数字电视原理课件.ppt

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1、上海交通大学上海交通大学数字电视原理与应用数字电视原理与应用Principle and Application ofPrinciple and Application of Digital Television Digital Television主讲：张文军主讲：张文军 教授教授上海交通大学电子信息工程学院上海交通大学电子信息工程学院20062007学年第一学期学年第一学期课程安排课程安排1数字电视概述数字电视概述电视技术的发展历程模拟电视原理数字电视的发展2数字电视基本原理数字电视基本原理视频压缩原理MPEG-2视频编码及测量MPEG-2音频编码及测量MPEG-2系统及其测量数字调制基础数

2、字电视的纠错编码原理3数字电视相关标准数字电视相关标准DVB-S标准及相关测量DVB-C标准及相关测量OFDM技术DVB-T标准及相关测量ATSC和ISDB-T标准及其测量我国的数字电视标准数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用2MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03数字电视基本原理数字电视基本原理v视频压缩原理 第5章vMPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量 第第4,6,11章章vMPEG-2音频编码部分及其测量 第7章vMPEG-2系统部分及其测量 第3,9,10章v数字调制基础 第12章v数字电视中的纠错编码原理 补充数字电

3、视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用3MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量1.数字视频信号数字视频信号 2.MPEG-2视频编码3.DTV信号的图像质量分析数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用4MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v电视演播室中使用了一段时间的无压缩数字视频信号。电视演播室中使用了一段时间的无压缩数字视频信号。vITU-BT.R.601(CCIR 601)的获得：的获得：视频摄像机得到模拟视频摄像机得到模拟RGB信号信

4、号RGB信号在摄像机中通过矩阵变换得到亮度信号在摄像机中通过矩阵变换得到亮度(Y)和色度和色度(色差色差CB和和CR)信号。信号。1、数字视频信号、数字视频信号图4.1 亮度和色度信号的数字化 数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用5MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vRGB信号转换成亮度和色度信号信号转换成亮度和色度信号亮度信号亮度信号色差信号色差信号亮度信号的带宽利用低通滤波器限定到亮度信号的带宽利用低通滤波器限定到5.75MHz两个色差信号带宽限定到两个色差信号带宽限定到2.75MHz色度信号的分辨率比亮度信号分辨率低色度信号

5、的分辨率比亮度信号分辨率低人眼视觉特性人眼视觉特性模拟电视中色度信号限定到模拟电视中色度信号限定到1.3MHz。1、数字视频信号、数字视频信号数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用6MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v带限后的亮度和色度信号通过模数转换器实现采样和数字化带限后的亮度和色度信号通过模数转换器实现采样和数字化亮度分量亮度分量Y中中A/D转换器的采样频率是转换器的采样频率是13.5MHz色度分量色度分量CB和和CR中中A/D转换器的采样频率是转换器的采样频率是6.75MHz满足采样定理：信号的最高频率不超过采样频率的一半。

6、满足采样定理：信号的最高频率不超过采样频率的一半。1、数字视频信号、数字视频信号图4.2 亮度和色度分量的采样数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用7MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vA/D转换器的分辨率可达转换器的分辨率可达8或或10bitsv10bits对应对应270Mbit/s码率码率v码率高，适合演播室应用，不适合码率高，适合演播室应用，不适合TV传输应用。传输应用。vY,CB,CR三个分量的复用顺序：三个分量的复用顺序：CB Y CR Y CB Y v亮度分量亮度分量Y与两色度分量与两色度分量CB CR相交替，相交替，亮

7、度分量亮度分量Y的分辨率是的分辨率是CB或或CR分辨率的两倍分辨率的两倍4:2:2格式。格式。v采样前，矩阵变换输出的采样前，矩阵变换输出的Y、CB和和CR的分辨率相同的分辨率相同4:4:4格式。格式。v信号接口：信号接口：25pin subD并口并口75Ohm BNC串口，叫做串口，叫做SDI(Serial Digital Interface)广泛采用传统的广泛采用传统的75Ohm双绞线双绞线/同轴电缆接口。同轴电缆接口。1、数字视频信号、数字视频信号数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用8MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v码流

8、中视频信号的开始和结束由特殊码字码流中视频信号的开始和结束由特殊码字SAV(Start of Active Video)和和EAV(End of Active Video)标记。标记。vEAV到到SAV之间有水平空白间隔，不包含任何视频信号，可传输辅助信息，之间有水平空白间隔，不包含任何视频信号，可传输辅助信息，例如音频信号或数字信号的错误掩盖信息。例如音频信号或数字信号的错误掩盖信息。vSAV和和EAV码字各自由码字各自由4个个8或或10bit码字组成，第一个码字是全码字组成，第一个码字是全1，第二，第二和第三个码字全和第三个码字全0，第四个码字包含相应场或相应垂直空白间隔的信息。，第四个码

9、字包含相应场或相应垂直空白间隔的信息。1、数字视频信号、数字视频信号图4.3 IUT-BT.R.601信号中的SAV和EAV码字1 F V H P3 P2 P1 P0 0000000000(00)=0/011111111(11)=255/102300000000(00)=0/0TRS=TimingReference Sequence4 code words(SAV or EAV)数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用9MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v第四个码字用于检测垂直方向一帧、一场图像的开始第四个码字用于检测垂直方向一帧、一

10、场图像的开始最高位始终是最高位始终是1。次高位次高位第第8位（位（10bit）或第或第6位（位（8bit）是场标志，如果该是场标志，如果该位为位为0，是第一场；如果该位为，是第一场；如果该位为1，是第二场；，是第二场；第第7位（位（10bit）或第或第5位（位（8bit）是垂直方向活动视频区域标志，是垂直方向活动视频区域标志，如果该位为如果该位为0，表示是可见的视频区域；如果该位为，表示是可见的视频区域；如果该位为1，是垂直，是垂直空白间隔。空白间隔。第第6位（位（10bit）或第或第4位（位（8bit）标记该码字是标记该码字是SAV还是还是EAV，如果该位为如果该位为0，是，是SAV；如果该

11、位为如果该位为1，是，是EAV。第第52位（位（10bit）或第或第30位（位（8bit）用于用于SAV和和EAV码字的码字的误码保护。误码保护。F=Field(0=1st field,1=2nd field)V=Vertical blanking(1=vertical blanking interval)H=SAV/EAV标记（标记（0SAV，1EAV）P0,P1,P2,P3=保护位（汉明码）保护位（汉明码）1、数字视频信号、数字视频信号数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用10MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vY、CB和和CR

12、都没有用到全部的动态范围，留有一个禁止区间作为都没有用到全部的动态范围，留有一个禁止区间作为保留净空，同时使得保留净空，同时使得SAV和和EAV便于识别。便于识别。亮度信号亮度信号Y的范围：的范围：16235（8bits）64940（10bits）色度信号色度信号CB和和CR的动态范围：的动态范围：16240（8bits）64960（10bits）该范围外的区间作为净空和同步标识该范围外的区间作为净空和同步标识1、数字视频信号、数字视频信号图4.4 Y,CB,CR的动态范围700mV235/940Y255/10230mV16/64255/1023240/960350mV-350mV16/64C

13、b/Cr0mV128/512数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用11MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量1.数字视频信号数字视频信号2.MPEG-2视频编码视频编码3.DTV信号的图像质量分析数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用12MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 032、MPEG-2视频编码视频编码视频压缩步骤视频压缩步骤压缩算法总结压缩算法总结视频视频ES流结构流结构数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电

14、视原理与应用13MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v数字数字SDTV视频信号数码率视频信号数码率270Mbit/s，必须压缩必须压缩到到26Mbit/s才能用于广播传输。才能用于广播传输。摄像机输出的摄像机输出的RGB信号通过矩阵变换得到信号通过矩阵变换得到Y,CB和和CR信号信号降低信号带宽，信号通过低通滤波降低信号带宽，信号通过低通滤波模数转换模数转换降低色度分辨率为降低色度分辨率为4:2:2格式格式按照按照ITU-BT.R.601，信号码率信号码率270Mbit/s通过通过MPEG视频压缩过程，必须压缩到视频压缩过程，必须压缩到26(15)Mbit/s，压压缩

15、比高达缩比高达130。视频压缩视频压缩数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用14MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03视频压缩视频压缩冗余度消除冗余度消除多余信息：码流中多次存在，或没有信息量，或在接收端可通过数学方法无失真恢复。VLC游程编码霍夫曼编码：使用频率高的字母用短码，使用频率低的字母用长码。无损压缩无损压缩高压缩比高压缩比不相关性消除不相关性消除不必要信息：人眼无法察觉的信息。人眼的彩色视觉细胞远远少于亮度视觉细胞，因此色度分辨率可以降低，色度信号带宽可以减少。人眼不能辨别图像中过于精细结构和粗结构。不能复原的有损过程不能复

16、原的有损过程数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用15MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03MPEG采用的压缩步骤采用的压缩步骤有损有损1量化从量化从10bits降为降为8bits无损无损2省略水平和垂直空白间隔省略水平和垂直空白间隔有损有损3降低垂直方向色度分辨率降低垂直方向色度分辨率(4:2:0)无损无损4活动图像的活动图像的DPCM有损有损5DCT和量化和量化无损无损6Z扫描和零序列的游程编码扫描和零序列的游程编码无损无损7Huffman编码编码数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用16MPEG-

17、2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v模拟电视中，视频信号的信噪比大于模拟电视中，视频信号的信噪比大于48dB时，噪声恰好人眼时，噪声恰好人眼不可见。不可见。vA/D转换器中转换器中8bit分辨率的量化噪声已经不可见，因此在演分辨率的量化噪声已经不可见，因此在演播室以外，对播室以外，对Y,CB和和CR信号不必要采用信号不必要采用10bit分辨率。分辨率。v演播室中最好采用演播室中最好采用10bit，更容易进行后处理，质量更好。更容易进行后处理，质量更好。v10bit降为降为8bit可节省可节省20码率码率(10-8)/10=2/10=20%v不相关性消除不相关性消除接收端不能恢

18、复原始信号接收端不能恢复原始信号vS/NdB6N，量化噪声增加量化噪声增加12dB。1、10bits量化降为量化降为8bits量化量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用17MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vITU BT.R601信号的水平和垂直空白间隔不包含任何信息，信号的水平和垂直空白间隔不包含任何信息，可以包含辅助数据例如声音信号，但根据可以包含辅助数据例如声音信号，但根据MPEG这些辅助数据这些辅助数据必须单独编码，因此可以省略，接收端可以轻易恢复。必须单独编码，因此可以省略，接收端可以轻易恢复。2、省略水平和垂直空白间

19、隔、省略水平和垂直空白间隔图6.1 水平和垂直空白vPAL信号的信号的625线只有线只有575线可见，如果线可见，如果省略垂直空白间隔可以节省省略垂直空白间隔可以节省8的码率的码率(625-575)/625=8%v一行长一行长64微秒，只有微秒，只有52微秒可见，如果微秒可见，如果省略水平空白间隔又可以节省省略水平空白间隔又可以节省19的码率的码率(64-52)/64=19%v因为两个节省有部分重叠，总的节省率大因为两个节省有部分重叠，总的节省率大约约25。Visible,active picture64s52sActive lineV Blanking(8%)575Visible lines

20、625linesH Blanking(19%)数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用18MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v按照按照ITU BT.R601，两个色度分量两个色度分量CB和和CR的采样频率是亮度分量的采样频率是亮度分量Y的的一半，一半，Y的带宽的带宽5.75MHz，CB和和CR的带宽降为的带宽降为2.75MHz。4:2:2格式格式v4:2:2色度分辨率只是水平方向降低。色度分辨率只是水平方向降低。v人眼无法分辨水平和垂直方向的色度分辨率。人眼无法分辨水平和垂直方向的色度分辨率。v垂直方向降低一半色度分辨率的影响人眼不可

21、见。垂直方向降低一半色度分辨率的影响人眼不可见。v4:2:0信号，四个信号，四个Y像素对应一个像素对应一个CB和和CR值。值。v又节省又节省25码率。码率。3、降低垂直色度分辨率、降低垂直色度分辨率(4:2:0)图6.2 4:4:4 4:2:2 4:2:0分辨率数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用19MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03MPEG视频压缩步骤视频压缩步骤20量化量化10bits到到8bits270Mbit/s216Mbit/s25忽略水平和垂直空白间隔忽略水平和垂直空白间隔166Mbit/s-25%降低垂直色度分辨率降

22、低垂直色度分辨率(4:2:0)124.5Mbit/s进一步数据压缩步骤进一步数据压缩步骤26Mbit/s数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用20MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03进一步数据压缩进一步数据压缩DPCMZ扫描扫描VLCHuffman编码编码进一步数据压缩进一步数据压缩进一步数据压缩进一步数据压缩DCT量化量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用21MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v相邻帧之间差别较小，有静止区域不发生变化，有活动区域只改变其位相邻帧之间差

23、别较小，有静止区域不发生变化，有活动区域只改变其位置，还有新增加的对象。置，还有新增加的对象。v如果每帧图像都完全传输，有部分传输的信息完全相同，会导致很高的如果每帧图像都完全传输，有部分传输的信息完全相同，会导致很高的码率。码率。v显然对这些图像区域只传输两帧之间的差值更合适显然对这些图像区域只传输两帧之间的差值更合适DPCM：4、DPCMtimePulse Code Modulationts2550255time0tsDifferential Pulse Code Modulation255time0ts带参考信息的DPCM数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理

24、与应用22MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v连续模拟信号采样数字化时得到等间隔的离散采样值，相当于连续模拟信号采样数字化时得到等间隔的离散采样值，相当于等间隔的脉冲，即等间隔的脉冲，即PCM脉冲编码调制，每个脉冲的高度表示脉冲编码调制，每个脉冲的高度表示该时刻信号的离散采样值。该时刻信号的离散采样值。v由于经过了带限预处理，相邻采样值之间的差值不大，如果只由于经过了带限预处理，相邻采样值之间的差值不大，如果只传输差值可以节省传输容量，降低码率，即传输差值可以节省传输容量，降低码率，即DPCM差分脉冲编差分脉冲编码调制。码调制。vDPCM的问题在于恢复原始信号的延迟

25、较长，可以通过在传输的问题在于恢复原始信号的延迟较长，可以通过在传输差值时，每隔固定间隔就传输一次完全采样值，来解决该问题。差值时，每隔固定间隔就传输一次完全采样值，来解决该问题。v这种方法非常接近这种方法非常接近MPEG-1/-2图像压缩中采用的帧间预测编图像压缩中采用的帧间预测编码。码。4、DPCM数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用23MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v在一帧图像进行静止和运动对象检测之前，首先被分成若干宏块。在一帧图像进行静止和运动对象检测之前，首先被分成若干宏块。4:2:0格式每个宏块由一个格式每个宏块

26、由一个16x16亮度像素亮度像素Y和两个和两个8x8的色度像素的色度像素CB、CR。每帧图像水平和垂直像素数目选择为每帧图像水平和垂直像素数目选择为16和和8的整数倍（的整数倍（720 x576）。）。每隔一定间隔传输一帧完全参考帧，每隔一定间隔传输一帧完全参考帧，I帧帧(Intracoded)，两个两个I帧之间传输差值帧之间传输差值帧。帧。4、DPCM图6.20 帧分解为宏块数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用24MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v求差值的单位是宏块，当前帧宏块与前一帧的求差值的单位是宏块，当前帧宏块与前一帧的

27、宏块进行比较：宏块进行比较：首先检测该宏块是否由于图像中的运动在某方向发首先检测该宏块是否由于图像中的运动在某方向发生位移。生位移。只传输运动向量只传输运动向量MV，如果当前宏块与前一帧的宏块有差值，还传输残如果当前宏块与前一帧的宏块有差值，还传输残差。差。或者宏块是否没变化，也没有位移。或者宏块是否没变化，也没有位移。不需传输任何信息。不需传输任何信息。或者是否是新出现的对象。或者是否是新出现的对象。完全编码完全编码4、DPCM数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用25MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vP帧帧前向预测帧前向预测帧

28、vB帧帧双向预测帧，包括前向和后向预测，码率比双向预测帧，包括前向和后向预测，码率比I/P帧低很多。帧低很多。vGOP两个两个I帧之间帧之间P/B帧的组织结构。帧的组织结构。vGOP结构灵活，一个结构灵活，一个GOP通常包括通常包括12帧：帧：I,B,B,P,B,B,P,vB帧介于帧介于I和和P帧之间，在解码帧之间，在解码B帧之前，必须先解码重建它的前向和后向帧之前，必须先解码重建它的前向和后向参考帧（参考帧（I帧或帧或P帧）。帧）。v因此，视频帧的传送顺序和原始显示顺序不同。因此，视频帧的传送顺序和原始显示顺序不同。v接收端的缓存大小可事先计算出，可以利用接收端的缓存大小可事先计算出，可以利

29、用PES头中的头中的DTS(decoding time stamp)值。值。4、DPCM图6.9 GOP结构数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用26MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v运动估计运动估计得到运动向量过程：得到运动向量过程：对当前要编码帧的宏块，在前面的参考帧（对当前要编码帧的宏块，在前面的参考帧（P帧）或后面的帧）或后面的参考帧（参考帧（B帧）中搜索最佳匹配宏块。帧）中搜索最佳匹配宏块。在当前宏块周围的搜索窗内的块匹配在当前宏块周围的搜索窗内的块匹配找到匹配宏块后就得到所需传输的运动向量。找到匹配宏块后就得到所需传输

30、的运动向量。另外还传输匹配宏块的残差。另外还传输匹配宏块的残差。残差单独再经过残差单独再经过DCT和量化进一步压缩。和量化进一步压缩。4、DPCM图6.11 运动向量Range of block matchingFrame N-1,Motion vectorforwardFrame N,B encodedMacroblockFrame N+1Motion vectorbackward数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用27MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v80年代末，静止图象压缩，年代末，静止图象压缩，JPEG标准的核心算法标准

31、的核心算法DCTvDCT也是也是MPEG视频编码的核心算法视频编码的核心算法v根据人眼视觉特性，低频图象干扰（相应于粗图象结构）比高根据人眼视觉特性，低频图象干扰（相应于粗图象结构）比高频图象（图象细节）干扰更易察觉。频图象（图象细节）干扰更易察觉。v因此，信噪比测量时要根据视觉敏感度进行加权，高频方向比因此，信噪比测量时要根据视觉敏感度进行加权，高频方向比低频图象分量可以容许更大噪声。低频图象分量可以容许更大噪声。v为节省码率，低频信号进行更精细量化，高频信号进行粗量化。为节省码率，低频信号进行更精细量化，高频信号进行粗量化。v如何得到不同频率图象分量？如何得到不同频率图象分量？变换编码。变

32、换编码。vDCT是是DFT和和FFT的特例，将时域图象信号变换到频域。的特例，将时域图象信号变换到频域。5、DCT和量化和量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用28MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 035、DCT和量化和量化图图6.6.13/14 13/14 一维一维DCTDCT及及DCTDCT系数量化系数量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用29MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 035、DCT和量化和量化v对视频帧一行中对视频帧一行中8个象素的时域电压值进行个象素的时域

33、电压值进行DCT得到频域的得到频域的8个系数，依次为直流个系数，依次为直流DC系数、低频、中频和高频系数（视频系数、低频、中频和高频系数（视频信号能量）。信号能量）。v根据人眼视觉特性，根据人眼视觉特性，DCT系数在频域进行量化，除以某个量系数在频域进行量化，除以某个量化因子。化因子。v量化因子越大，量化越粗。对较平滑图象，量化因子改变不量化因子越大，量化越粗。对较平滑图象，量化因子改变不大或根本不变；而对细节丰富图象，量化因子随着频率增高大或根本不变；而对细节丰富图象，量化因子随着频率增高而变大。而变大。v量化后很多系数变为量化后很多系数变为0，尤其对高频系数而言。，尤其对高频系数而言。数字

34、电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用30MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 035、DCT和量化和量化vJPEG和和MPEG中采用二维变中采用二维变换编码。换编码。v图象先被分成图象先被分成8x8象素块，再象素块，再通过二维通过二维DCT变换到频域。变换到频域。v为得到带符号值，在做二维为得到带符号值，在做二维DCT之前，所有象素值先减去之前，所有象素值先减去128。vDCT后即量化，除以合适的量后即量化，除以合适的量化步长化步长183198 220 239 244236 222 211198 209 222 231 229215 198

35、186144 154 170 184 190190 185 180162 164 166 167 165161 157 154195 191 185 180 178178 179 181174 168 161 156 160170 183 192174 160 138 119 112115 125 133152 138 119 105 104115 133 1468X8象素块f(x,y)二维DCT减去128557092 111 116 108 94 83708194 103 1018770 5816814256626257 5234363839373329 2667635752505051 5

36、346403328324255 644632109 1613 3524109 232413518138400000002163699 00000000000009900000000000000058000000006000000000000001F(v,u)=DCT(f(x,y)173000000061200000000000002000000000000000100000000100000000000000816 19 22 26 27 293416 16 22 24 27 29 343719 22 26 27 29 34 343822 22 26 27 29 34 374022 26 27

37、 29 32 35 404826 27 29 32 35 40 485826 27 29 34 38 46 566927 29 35 38 46 56 6983QF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQF(v,u)=F(v,u)/Q(v,u)/scale_factorQ(v,u)Scale_factor=2量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用31MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v8x8象素块做二维象素块做二维DCT后得到频域中的后得到频域中的8x8数组数组:第一个系数是第一个系数是DC系数，对应整

38、个块的直流分量。系数，对应整个块的直流分量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构的能量。第二个系数对应水平方向最粗图象结构的能量。第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构的能量。第一行最后一个系数对应水平方向最精细图象结构的能量。第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构的能量。第一列从上到下对应垂直方向最粗到最细图象结构的能量。对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构的能量对角线上系数对应对角线方向从粗到细图象结构的能量。5、DCT和量化和量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用32MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vDC

39、T后即量化，除以合适的量化步长后即量化，除以合适的量化步长MPEG定义了量化表，可以自定义定义了量化表，可以自定义量化后很多系数变为量化后很多系数变为0量化后矩阵关于对角线近似对称量化后矩阵关于对角线近似对称量化后矩阵系数通过量化后矩阵系数通过Z扫描过程使得连续扫描过程使得连续0的个数最大，便的个数最大，便于采用游程编码可以大大节省码率。于采用游程编码可以大大节省码率。量化是控制基本视频流码率的唯一手段。量化是控制基本视频流码率的唯一手段。DCT量化对宏块中的量化对宏块中的Y分量和分量和CB、CR分量进行。分量进行。量化在宏块层可以通过量化因子调整来控制码率。量化在宏块层可以通过量化因子调整来

40、控制码率。量化表只能在视频序列层修改。量化表只能在视频序列层修改。I帧的宏块即按上述方式编码帧的宏块即按上述方式编码P帧和帧和B帧的宏块先按运动向量得到参考帧中的预测值，再帧的宏块先按运动向量得到参考帧中的预测值，再计算与当前宏块的差值，残差值再经过计算与当前宏块的差值，残差值再经过DCT变换到频域，变换到频域，再进行量化。再进行量化。5、DCT和量化和量化数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用33MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v量化量化DCT系数进行系数进行Z扫描之后，使得连扫描之后，使得连0数目最大。数目最大。v码流中不传这

41、些连续码流中不传这些连续0系数，而是通过游程编码只传连系数，而是通过游程编码只传连0的个数，的个数，vZ扫描和游程编码，与扫描和游程编码，与DCT和量化相配合，是和量化相配合，是MPEG-2高压缩比高压缩比的主要因素。的主要因素。6、Z扫描和游程编码扫描和游程编码Z扫描173600-1020-2000000-10000000000000-10000000000000000000000000000000000173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0RLC17300000006120000000000000200000000000000010000

42、0000100000000000000数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用34MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。游程编码后的码流再进行霍夫曼编码。v出现频率高的码字编码为短码，出现频率低的码字编码为长码。出现频率高的码字编码为短码，出现频率低的码字编码为长码。v进一步冗余度消除，无损过程。进一步冗余度消除，无损过程。7、霍夫曼编码、霍夫曼编码DCcoefficient173,6,2*0,-1,1*0,2,1*0,-2,6*0,-1,13*0,-1,34*0图6.23 Huffman编码Huffm

43、an code tableCodes of variable lengthCodes of variable length数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用35MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 032、MPEG-2视频编码视频编码视频压缩步骤视频压缩步骤压缩算法总结压缩算法总结视频视频ES流结构流结构数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用36MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v将将IUT BT.R601的的4:2:2标清电视信号标清电视信号(270Mbit/s)压缩到压缩

44、到26Mbit/s。v核心压缩算法是运动补偿核心压缩算法是运动补偿DPCM与与DCT变换编码相结合。变换编码相结合。vMPEG-2的不同应用支持的不同应用支持4:2:0和和4:2:2不同格式。不同格式。SD 4:2:0Main ProfileMain LevelSD 4:2:2High ProfileMain LevelHD 4:2:0Main ProfileHigh LevelHD 4:2:2High ProfileHigh Levelv压缩过程都一样，只是质量和码率不同，码率越高质量越好。压缩过程都一样，只是质量和码率不同，码率越高质量越好。v6Mbit/s 4:2:0 SDTV信号质量与

45、传统模拟电视信号相似。信号质量与传统模拟电视信号相似。v视频基本流的码率可以是固定码率或根据当前图像内容可变码率。视频基本流的码率可以是固定码率或根据当前图像内容可变码率。v码率通过编码器改变量化因子进行控制。码率通过编码器改变量化因子进行控制。压缩算法总结压缩算法总结数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用37MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vMPEG-2编码器总体框图编码器总体框图压缩算法总结压缩算法总结数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用38MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,cl

46、ass 03vI,P,B帧的宏块有多种编码模式。帧的宏块有多种编码模式。vB帧宏块的编码模式包括：帧宏块的编码模式包括：帧内编码（完全编码）帧内编码（完全编码）前向预测前向预测双向预测双向预测跳过（不编码）跳过（不编码）v编码模式由编码器根据当前图像内容和信道容量决定。编码模式由编码器根据当前图像内容和信道容量决定。v只传输帧不传输场，在接收端由特殊方式恢复场结构。只传输帧不传输场，在接收端由特殊方式恢复场结构。v宏块有帧编码和场编码方式，场编码方式在宏块有帧编码和场编码方式，场编码方式在DCT之前先分成两场。之前先分成两场。压缩算法总结压缩算法总结 帧宏块编码场宏块编码数字电视原理与应用数字

47、电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用39MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 032、MPEG-2视频编码视频编码视频压缩步骤视频压缩步骤压缩算法总结压缩算法总结视频视频ES流结构流结构数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用40MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v块：视频流的最小单元是块：视频流的最小单元是8x8像素块，是像素块，是DCT的单位。的单位。v宏块：是量化控制的单位，不同宏块可采用不同量化因子。宏块：是量化控制的单位，不同宏块可采用不同量化因子。量化因子是实际视频量化因子是实际视频PES

48、流控制码率的调节器。流控制码率的调节器。量化表不能在宏块层改变。量化表不能在宏块层改变。宏块可以是帧编码或场编码。宏块可以是帧编码或场编码。视频视频ES流结构流结构图6.28 块、宏块、条、帧数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用41MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03vSlice：一行中若干宏块构成一个一行中若干宏块构成一个slice每个每个slice头在误码时用于重同步头在误码时用于重同步误码掩盖主要在误码掩盖主要在slice层，发生误码时，层，发生误码时，MPEG解码器将前一帧的解码器将前一帧的slice复制到当前帧，解码器可以

49、在一个新复制到当前帧，解码器可以在一个新slice开头重新同步，开头重新同步，slice越短，误码造成的干扰越小。越短，误码造成的干扰越小。v帧：若干帧：若干slice构成一帧，有构成一帧，有I/P/B帧帧每一帧都有帧头每一帧都有帧头由于由于B帧，编码顺序和显示顺序不同，帧头和帧，编码顺序和显示顺序不同，帧头和PES头带有时间戳，可头带有时间戳，可以恢复原始帧顺序。以恢复原始帧顺序。vGOP：若干若干I/P/B帧构成一个帧构成一个GOP每一组每一组GOP都有都有GOP头头广播采用短广播采用短GOP，半秒半秒12帧帧MPEG解码器只能在解码器只能在GOP的第一个的第一个I帧重同步。帧重同步。大容

50、量设备如大容量设备如DVD可以采用长可以采用长GOP。v序列：一个序列：一个GOP或多个或多个GOP构成一个序列构成一个序列序列有序列头，包括重要视频参数如量化表。序列有序列头，包括重要视频参数如量化表。视频视频ES流结构流结构数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用数字电视原理与应用42MPEG-2视频编码及其测量视频编码及其测量,class 03v上述视频上述视频PES流结构全部或部分嵌入流结构全部或部分嵌入PES包中，打包方式和包中，打包方式和PES包的长度由视频编码器决定，包的长度由视频编码器决定，PES包也有各自的包头。包也有各自的包头。视频视频ES流结构流结构图6.2