數(shù)字電視技術(shù)應(yīng)用課件

第4章數(shù)字彩色電視制式數(shù)字電視技術(shù)11第4章數(shù)字彩色電視制式數(shù)字電視技術(shù)114.1

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(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)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(hào)建議書(shū)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(duì)角線長(zhǎng)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(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于35mm電影放映的圖像質(zhì)量。4.1.1

多極化的傳輸標(biāo)準(zhǔn)24.1數(shù)字彩色電視制式概述模擬彩色電視制式的缺陷4.1.12美國(guó)1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出發(fā)展ATV(AdvancedTelevision，高級(jí)電視)1990年5月,美國(guó)GI公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTV傳輸制式——DigiCipher1993年5月成立HDTV大聯(lián)盟(GrandAlliance,GA)，著手制定統(tǒng)一的美國(guó)HDTV標(biāo)準(zhǔn)1995年4月通過(guò)了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)3美國(guó)33歐洲1981年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出C-MAC(MultipledAnalogueComponent)制:

亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬8.4MHz1986年提出HD-MAC制 受美國(guó)數(shù)字制式影響，1993年開(kāi)展DVB(DigitalVideoBroadcasting)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(biāo)準(zhǔn)：

DVB-S(Satellite)、DVB-C(Cable)、DVB-T(Terrestrial)4歐洲44日本日本廣播協(xié)會(huì)(NHK)1970-80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(chǎng)，隔行掃描，16:9幅型比；色度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：TCI（時(shí)間壓縮合成）；多重亞奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：4場(chǎng)傳送1幅HDTV圖像；8.1MHz帶寬，調(diào)頻傳送1996年啟動(dòng)數(shù)字電視研制1998年9月制訂ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的DVB-T類(lèi)似5日本55中國(guó)2002年組建音視頻技術(shù)（AVS）標(biāo)準(zhǔn)工作組2006年視頻部分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需要注意：上述標(biāo)準(zhǔn)適用于HDTV和SDTV6中國(guó)66

4.1.2通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)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74.1.2通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮的必要7

通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)即活動(dòng)圖像專(zhuān)家組，建立于1988年MPEG-1：4:2:0采樣壓縮，每秒1.5Mbps的傳輸碼率，圖像大小352×240，掃描頻率30場(chǎng)/秒。圖像質(zhì)量比電視略強(qiáng)，適合于非專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域，如VCD等。MPEG-4：一種廣域傳輸標(biāo)準(zhǔn)，傳輸碼率10kbps-1Mbps，于2000年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):內(nèi)容的交互性,高效的壓縮性，通用的訪問(wèn)性8通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-288MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)?！癙rofile”和“Level”(“型”和“級(jí)”)

按視頻格式分四個(gè)級(jí) 按編碼工具分五個(gè)型 “級(jí)”與“型”的若干組合構(gòu)成MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的子集：對(duì)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(guò)的，稱為MPEG-2適用點(diǎn)。9MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓9101010111111MPEG-2適用點(diǎn)12MPEG-2適用點(diǎn)12124.2.1

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(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大量無(wú)需傳送的多余信息：圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性——空間相關(guān)性相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性——時(shí)間相關(guān)性信息保持無(wú)損壓縮編碼人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最高的分辨力：信息非保持有損壓縮編碼4.2視頻信源編碼原理134.2.1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(shí)間上134.2.2預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼概述預(yù)測(cè)編碼也稱為差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM，DifferentialPulseCodeModulation)，使用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。約80%-90%以上的殘差信號(hào)的絕對(duì)值落在16-18個(gè)量化級(jí)以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用1階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)采用1階前向預(yù)測(cè)或2階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中。144.2.2預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼概述1414為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫(huà)面組成的視頻序列（sequence）劃分為許多圖像組（GOP,GroupofPicture），每個(gè)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(cè)和生成關(guān)系。采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為I圖像(Intra-CodedPicture)采用前向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為P圖像(Predictively-CodedPicture)采用雙向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為B圖像(Bidirectionally-CodedPicture)下頁(yè)為由9幀圖像組成的GOP示意圖15為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫(huà)面組成15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16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16 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

塊:Block8×8像素塊宏塊:Macroblock16×16像素塊像條:Slice——由多個(gè)Macroblock組成圖像組：GOP視頻序列：Sequence圖像：Picture17 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊:Block8×8像素塊宏塊:Mac17宏塊的組成4:2:0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2、4和8。18宏塊的組成4:2:0格式的宏塊4:2:2格式的宏塊4:4:418

在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)8×8的像塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT，DiscreteCosineTransform），將像塊變換為由8×8個(gè)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(gè)系數(shù)是像塊中8×8個(gè)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(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的DC系數(shù)進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相關(guān)性。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè)：19在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)8×8的像塊進(jìn)行19幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)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(jī)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(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前值預(yù)測(cè)。B圖像——雙向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)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(chǔ)器。20幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)行的2020幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

最簡(jiǎn)單的時(shí)域預(yù)測(cè)就是用前一幀作為當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)參考幀。 一個(gè)視頻序列里兩個(gè)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。21幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償2121

在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差值。這種簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)的明顯問(wèn)題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說(shuō)預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)引起的，所以更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。 22 在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差22運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖23運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖2323運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。運(yùn)動(dòng)估值：通過(guò)比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的幀間預(yù)測(cè)稱為具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)。采用塊匹配算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值是十分困難的。在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的 運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其整體的運(yùn)動(dòng)就可以了。24運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。2424塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的16×16亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊——匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定運(yùn)動(dòng)矢量。25塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的16×16亮度塊，在參考幀中25像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，MeanAbsoluteDifference），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對(duì)值的平均值。當(dāng)MAD(i,j)達(dá)到最小時(shí)，兩個(gè)像素塊匹配。此時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量為MV（i,j）。這種搜索方法稱為全搜索，運(yùn)算量相當(dāng)大。為加快搜索過(guò)程，提出了三步法、共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。26像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，MeanA26MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算。27MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)?7282828B幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼 預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值——雙向預(yù)測(cè)。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。 圖4-9

在圖像序列中，P幀和B幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量?？紤]到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量也采用預(yù)測(cè)編碼。

29B幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼2929幀間預(yù)測(cè)模式為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電視的幀間預(yù)測(cè)編碼主要有兩類(lèi)：幀預(yù)測(cè)和場(chǎng)預(yù)測(cè)。幀預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。P幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意30幀間預(yù)測(cè)模式P幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意3030P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場(chǎng)圖像的預(yù)測(cè)編碼幀中第二場(chǎng)圖像為底場(chǎng)的預(yù)測(cè)31P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場(chǎng)圖像的31B場(chǎng)預(yù)測(cè)：用于預(yù)測(cè)的兩個(gè)參考場(chǎng)來(lái)自于最近的解碼參考頂場(chǎng)和底場(chǎng)。編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè)32編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè)32324.2.3變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變換域，以去除空間相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)334.2.3變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘33離散余弦變換(DCT，DiscreteCosineTransform) 考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以塊為單位進(jìn)行的，采用8×8塊。 設(shè)由8×8像素組成的像素塊用矩陣X表示，變換后的系數(shù)塊用矩陣Y表示，則：

正向DCT

反DCT

其中C表示8×8的DCT矩陣，CT是其轉(zhuǎn)置矩陣C滿足正交矩陣性質(zhì)34離散余弦變換(DCT，DiscreteCosineTra34右圖為8×8DCT基本圖像。任何8×8圖像塊都可以用基本圖像與變換系數(shù)乘積的組合來(lái)表示。DCT系數(shù)矩陣左上角系數(shù)y00對(duì)應(yīng)空間直流分量，稱為DC系數(shù)，其他63個(gè)對(duì)應(yīng)交流分量，稱為AC系數(shù)。35右圖為8×8DCT基本圖像。任何8×8圖像塊都可以用基本圖像35363636經(jīng)過(guò)DCT變換后，64個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)。原樣值是9比特，數(shù)據(jù)從0～511；得到的直流系數(shù)的范圍是0～4095，交流系數(shù)的范圍是-2048～2047；量化之后大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)?。人眼對(duì)低頻分量比較敏感，對(duì)高頻分量則不太敏感；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼率。

I幀：系數(shù)矩陣左上角部位的系數(shù)對(duì)應(yīng)空間低頻分量，采用較小的量化間隔，位于右下角部位的系數(shù)采用較大的量化間隔。

P幀和B幀：是對(duì)幀間預(yù)測(cè)差值的變換，DCT系數(shù)不僅僅決定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。DCT系數(shù)的量化37經(jīng)過(guò)DCT變換后，64個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)。原樣值是9比37對(duì)于I幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣對(duì)于P幀和B幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣38對(duì)于I幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣對(duì)于P幀和B幀的亮度和色度38對(duì)自然景物圖像的統(tǒng)計(jì)表明，DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。圖游程編碼的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)由二元數(shù)組(run,level)組成的數(shù)組序列，其中run表示連零的長(zhǎng)度，level表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)EOB(EndofBlock)來(lái)代表。游程編碼(RLC，RunLengthCoding)39對(duì)自然景物圖像的統(tǒng)計(jì)表明，DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平39幀圖像的DCT系數(shù)分布（按非零系數(shù)可能性畫(huà)圖）場(chǎng)圖像的DCT系數(shù)分布（對(duì)照幀圖像，左側(cè)有更多的非零系數(shù)，這是由于場(chǎng)圖像在垂直方向有更強(qiáng)的高頻分量）對(duì)應(yīng)這兩種圖像結(jié)構(gòu)，規(guī)定了兩種掃描方式，Zigzag掃描與交替掃描。40幀圖像的DCT系數(shù)分布（按非零系數(shù)可能性畫(huà)圖）場(chǎng)圖像的DCT40經(jīng)DCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此按Zigzag掃描讀出實(shí)際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的。掃描后出現(xiàn)連零的機(jī)會(huì)比較多，特別到最后，如果都是零，在讀到最后一個(gè)數(shù)后，只要給出“塊結(jié)束”（EOB）碼，就可以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。如圖

41經(jīng)DCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此41第4章數(shù)字彩色電視制式數(shù)字電視技術(shù)4242第4章數(shù)字彩色電視制式數(shù)字電視技術(shù)1424.1

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(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)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(hào)建議書(shū)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(duì)角線長(zhǎng)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(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于35mm電影放映的圖像質(zhì)量。4.1.1

多極化的傳輸標(biāo)準(zhǔn)434.1數(shù)字彩色電視制式概述模擬彩色電視制式的缺陷4.1.143美國(guó)1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出發(fā)展ATV(AdvancedTelevision，高級(jí)電視)1990年5月,美國(guó)GI公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTV傳輸制式——DigiCipher1993年5月成立HDTV大聯(lián)盟(GrandAlliance,GA)，著手制定統(tǒng)一的美國(guó)HDTV標(biāo)準(zhǔn)1995年4月通過(guò)了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)44美國(guó)344歐洲1981年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出C-MAC(MultipledAnalogueComponent)制:

亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬8.4MHz1986年提出HD-MAC制 受美國(guó)數(shù)字制式影響，1993年開(kāi)展DVB(DigitalVideoBroadcasting)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(biāo)準(zhǔn)：

DVB-S(Satellite)、DVB-C(Cable)、DVB-T(Terrestrial)45歐洲445日本日本廣播協(xié)會(huì)(NHK)1970-80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(chǎng)，隔行掃描，16:9幅型比；色度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：TCI（時(shí)間壓縮合成）；多重亞奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：4場(chǎng)傳送1幅HDTV圖像；8.1MHz帶寬，調(diào)頻傳送1996年啟動(dòng)數(shù)字電視研制1998年9月制訂ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的DVB-T類(lèi)似46日本546中國(guó)2002年組建音視頻技術(shù)（AVS）標(biāo)準(zhǔn)工作組2006年視頻部分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需要注意：上述標(biāo)準(zhǔn)適用于HDTV和SDTV47中國(guó)647

4.1.2通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)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484.1.2通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮的必要48

通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)即活動(dòng)圖像專(zhuān)家組，建立于1988年MPEG-1：4:2:0采樣壓縮，每秒1.5Mbps的傳輸碼率，圖像大小352×240，掃描頻率30場(chǎng)/秒。圖像質(zhì)量比電視略強(qiáng)，適合于非專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域，如VCD等。MPEG-4：一種廣域傳輸標(biāo)準(zhǔn)，傳輸碼率10kbps-1Mbps，于2000年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):內(nèi)容的交互性,高效的壓縮性，通用的訪問(wèn)性49通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2849MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。“Profile”和“Level”(“型”和“級(jí)”)

按視頻格式分四個(gè)級(jí) 按編碼工具分五個(gè)型 “級(jí)”與“型”的若干組合構(gòu)成MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的子集：對(duì)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(guò)的，稱為MPEG-2適用點(diǎn)。50MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓50511051521152MPEG-2適用點(diǎn)53MPEG-2適用點(diǎn)12534.2.1

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(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大量無(wú)需傳送的多余信息：圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性——空間相關(guān)性相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性——時(shí)間相關(guān)性信息保持無(wú)損壓縮編碼人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最高的分辨力：信息非保持有損壓縮編碼4.2視頻信源編碼原理544.2.1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(shí)間上544.2.2預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼概述預(yù)測(cè)編碼也稱為差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM，DifferentialPulseCodeModulation)，使用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。約80%-90%以上的殘差信號(hào)的絕對(duì)值落在16-18個(gè)量化級(jí)以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用1階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)采用1階前向預(yù)測(cè)或2階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中。554.2.2預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼概述1455為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫(huà)面組成的視頻序列（sequence）劃分為許多圖像組（GOP,GroupofPicture），每個(gè)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(cè)和生成關(guān)系。采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為I圖像(Intra-CodedPicture)采用前向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為P圖像(Predictively-CodedPicture)采用雙向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為B圖像(Bidirectionally-CodedPicture)下頁(yè)為由9幀圖像組成的GOP示意圖56為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫(huà)面組成56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57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57 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

塊:Block8×8像素塊宏塊:Macroblock16×16像素塊像條:Slice——由多個(gè)Macroblock組成圖像組：GOP視頻序列：Sequence圖像：Picture58 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊:Block8×8像素塊宏塊:Mac58宏塊的組成4:2:0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2、4和8。59宏塊的組成4:2:0格式的宏塊4:2:2格式的宏塊4:4:459

在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)8×8的像塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT，DiscreteCosineTransform），將像塊變換為由8×8個(gè)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(gè)系數(shù)是像塊中8×8個(gè)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(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的DC系數(shù)進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相關(guān)性。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè)：60在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)8×8的像塊進(jìn)行60幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)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(jī)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(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前值預(yù)測(cè)。B圖像——雙向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)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(chǔ)器。61幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)行的2061幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

最簡(jiǎn)單的時(shí)域預(yù)測(cè)就是用前一幀作為當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)參考幀。 一個(gè)視頻序列里兩個(gè)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。62幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償2162

在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差值。這種簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)的明顯問(wèn)題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說(shuō)預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)引起的，所以更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。 63 在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差63運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖64運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖2364運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。運(yùn)動(dòng)估值：通過(guò)比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的幀間預(yù)測(cè)稱為具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)。采用塊匹配算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值是十分困難的。在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的 運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其整體的運(yùn)動(dòng)就可以了。65運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。2465塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的16×16亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊——匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定運(yùn)動(dòng)矢量。66塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的16×16亮度塊，在參考幀中66像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，MeanAbsoluteDifference），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對(duì)值的平均值。當(dāng)MAD(i,j)達(dá)到最小時(shí)，兩個(gè)像素塊匹配。此時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量為MV（i,j）。這種搜索方法稱為全搜索，運(yùn)算量相當(dāng)大。為加快搜索過(guò)程，提出了三步法、共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。67像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，MeanA67MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算。68MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼兀琀.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)?8692869B幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼 預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值——雙向預(yù)測(cè)。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。 圖4-9

在圖像序列中，P幀和B幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量?？紤]到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量也采用預(yù)測(cè)編碼。

70B幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼2970幀間預(yù)測(cè)模式為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電視的幀間預(yù)測(cè)編碼主要有兩類(lèi)：幀預(yù)測(cè)和場(chǎng)預(yù)測(cè)。幀預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。P幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意71幀間預(yù)測(cè)模式P幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意3071P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場(chǎng)圖像的預(yù)測(cè)編碼幀中第二場(chǎng)圖像為底場(chǎng)的預(yù)測(cè)72P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場(chǎng)圖像的72B場(chǎng)預(yù)測(cè)：用于預(yù)測(cè)的兩個(gè)參考場(chǎng)來(lái)自于最近的解碼參考頂場(chǎng)和底場(chǎng)。編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè)73編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè)32734.2.3變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變換域，以去除空間相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)744.2.3變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘74離散余弦變換(DCT，Dis