ]08RasterpositioniBlockbordersMacroblockbordersAD(i)=AD(I=0)AD(I=1)AD(I=8)AD(I=15)數(shù)字電視原理與應(yīng)用52精選課件客觀圖像質(zhì)量分析-DVQ即宏塊內(nèi)相鄰像素Y分量、CB和CR分量的幅度值相減。對(duì)每個(gè)宏塊，Y分量每行求得16個(gè)像素差值，共16行；然后每列求得16個(gè)像素差值，共16列；塊邊界的像素差值有特殊重要性，如果有塊效應(yīng)的情況下，塊邊界的像素差值特別大。每行內(nèi)所有宏塊的像素差值求和，每行共得到16個(gè)值。一幀內(nèi)每行的16個(gè)值再求和，每幀共得到16個(gè)值。這16個(gè)值最終作為所有宏塊水平和垂直方向的0到15的平均像素差值。兩個(gè)色差分量CB和CR重復(fù)上述過程。圖