【正文】 計算機與通信學院 電視原理 數(shù)字彩色電視制式概述 ?模擬彩色電視制式的缺陷 ?高清晰度電視的需求 ?數(shù)字技術(shù)的發(fā)展 國際電信聯(lián)盟 (ITU)對高清晰度電視的定義： ①垂直和水平方向的空間分解力大致是 CCIR601號建議書中規(guī)定值的兩倍，例如水平 1920像素，垂直 1080像素； ②寬高比為 16:9，屏幕對角線長度大于 1米，并配有多聲道優(yōu)質(zhì)伴音； ③觀看距離為屏幕高度的三倍時，圖像的主觀質(zhì)量接近或達到觀看真實景物的效果，相當于 35mm電影放映的圖像質(zhì)量。 多極化的傳輸標準 ? 美國 ?1986年以前支持日本的 MUSE制 ?1987年提出發(fā)展 ATV(Advanced Television， 高級電視 ) ?1990年 5月 ,美國 GI公司正式發(fā)表全數(shù)字 HDTV傳輸制式 ——DigiCipher ?1993年 5月成立 HDTV大聯(lián)盟 (Grand Alliance, GA)， 著手制定統(tǒng)一的美國 HDTV標準 ?1995 年 4 月通過了 ATSC(Advanced Television System Committee)數(shù)字電視標準 ? 歐洲 ?1981 年 英 國 獨 立 廣 播 公 司 研 制 出 CMAC(Multipled Analogue Component)制 : 亮度 、 色差時分 ， 兩個色差逐行輪換 ， 射頻載波調(diào)頻傳送 ， 視頻帶寬 ?1986年提出 HDMAC制 ?受美國數(shù)字制式影響 ， 1993年開展 DVB(Digital Video Broadcasting)研究 ?1995年 ， 歐洲成立了 DVB聯(lián)盟 ， 共同制定數(shù)字電視的DVB標準： DVBS(Satellite)、 DVBC(Cable)、 DVBT(Terrestrial) ? 日本 – 日本廣播協(xié)會 (NHK)197080年代提出模擬高清晰度電視制式 ——MUSE制 （ 多重亞奈抽樣編碼 ） ： 1125行 ， 60場 ， 隔行掃描 ， 16:9幅型比；色度信號與亮度信號時分復用： TCI（ 時間壓縮合成 ） ；多重亞奈抽樣壓縮信號頻帶： 4場傳送 1幅 HDTV圖像； 寬 ， 調(diào)頻傳送 – 1996年啟動數(shù)字電視研制 – 1998年 9月制訂 ISDBT(Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標準，與歐洲的 DVBT類似 ? 中國 – 2023年組建音視頻技術(shù)（ AVS）標準工作組 – 2023年視頻部分正式頒布為國家標準 ? 需要注意：上述標準適用于 HDTV和 SDTV 通用的壓縮編碼標準 A / D 轉(zhuǎn) 換 信 源 編 碼 信 道 編 碼信 道 解 碼信 源 解 碼D / A 轉(zhuǎn) 換信道模 擬 彩 色 電視 信 號 輸 入解 碼 器編 碼 器? 數(shù)據(jù)壓縮的必要性 4:2:2 ， PAL： 864 625 25 2 8=216Mb/s(108MHz) ? 數(shù)字電視系統(tǒng)框圖 通用的信源編碼標準 MPEG2 ? MPEG(Moving Pictures Experts Group)即活動圖像專家組，建立于 1988年 ? MPEG1： 4:2:0采樣壓縮，每秒 ，圖像大小 352 240，掃描頻率 30場 /秒。圖像質(zhì)量比電視略強，適合于非專業(yè)視頻領(lǐng)域，如 VCD等。 ? MPEG4：一種廣域傳輸標準，傳輸碼率 10kbps 1Mbps，于 2023年正式成為國際標準 :內(nèi)容的交互性 , 高效的壓縮性，通用的訪問性 ? MPEG2： 19941996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標準。 ? “ Profile”和“ Level”(“型”和“級” ) 按視頻格式分 四個級 按編碼工具分 五個型 “級”與“型”的若干組合構(gòu)成 MPEG2視頻編碼標準在某種特定應(yīng)用下的子集：對某一輸入格式的圖像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率范圍內(nèi)的編碼碼流。在 20種可能的組合中，目前有 11種是已獲通過的，稱為MPEG2適用點 。 圖像輸入格式 最大輸出碼率 主型 高型 低級 LL ITUR601標準的 1/4 4Mb/s 352 240 30pel/s 352 288 25pel/s 主級 ML 符合 ITUR601標準 15Mb/s 20Mb/s 720 480 30pel/s 720 576 25pel/s 高 1440級H14L ITUR601標準的 4倍（ 4:3） 60Mb/s 80Mb/s 1440 1152 30pel 高級 HL ITUR601標準的 4倍 (16:9) 80Mb/s 100Mb/s 1920 1152 30pel 碼率 簡單型 SP 主型 MP 信噪比可分 級型 SNRP 空間可分級 型 SSP 高型HP 低級 LL 4 4 主級 ML 15 15 15 20 高 1440級H14L 60 60 80 高級 HL 80 100 Simple ProfileMain Profile SNR Scalable Profile Spstially Scalable Profile High Profile 020406080100HighLevelHigh1440Level MainLevelLowLevelSimple ProfileMain Profile SNR Scalable Profile Spstially Scalable Profile High Profile MPEG2適用點 視頻信源編碼的理論依據(jù) ? 原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時間上的統(tǒng)計冗余度很大，存在大量無需傳送的多余信息： – 圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強的相關(guān)性 ——空間相關(guān)性 – 相鄰場或幀對應(yīng)像素間存在相關(guān)性 ——時間相關(guān)性 – 信息保持無損壓縮編碼 ? 人眼對圖像細節(jié)、幅度的變化、圖像的運動不同時具有最高的分辨力： – 信息非保持有損壓縮編碼 視頻信源編碼原理 預(yù)測編碼原理 ? 預(yù)測編碼概述 – 預(yù)測編碼也稱為 差分脈沖編碼調(diào)制 (DPCM， Differential Pulse Code Modulation)，使用已編碼像素的線性組合對未編碼像素進行預(yù)測，傳送其預(yù)測誤差（殘差）。 – 約 80%90%以上的殘差信號的絕對值落在 1618個量化級以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。 – 幀內(nèi)預(yù)測采用 1階前值預(yù)測，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測采用 1階前向預(yù)測或 2階雙向預(yù)測，利用時間相關(guān)性。 – 預(yù)測編碼的主要缺點是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測算法，對于幀內(nèi)編碼會使誤差擴散到圖像中一個較大的區(qū)域，對于幀間編碼會使誤差擴散到后續(xù)的若干幀中。 為便于聯(lián)合運用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫面組成的視頻序列 （ sequence ） 劃分為許多圖像組（ GOP,Group of Picture），每個圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在預(yù)測和生成關(guān)系。 采用幀內(nèi)預(yù)測編碼的圖像稱為 I圖像 (IntraCoded Picture) 采用前向幀間預(yù)測編碼的圖像稱為 P圖像 (PredictivelyCoded Picture) 采用雙向幀間預(yù)測編碼的圖像稱為 B圖像 (BidirectionallyCoded Picture) 下頁為由 9幀圖像組成的 GOP示意圖 編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序 編碼器輸出端或解碼器輸入端的編解碼順序 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 塊 :Block 8 8像素塊 宏塊 :Macroblock 16 16像素塊 像條 :Slice—— 由多個 Macroblock組成 圖像組： GOP 視頻序列： Sequence 圖像： Picture 宏塊的組成 124350Y CrCb12 3 75460Y CrCb1243 7568 910 110Y CrCb4:2:0格式的宏塊 4:2:2格式的宏塊 4:4:4格式的宏塊 宏塊的三種構(gòu)成方式，其中亮度塊的數(shù)目均為 4，而色度塊的數(shù)目分別為 4和 8。 0 0 0 0? ( 1 ) ( )y n y n??在對 I圖像進行幀內(nèi)預(yù)測編碼之前 ， 首先對每一個 8 8的像塊進行二維離散余弦變換 （ DCT， Discrete Cosine Transform） ， 將像塊變換為由 8 8個變換系數(shù)組成的系數(shù)塊 。 位于系數(shù)塊左上角的第一個系數(shù)是像塊中 8 8個像素的平均值 ， 代表像塊的直流分量 ， 稱為 DC系數(shù) ， 其余系數(shù)為 AC系數(shù) 。 幀內(nèi)預(yù)測編碼是對各個系數(shù)塊的 DC系數(shù)進行的 ， 目的是去除在相鄰 像塊的直流分量之間較強的相關(guān)性 。 幀內(nèi)預(yù)測編碼只在像條所在的區(qū)域進行 。 幀內(nèi)預(yù)測編碼采用前值預(yù)測： 幀間預(yù)測編碼是以圖像組 GOP為單位進行的 I圖像 ——幀內(nèi)編碼圖像 ， 其編碼不依賴于其它圖像 ， 它還是 P圖像和 B圖像編碼 、 解碼的參考圖像 。 使用周期性的 I幀便于初始化接收機和捕獲頻道 。 I幀出現(xiàn)的頻度可以變化 ， 由編碼器選擇 。 P圖像 ——前向編碼預(yù)測圖像 ， 像素的預(yù)測值為其前面一幀 I圖像或 P圖像中相應(yīng)像素值 ， 即幀間運動補償前值預(yù)測 。 B圖像 ——雙向預(yù)測編碼圖像 ， 像素的預(yù)測值為其前后相鄰幀相應(yīng)像素值的加權(quán)平均 。 B圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像 。 使用 B幀可提高壓縮效率 ， 但需要幀存儲器 。 ? 幀間預(yù)測編碼中的運動補償 最簡單的時域預(yù)測就是用前一 幀作為當前幀的預(yù)測參考幀 。 一個視頻序列里兩個相鄰幀如 右圖所示 。 第一幀作為第二幀的 參考幀 ， 殘差是第二幀與參考幀之差 。 在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對應(yīng)正、負差值。這種簡單預(yù)測的明顯問題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說預(yù)測后還有很多信息需要壓縮。多數(shù)殘差是由于兩幀之間物體運動引起的，所以更好的預(yù)測是在兩幀之間進行運動補償。 運動補償預(yù)測示意圖 ? 運動矢量 ：表示從編碼幀到參考幀像素運動的方向和距離。 ? 運動估值 ：通過比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運動物體像素的運動矢量。 ? 運動補償 ：考慮了運動矢量的幀間預(yù)測稱為具有運動補償?shù)膸g預(yù)測。 ? 采用 塊匹配算法 進行運動估值 – 攝像機所攝取的景物的運動可能是十分復雜的，精確對每個像素進行運動估值是十分困難的。 – 在許多情況下物體上的各個像素均做相同的