第十三章數(shù)字電視_1課件

1、第十三章第十三章 數(shù)字電視數(shù)字電視13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù)13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼13.4 數(shù)字電視機頂盒數(shù)字電視機頂盒 數(shù)字彩色電視機數(shù)字彩色電視機(DTV)是數(shù)字信號處理技術(shù)和是數(shù)字信號處理技術(shù)和電視接收技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是將模擬電視信號轉(zhuǎn)電視接收技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是將模擬電視信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行傳輸、接收、處理、存儲、記錄換為數(shù)字信號進行傳輸、接收、處理、存儲、記錄和控制的系統(tǒng)。和控制的系統(tǒng)。13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 模擬電視模擬電視是將圖像

2、的亮度和彩色變化用電量的參數(shù)變化是將圖像的亮度和彩色變化用電量的參數(shù)變化來模擬，所以它對通道有很高的要求。來模擬，所以它對通道有很高的要求。 數(shù)字電視數(shù)字電視則是以離散性而不是以連續(xù)性為主要特征，其則是以離散性而不是以連續(xù)性為主要特征，其數(shù)字信號是按一定方式編碼的高速窄脈沖序列。數(shù)字信號是按一定方式編碼的高速窄脈沖序列。 如讓窄脈沖序列通過一個脈沖判別電路，就能如讓窄脈沖序列通過一個脈沖判別電路，就能“中繼再生中繼再生”出一組無失真無干擾的數(shù)字信號。出一組無失真無干擾的數(shù)字信號。 原來信號引入的畸變和噪聲的影響不但沒有累積效應(yīng)，而且原來信號引入的畸變和噪聲的影響不但沒有累積效應(yīng)，而且還具有還具

3、有很強的抗干擾能力很強的抗干擾能力。 另外，數(shù)字信號處理和存儲另外，數(shù)字信號處理和存儲靈活多變靈活多變，調(diào)節(jié)簡單調(diào)節(jié)簡單，通道利用通道利用率高率高，易于實現(xiàn)自動化易于實現(xiàn)自動化。模擬電視制式的缺陷：模擬電視制式的缺陷：(1) 亮度分解力不足亮度分解力不足(2) 色度分解力不足色度分解力不足13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述(3) 亮色互串亮色互串(4) 亮色增益差和亮色延時差亮色增益差和亮色延時差(5) 微分增益和微分相位微分增益和微分相位13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述(7) 電視信號的幅度利用率不充分電視信號的幅度利用率不充分(8) 聲音信號只有單聲道聲音信號只有單聲

4、道(9) 不適合磁帶節(jié)目的多帶復(fù)制不適合磁帶節(jié)目的多帶復(fù)制(10) 寬高比不適合人眼的視覺特性寬高比不適合人眼的視覺特性(6) 電視信號的時間利用率不充分電視信號的時間利用率不充分(1) 在圖像質(zhì)量改進方面在圖像質(zhì)量改進方面數(shù)字電視的優(yōu)點：數(shù)字電視的優(yōu)點：13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 數(shù)字標準清晰度電視數(shù)字標準清晰度電視(SDTV)和數(shù)字高清晰度電視和數(shù)字高清晰度電視(HDTV)使使圖像和聲音質(zhì)量得到了極大地提高。圖像和聲音質(zhì)量得到了極大地提高。 電視系統(tǒng)的全面數(shù)字化使我們可以在同一個系統(tǒng)中安排不同電視系統(tǒng)的全面數(shù)字化使我們可以在同一個系統(tǒng)中安排不同級別、不同圖像質(zhì)量的業(yè)務(wù)級別

5、、不同圖像質(zhì)量的業(yè)務(wù)。(2) 在業(yè)務(wù)融合方面在業(yè)務(wù)融合方面13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 數(shù)字攝像機、數(shù)字錄像機、數(shù)字磁盤錄像機、非線性編輯系數(shù)字攝像機、數(shù)字錄像機、數(shù)字磁盤錄像機、非線性編輯系統(tǒng)、電腦動畫到虛擬演播室、視頻服務(wù)器和電視中心網(wǎng)絡(luò)化等，統(tǒng)、電腦動畫到虛擬演播室、視頻服務(wù)器和電視中心網(wǎng)絡(luò)化等，使電視臺可以節(jié)目資源共享、制作快捷、無磁帶編輯以及存儲方使電視臺可以節(jié)目資源共享、制作快捷、無磁帶編輯以及存儲方便。便。(3) 在節(jié)目制作手段方面在節(jié)目制作手段方面 大大提高了節(jié)目質(zhì)量、制作能力和工作效率。大大提高了節(jié)目質(zhì)量、制作能力和工作效率。 壓縮技術(shù)的突破和多種新的高效編碼

6、方法和調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，壓縮技術(shù)的突破和多種新的高效編碼方法和調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，使得大信息量的高清晰度數(shù)字電視也能在原來的普通電視頻帶內(nèi)使得大信息量的高清晰度數(shù)字電視也能在原來的普通電視頻帶內(nèi)傳輸。傳輸。(4) 在傳輸方面在傳輸方面13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 原來只能傳一路模擬電視的通道現(xiàn)在能傳原來只能傳一路模擬電視的通道現(xiàn)在能傳4套甚至套甚至8套數(shù)字套數(shù)字SDTV，拓寬了業(yè)務(wù)能力。，拓寬了業(yè)務(wù)能力。13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述圖13.1 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)框圖數(shù)字電視信號的產(chǎn)生：數(shù)字電視信號的產(chǎn)生：n 模擬信號的數(shù)字化過程主要是取樣、量化和編碼；模擬信號的數(shù)字化過

7、程主要是取樣、量化和編碼； 取樣取樣將時間和幅度上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間離散的將時間和幅度上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間離散的信號，即信號，即時間離散化時間離散化。13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 量化量化將幅度連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為幅度離散的信號，即將幅度連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為幅度離散的信號，即幅度離幅度離散化散化。 編碼編碼按照一定的規(guī)律，將時間和幅度上離散的信號用對按照一定的規(guī)律，將時間和幅度上離散的信號用對應(yīng)的二進制或多進制代碼表示。應(yīng)的二進制或多進制代碼表示。13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述圖13.2 模擬信號數(shù)字化框圖圖中圖中fc為濾波器的截止頻率，為濾波器的截止頻率，fs為

8、取樣為取樣頻率。頻率。13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述圖13.3 模擬信號理想取樣前后的頻譜二維信號取樣：二維信號取樣：13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 發(fā)端通過攝像機將光圖像轉(zhuǎn)換成電圖像，光電轉(zhuǎn)換器件是發(fā)端通過攝像機將光圖像轉(zhuǎn)換成電圖像，光電轉(zhuǎn)換器件是具有積分作用的器件，因此有如下的積分關(guān)系：具有積分作用的器件，因此有如下的積分關(guān)系：( , , )( , , , )Y x y tYx y t d 對于一個彩色平面活動圖像來說，圖像中任一點的亮度對于一個彩色平面活動圖像來說，圖像中任一點的亮度Y是是光波長光波長、水平位置、水平位置x、垂直位置、垂直位置y和時間和時間t的

9、函數(shù)。的函數(shù)。圖13.4 圖像平面和二維取樣脈沖13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述x和和y為水平為水平方向和垂直方向方向和垂直方向上的取樣間隔上的取樣間隔 取樣后的信號為取樣后的信號為： ( , )( , )Sijfx yf x yxi xyi y 13.1 13.1 數(shù)字電視概述數(shù)字電視概述 量化量化就是把幅度連續(xù)變化的信號變換為幅度離散的信號。就是把幅度連續(xù)變化的信號變換為幅度離散的信號。 顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，因此量化過程顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，因此量化過程將不可避免地帶來將不可避免地帶來量化誤差量化誤差。模擬信號到數(shù)字信號的映射變換模擬信號到數(shù)字

10、信號的映射變換 標量量化標量量化是是一維量化一維量化，所有取樣使用同一個量化器進行量化，所有取樣使用同一個量化器進行量化，每個取樣的量化都和其他所有取樣無關(guān)，因此也稱為每個取樣的量化都和其他所有取樣無關(guān)，因此也稱為無記憶無記憶量化量化。 矢量量化矢量量化是是多維量化多維量化，是先將，是先將k個取樣值序列形成個取樣值序列形成k維維空間中的空間中的一個矢量，然后將此矢量進行量化。一個矢量，然后將此矢量進行量化。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù)13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 無損壓縮，又稱為可逆編碼無損壓縮，又稱為可逆編碼(Reversible Coding

11、)。圖像壓縮方法在廣義上可分為：圖像壓縮方法在廣義上可分為： 有損壓縮，又稱不可逆壓縮有損壓縮，又稱不可逆壓縮(Non-Reversible Coding)。 一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；一是利用圖像中存在大量冗余度可供壓縮；圖像數(shù)據(jù)的壓縮機理來自兩個方面：圖像數(shù)據(jù)的壓縮機理來自兩個方面： 二是利用人眼的視覺特性。二是利用人眼的視覺特性。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 空間冗余空間冗余圖像數(shù)據(jù)的冗余度：圖像數(shù)據(jù)的冗余度： 時間冗余時間冗余 在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景具有很強的相關(guān)性。在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景具有很強的相關(guān)性。 電視圖像序列中相鄰

12、兩幅圖像之間有較大的相關(guān)性。電視圖像序列中相鄰兩幅圖像之間有較大的相關(guān)性。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 結(jié)構(gòu)冗余和知識冗余結(jié)構(gòu)冗余和知識冗余 圖像從大面積上看常存在有紋理結(jié)構(gòu)，稱之為圖像從大面積上看常存在有紋理結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)構(gòu)冗余結(jié)構(gòu)冗余。 視覺冗余視覺冗余 人眼的視覺系統(tǒng)對于圖像的感知是非均勻和非線性的，對圖像人眼的視覺系統(tǒng)對于圖像的感知是非均勻和非線性的，對圖像的變化并不都能察覺出來。的變化并不都能察覺出來。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 亮度辨別閾值亮度辨別閾值人眼的視覺特性：人眼的視覺特性： 當景物的亮度在背景亮度基礎(chǔ)上增加很少時，人眼辨別

13、不出，當景物的亮度在背景亮度基礎(chǔ)上增加很少時，人眼辨別不出，只有當亮度增加到某一數(shù)值時，人眼才能感覺其亮度有變化。只有當亮度增加到某一數(shù)值時，人眼才能感覺其亮度有變化。 人眼剛剛能察覺的亮度變化值稱為人眼剛剛能察覺的亮度變化值稱為亮度辨別閾值亮度辨別閾值。 掩蓋效應(yīng)掩蓋效應(yīng) “掩蓋效應(yīng)掩蓋效應(yīng)”是指人眼對圖像中量化誤差的敏感程度，與圖是指人眼對圖像中量化誤差的敏感程度，與圖像信號變化的劇烈程度有關(guān)。像信號變化的劇烈程度有關(guān)。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 視覺閾值視覺閾值 視覺閾值視覺閾值是指干擾或失真剛好可以被察覺的門限值。低于它是指干擾或失真剛好可以被察覺的門限值。低

14、于它就察覺不出來，高于它才看得出來，這是一個統(tǒng)計值。就察覺不出來，高于它才看得出來，這是一個統(tǒng)計值。 空間分辨力空間分辨力 空間分辨力空間分辨力是指對一幅圖像相鄰像素的灰度和細節(jié)的分辨力，是指對一幅圖像相鄰像素的灰度和細節(jié)的分辨力，視覺對于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。視覺對于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。13.2 13.2 圖像壓縮編碼技術(shù)圖像壓縮編碼技術(shù) 基于圖像信源統(tǒng)計特性的壓縮方法基于圖像信源統(tǒng)計特性的壓縮方法根據(jù)壓縮機理的不同，數(shù)據(jù)壓縮編碼方法大致可以分成三類：根據(jù)壓縮機理的不同，數(shù)據(jù)壓縮編碼方法大致可以分成三類： 基于人眼視覺特性的壓縮方法基于人眼視覺特性的壓縮方法 有預(yù)測編碼、變換編碼、

15、矢量量化編碼、子帶小波編碼和神經(jīng)網(wǎng)有預(yù)測編碼、變換編碼、矢量量化編碼、子帶小波編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼法等。絡(luò)編碼法等。 有基于方向濾波的圖像編碼法和基于圖像輪廓紋理的編碼法等。有基于方向濾波的圖像編碼法和基于圖像輪廓紋理的編碼法等。 基于圖像景物特征的壓縮方法基于圖像景物特征的壓縮方法 有分形編碼法和基于模型的編碼方法等。有分形編碼法和基于模型的編碼方法等。13.3 13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼信源編碼分類：信源編碼分類： 幀間編碼（幀間編碼（MPEG ，動態(tài)圖像專家組），動態(tài)圖像專家組） 幀內(nèi)編碼（幀內(nèi)編碼（JPEG，靜態(tài)圖像專家組），靜態(tài)圖像專家組）13.3 13.3

16、 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼 音頻信號壓縮編碼音頻信號壓縮編碼JPEG標準包括兩種基本壓縮方法：標準包括兩種基本壓縮方法：(2) 無損壓縮方法無損壓縮方法，又稱預(yù)測壓縮方法。它是以二維差值，又稱預(yù)測壓縮方法。它是以二維差值脈碼調(diào)制為基礎(chǔ)的壓縮方式，解碼后能完全精確地恢復(fù)原脈碼調(diào)制為基礎(chǔ)的壓縮方式，解碼后能完全精確地恢復(fù)原圖像采樣值，其壓縮比低于有損壓縮方法。圖像采樣值，其壓縮比低于有損壓縮方法。(1) 有損壓縮方法有損壓縮方法：它是以離散余弦變換：它是以離散余弦變換(DCT)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的壓縮方法，其壓縮比較高，是壓縮方法，其壓縮比較高，是JPEG標準的基礎(chǔ)。標準的基礎(chǔ)。1

17、3.3 13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼13.3 13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼 MPEG標準的標準的視頻壓縮編碼視頻壓縮編碼技術(shù)主要：技術(shù)主要： 利用了具有利用了具有運動補償運動補償?shù)膸g壓縮編碼技術(shù)以減小時間冗余度；的幀間壓縮編碼技術(shù)以減小時間冗余度； 利用利用DCT技術(shù)以減小技術(shù)以減小圖像圖像的空間冗余度；的空間冗余度； 利用利用熵編碼熵編碼則在信息表示方面減小了統(tǒng)計冗余度。則在信息表示方面減小了統(tǒng)計冗余度。這幾種技術(shù)的綜合運用，大大增強了壓縮性能。這幾種技術(shù)的綜合運用，大大增強了壓縮性能。MPEG標準包括：標準包括：MPEG-1MPEG-2

18、MPEG-4MPEG-713.3 13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼MPEG-21AC-1、AC-2、AC-3MPEG-1聲頻壓縮標準聲頻壓縮標準音頻壓縮標準：音頻壓縮標準：13.3 13.3 數(shù)字電視信號的信源編碼數(shù)字電視信號的信源編碼13.4 13.4 數(shù)字電視機頂盒數(shù)字電視機頂盒13.4 13.4 數(shù)字電視機頂盒數(shù)字電視機頂盒數(shù)字電視機頂盒概念數(shù)字電視機頂盒概念 對于機頂盒，目前沒有標準的定義，傳統(tǒng)的說法是：對于機頂盒，目前沒有標準的定義，傳統(tǒng)的說法是：“置于電置于電視機頂上的盒子視機頂上的盒子”。 它是利用有線電視網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺，電視機作為用戶終端，它是利用有線電

19、視網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺，電視機作為用戶終端，以提高現(xiàn)有電視機的性能或增加其功能。以提高現(xiàn)有電視機的性能或增加其功能。 由于功能和用途不同，使得由于功能和用途不同，使得“機頂盒機頂盒”這個概念有些模糊不清，這個概念有些模糊不清，如早期的增補頻道機頂盒、圖文電視機頂盒、付費電視機頂盒等。如早期的增補頻道機頂盒、圖文電視機頂盒、付費電視機頂盒等。 數(shù)字電視機頂盒的基本功能數(shù)字電視機頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，同時具是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，同時具有所有廣播和交互式多媒體應(yīng)用功能，包括：有所有廣播和交互式多媒體應(yīng)用功能，包括：(1) 電子節(jié)目指南（電子節(jié)目指南（EPG）：它為用戶提供一種容易使用、界面友好、：它為用戶提供一種容易使用、界面友好、可以快速訪問想看節(jié)目的方式，用戶可以通過該功能看到一個或多個可以快速訪問想看節(jié)目的方式，用戶可以通過該功能看到一個或多個頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節(jié)目。頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節(jié)目。(3) 軟件在線升級軟件在線升級：它可看成是數(shù)據(jù)廣播的應(yīng)用之一。數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器：它可看成是數(shù)據(jù)廣播的應(yīng)用之一。數(shù)據(jù)廣播服務(wù)器按數(shù)據(jù)廣播標準將升級軟件廣播下來，機頂盒能識別該軟件的版本號，按數(shù)據(jù)廣播標準將升級軟件廣播下來，機頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時接收該軟件，并對保存在存儲器中的軟件進行更新。在版本不同時接收該軟件，并對