視頻信號數(shù)字化

1、A6視頻信號數(shù)字化A1數(shù)字信號及其優(yōu)越性A2數(shù)字信號的編碼A3糾錯技術(shù)基礎(chǔ)A5數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)A4誤碼補償數(shù)字信號及視頻信號數(shù)字化2022/8/24A1 數(shù)字信號及其優(yōu)越性 1模擬信號 模擬信號的特點是信號幅度隨時間連續(xù)變化。對模擬信號的處理通常包括放大、調(diào)制、變頻、解調(diào)、換能等。模擬信號在處理過程中，常會由于電路系統(tǒng)指標不良而產(chǎn)生失真。如傳輸線路頻帶不足導致波形失真，處理電路動態(tài)范圍不夠造成限幅失真，放大器的線性不良產(chǎn)生非線性失真，傳輸系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲使信噪比降低等。2022/8/24模擬系統(tǒng)中的噪聲與失真等影響是積累的，模擬信號經(jīng)過多次處理后，信號質(zhì)量會明顯變劣。為了克服模擬信號在傳輸過程中

2、由于受到系統(tǒng)質(zhì)量指標的影響而造成的信號變形和失真，并對信號進行更有效的處理與保存，必須對模擬信號進行數(shù)字化處理，即通常說的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)。2022/8/242數(shù)字信號及其優(yōu)越性 數(shù)字信號只有高電平和低電平兩個不同的狀態(tài)，相應(yīng)地數(shù)字電路中只有導通和截止兩種狀態(tài)，因而電路的工作穩(wěn)定可靠。更主要的是數(shù)字信號可以用計算機技術(shù)來處理，使傳統(tǒng)的電路概念發(fā)生了深刻的革命。 數(shù)字信號僅有0與l兩個不同的狀態(tài)傳輸過程中只要能區(qū)分這兩種狀態(tài)，信號就不會失真。就是說，在傳輸時即使遇到干擾或失真，只要仍能區(qū)分高電平和低電平，就可以將信號復原。2022/8/24模擬變數(shù)字：取樣、量化、保持、編碼激光唱片系統(tǒng)的取

3、樣頻率是44.1千赫率.每一個取樣點由十六位二進制來表示2022/8/24A2 數(shù)字信號的編碼 一、音頻數(shù)據(jù)碼 模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，形成只有1和0組成的二進制碼。這些由l和0組成的數(shù)碼不能直接用于傳輸或記錄因為音頻信號在低頻時可以低到20Hz，甚至更低。若變換成數(shù)字信號，就會出現(xiàn)連續(xù)很長的1；當輸入零信號時，出現(xiàn)連續(xù)很長的0。這樣，一段時間內(nèi)信號的大小就沒有變化，這種情況數(shù)字處理電路很難識別信號。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，不直接記錄A/D轉(zhuǎn)換后的音頻數(shù)字信號，而是將音頻數(shù)字信號通過調(diào)制變換成一種容易記錄和讀取的波形。經(jīng)過調(diào)制的音頻信號稱為音頻數(shù)據(jù)碼。2022/8/24為了便于對數(shù)據(jù)進行處理，必須

4、將連續(xù)信號分組。CD標準規(guī)定，音頻信號的L和R聲道的各6個取樣數(shù)據(jù)合編為一組稱為數(shù)據(jù)幀(又稱CD幀)。一個取樣數(shù)據(jù)是16位在傳輸時把它分為高位和低位各8位即兩個字節(jié)，因此一個CD幀有62224字節(jié)的音頻數(shù)據(jù)。由于取樣頻率是44.1kHz，所以數(shù)據(jù)幀的重復頻率為44.1kHz67.35kHz。 另外，為了能淮確重放信號和實現(xiàn)重放控制，還在數(shù)據(jù)幀里插入糾錯碼、控制碼、同步碼以及其他工作數(shù)據(jù)。2022/8/24二、糾錯碼 數(shù)字信號能辨認出原來的數(shù)字0或1，就能恢復原來的數(shù)字信號，但是，如果信號丟失或出錯，仍然會造成失真。丟失和出錯的信號稱為誤碼。數(shù)字信號在記錄和讀取過程中不可避免地產(chǎn)生誤碼，其影響比

5、模擬信號更嚴重。 CD系統(tǒng)中為了達到誤碼糾正的目的，采用了CIRC交叉交織糾錯編碼。信號記錄前對每幀24個音頻數(shù)據(jù)進行C2編碼和C1編碼，附加4個C2糾錯字節(jié)(Q糾錯碼)和4個C1糾錯字節(jié)(P糾錯碼)，重放時經(jīng)糾錯解碼可以將大多數(shù)誤碼糾正過來。2022/8/24糾錯原理示意圖 2022/8/24A3 糾錯技術(shù)基礎(chǔ) 一、1、誤碼產(chǎn)生的原因： 當發(fā)送端發(fā)“1”，接收端收到“0”；或當發(fā)射端發(fā)“0”，接收端卻收到“1”。這種收發(fā)碼不一致的情況叫誤碼。 誤碼率：也用來衡量數(shù)字系統(tǒng)正確傳送信號的可靠程度，指碼元或符號（可以是二進制，也可以是M進制）被傳錯的概率 誤碼產(chǎn)生的原因很多，包括噪聲和脈沖抖動的影

6、響，工業(yè)干擾和雷電干擾等等。影響誤碼率大小的因素很多，如信號調(diào)制方式，判別門限值的高低。誤碼率越小，要求視頻信噪比越高。比如，為了使某數(shù)字系統(tǒng)的誤碼率達到10-9，要求信噪比為21.6dB左右。 2誤碼的類型 (1)隨機誤碼 只有一位出錯的誤碼叫隨機誤碼，有時也把大于1位但比較短的誤碼叫作隨機誤碼。(2)連續(xù)誤碼 連續(xù)誤碼又稱群誤碼。長度長，糾錯比較困難2022/8/24二、奇偶檢驗將誤碼校正為正確的碼字稱為糾錯，其基本方法是采用奇偶檢驗碼來檢測誤碼所在。碼的奇偶性就是指碼中1的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。奇偶檢驗就是在每個字節(jié)的末尾時加一位校驗位。使數(shù)據(jù)碼中1的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。經(jīng)過存儲或傳輸后，再

7、求一次奇偶位，與原來的奇偶位相比較，若不一致、則表示有錯。 奇偶檢驗包括奇檢驗和偶檢驗。奇檢驗就是當數(shù)據(jù)碼中1的個數(shù)為奇數(shù)時其校驗位為0，否則為1。偶檢驗就是當數(shù)據(jù)碼中1的個數(shù)為偶數(shù)時，其校驗位為0，否則為1。2022/8/24奇偶檢驗法只能判定1位誤碼，對于兩個以上的誤碼是無法判定的；而且只能判定有無誤碼，無法確定誤碼的位置。采用縱橫奇偶檢驗法。每個字最后附上奇偶檢驗位Pl、P2、P3、Pm，這就是橫向奇偶檢驗字。將每一列作為一個新的字，其后也附上奇偶檢驗位Q1、Q2、Q3、Qm，這就是縱向奇偶檢驗字。當某一位出現(xiàn)誤碼時，必然反映在橫向奇偶位和縱向奇偶位上。出錯的橫向奇偶檢驗位和出錯的縱向奇

8、偶檢驗位的交叉點處，便是誤碼所在的位置。誤碼的位置確定后，糾正是很容易的，只要將該碼取反即可。另外規(guī)定，如果誤碼所在地是在奇偶檢驗位上，則認為原字碼無錯誤。 縱橫奇偶檢驗法可以糾正單個隨機誤碼，對連續(xù)誤碼是無能為力的。2022/8/24縱橫奇偶檢驗法：2022/8/24三、交叉交織法在一般數(shù)字系統(tǒng)中，解決連續(xù)誤碼的方法常用交叉交織法。交叉交織法的功能是將連續(xù)誤碼分散開，變成容易糾錯的隨機誤碼。交織法就是記錄時改變數(shù)字信號的順序，重放時再按原來的順序重排，前者稱為交織，后者稱為去交織。具體做法就是把數(shù)字信號按時間順序分組，再使各組延遲一定的時間，然后調(diào)換順序(即交織)重新組合，將這種交織處理后的

9、數(shù)字信號記錄在光盤上。這樣一來，重放時如果在交織過的信號中出現(xiàn)了連續(xù)誤碼，但經(jīng)去交織處理后，數(shù)字信號的排列順序被還原同時誤碼被分散開來，連續(xù)誤碼變成了隨機誤碼，這樣就容易糾錯了。2022/8/24交織法示意圖 ：2022/8/24分組延遲型交織法 ：2022/8/24交叉交織編碼器框圖 ：交叉交織法就是給交織之前和交織之后的不同字組都分別加上糾錯碼。 2022/8/24A4、誤碼補償里德索羅門交叉交織碼具有很強的糾錯能力，但是仍會有超出其糾錯能力的誤碼。對于這些無法糾正的誤碼，必須采取一些補救措施，以達到和原信號近似的狀態(tài)，避免形成有害噪聲。根據(jù)誤碼的前后關(guān)系，計算出誤碼原近似值的方法叫做誤碼

10、補償。誤碼補償是使誤碼盡量接近原碼的一種近似方法，和糾錯是不同的概念。下面介紹幾種常用的誤碼補償方法。 1無聲法 這種方法是使誤碼處變成無聲，誤碼處置零。粗糙的補償方法，一般不用。 2022/8/242線性插補法 這種方法用誤碼前后兩個(或多個)正確數(shù)據(jù)的平均值來代替誤碼。這是較精確的誤碼補償方法。3前字保持法 這種方法就是保持誤碼前面的那個數(shù)據(jù)來代替誤碼。這是一種存儲操作，因為是重復以前的值。采用前字保持法的失真很小。 4前字保持和插補結(jié)合法 這種方法可以對兩個誤碼進行補償，即誤碼的前一個數(shù)據(jù)被保持，用來代替第一個誤碼，這個數(shù)據(jù)和第二個誤碼后面的一個正確數(shù)據(jù)的平均值，用來代替第二個誤碼。20

11、22/8/24A5 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)一、視頻信號的數(shù)據(jù)量 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，會帶來巨大的數(shù)據(jù)量要求數(shù)字處理設(shè)備有很高的傳輸速率。若數(shù)字化信號的取樣頻率為fs，量化位數(shù)為N，則其數(shù)字信號的傳輸速率(或稱碼率)RfsN。此即為信號在系統(tǒng)中每秒傳送的碼位數(shù)(簡寫為bps)。 彩色數(shù)字電視規(guī)定Y：U：V的分量編碼方式，其取樣頻率分別為13.56.756.75MHz，每一取樣值以8bit量化則一路彩色電視圖像信號的碼率為： R(13.5十6.75+6.75)MHz 8bit216Mbps2022/8/24每一種彩色空間都產(chǎn)生一種亮度分量信號和兩種色度分量信號，而且亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是

12、相互獨立的，每一種變換使用的參數(shù)都是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備。YUV模型用于PAL制式的電視系統(tǒng)，Y表示亮度，UV并非任何單詞的縮寫。 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B Y) V = 0.877 (R Y)YUV空間相當于對RGB（彩色矩陣）空間做了一個解相關(guān)的線性變化。U和V的比值決定色調(diào)，而(U2+V2)1/2代表顏色的飽和度。YUV返回2022/8/24數(shù)字化信號巨大的數(shù)據(jù)量帶來了存儲和傳輸?shù)睦щy。為能在較窄頻帶的設(shè)備中傳輸視頻信號，對信號的數(shù)據(jù)量進行深入研究，發(fā)現(xiàn)在這些大量的數(shù)據(jù)中，有一些是帶有信息的，有一些則幾乎不帶什么信息。我們把

13、這些數(shù)據(jù)的總量稱為數(shù)據(jù)量把攜帶信息那部分的數(shù)據(jù)稱為信息量，而把不攜帶信息的那部分數(shù)據(jù)稱為冗余量。只要把信息量保存和利用起來，就可以恢復原來的圖像信號。因此，在對信號源編碼時，總是要力求壓縮冗余量，以提高信號傳輸與存儲的效率。 2022/8/24二、冗余數(shù)據(jù)的分類為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的壓縮，必須了解數(shù)據(jù)中有哪些類型的冗余。聲音和圖像信號數(shù)據(jù)中，比較常見的冗余有： 1空間冗余 空間冗余是指一幅圖像中存在的冗余數(shù)據(jù)。圖像中總是存在大量有規(guī)則的背景或景物，或者說圖像的像素并不是獨立的，而是有較強的相關(guān)性。例如一幅畫面的背景是一片蔚藍的天空，其蔚藍天空的像素組成具有較強的相關(guān)性，我們沒有必要將這蔚藍天空的像素逐

14、點編碼。這種相關(guān)性的圖像部分，在數(shù)字化數(shù)據(jù)中就表現(xiàn)為空間冗余?？臻g冗余是視頻圖像中常見的一種冗余。2022/8/242時間冗余 時間冗余是指電視圖像序列中，相鄰幀之間存在的冗余數(shù)據(jù)。在電視圖像序列前后相鄰的兩幅圖像中，其圖像間呈現(xiàn)較強的相關(guān)性。即相鄰兩幅圖像的差別很小，我們可以只對其差別部分進行編碼。這種圖像間的相關(guān)性，反映為時間冗余。在語音和音樂等音頻信號中，相對于取樣數(shù)據(jù)來說都是一個連續(xù)的過程，也存在著時間上的相關(guān)性，所以也有時間冗余。 3信息熵冗余 信號源所含有的平均信息量稱為信息熵。在通常的編碼中，數(shù)據(jù)量常大于此平均信息量，這種由于編碼帶來的冗余稱為信息熵冗余(或編碼冗余)。 2022

15、/8/244知覺冗余 知覺冗余是指那些處于人們聽覺和視覺分辨力以下的聲音和圖像信號。若在編碼時舍去這些在知覺門限以下的信號，雖然會使復原信號產(chǎn)生一定的失真，但并不被人們的知覺所覺察。這種超出人們覺知能力部分的編碼就稱之為知覺冗余。 人們的感知機理由生理心理特性所決定。充分利用視覺上的暫留特性、聽覺上的掩蔽特性等來去除知覺冗余，提高編碼效率。2022/8/24 三、數(shù)據(jù)壓縮編碼方式數(shù)據(jù)壓縮處理通常包括編碼和解碼兩個過程。根據(jù)解碼后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)是否完全一致，可以把數(shù)據(jù)壓縮方法分成兩類：可逆壓縮與不可逆壓縮。前者在編碼時僅去除冗余數(shù)據(jù)，解碼后能完全恢復原來的數(shù)據(jù)，其過程是可逆的；后者在編碼時不僅去

16、除了冗余數(shù)據(jù)，而且舍去了部分不重要的信息，解碼后不能精確恢復原數(shù)據(jù)，有一定的失真，其過程是不可逆的。 信號源中常含有各種冗余，對不同性質(zhì)的冗余常采取不同的編碼方法。 2022/8/24無損編碼模式指的是數(shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，數(shù)據(jù)信息沒有任何損失，經(jīng)解碼處理可以完全恢復原來的數(shù)據(jù)。典型的例子是計算機軟件的壓縮處理，如ZIP、RAR等。有損的編碼模式指的是數(shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，數(shù)據(jù)信息次要部分被丟失，經(jīng)解碼處理不能完全恢復原來的數(shù)據(jù)。典型的例子是MPEG編碼壓縮。 2022/8/241預測編碼 預測編碼是對活動圖像進行壓縮的編碼方法，它包括運動補償、自適應(yīng)預測、線性及非線性預測等。在一幀圖像中，對于空間冗

17、余，反映為同幀(幀內(nèi))圖像中相鄰像素點之間有較強的相關(guān)性，故可用與某一像素點的相鄰已編碼點來進行預測估計。對于時間冗余，則表現(xiàn)為幀間相同位置點之間的相關(guān)性，故可用相鄰的已編碼幀來進行預測估計。預測編碼減少了數(shù)據(jù)在時間和空間上的相關(guān)性，因而減少了冗余量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮2信息熵編碼 這是一種根據(jù)信息熵的原理，讓出現(xiàn)概率大的數(shù)據(jù)用短的碼字表示，出現(xiàn)概率小的則用長的碼字表示。其最常見的方法有哈夫曼編碼(Huffman coding)、游程編碼(RunLength Coding)以及算術(shù)編碼等。2022/8/243變換編碼 變換編碼是指從時域到頻域的變換處理。通常是將圖像信號(時域信號)變換到系數(shù)空間(頻

18、域)上再進行處理，這也是針對活動圖像進行壓縮的方法。在空間上具有強相關(guān)的信號，反映在頻域上其能量常常集中在某些特定的區(qū)域。我們可以利用這些規(guī)律分配頻域上的量化位數(shù)，從而達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。在變換編碼中常見的有DCT(Discrete Cosine Transform離散余弦變換)等正交變換方法。4子帶編碼 這是一種分析與綜合的編碼，在子帶編碼(Subband Coding)中，先將圖像數(shù)據(jù)從時域變換到頻域，再按頻率分成各個子帶，然后利用子帶濾波器對信號進行分析，再按一定規(guī)則及算法得到壓縮編碼信號。 2022/8/24A6 視頻信號數(shù)字化 視頻信號數(shù)字化處理的一些基本方式，如取樣、量化、編碼和D

19、/A轉(zhuǎn)換等，與音頻信號基本相同。 但由于視頻信號自身的特點，其數(shù)字化處理也有其特殊性，主要表現(xiàn)在取樣結(jié)構(gòu)和取樣頻率上。 2022/8/24一、視頻信號數(shù)字化的特點 視頻信號指的是彩色全電視信號(FBAS)：亮度信號、色度信號、行場同步信號、行場消隱信號及其他輔助信號組成。2022/8/24 常用的電視制式：NTSC制和PAL制。 PAL制即625/50制，場頻為50HZ，兩場為1幀，幀頻為25Hz，每幀有625行。根據(jù)隔行掃描原理，每一場由312.5行組成，每一幀為625行，由此構(gòu)成一幅完整的電視圖像。同步信號和消隱信號是始終不變的，變化的是亮度信號，它隨圖像的明暗程度而變化。 視頻信號與音頻

20、信號的區(qū)別： 一：由于亮度信號被同步信號和消隱信號分成一段一段的，在時間上成為不連續(xù)； 二：音頻信號的頻率范圍只有020kHz，而視頻信號的頻率范圍則達06MHz，兩者之間相差很大。2022/8/24 對視頻信號數(shù)字化的方式：全信號數(shù)字化和分量數(shù)字化全信號數(shù)字化：對圖C信號直接進行數(shù)字化分量數(shù)字化：對圖a、d和e信號分別進行數(shù)字化，然后利用時分復合方法進行處理。分量數(shù)字化由于省去了電視信號的反復解碼和編碼，亮度信號和色差信號被分開處理，相互間不存在干擾，同時對制式的兼容性也好，所以目前普遍采用分量數(shù)字化。2022/8/24 (一)視頻信號的取樣結(jié)構(gòu) 無論何種制式，電視屏幕上的一幅完整圖像都是以

21、隔行掃描的形式進行的，既有水平掃描又有垂直掃描。這樣在取樣時就產(chǎn)生了取樣點的分布問題，因取樣而構(gòu)成圖像上的樣點排列方式稱為取樣結(jié)構(gòu)。 視頻取樣結(jié)構(gòu)：移動型、固定型2022/8/24(二)取樣頻率 在電視信號中，取樣頻率考慮因素：亮度、色差、其他因素。 1、亮度信號的取樣頻率1)與被取樣信號的帶寬有關(guān) 根據(jù)奈奎斯特取樣定理，取樣頻率至少是信號上限頻率的2倍。對PAL制要求5.86MHz帶寬， NTSC為5.6 MHz帶寬。 2)混疊要求 為了保證取樣后的混疊噪聲足夠小，要求取樣頻率是信號帶寬的2.22.7倍，對PAL制信號，取樣頻率至少應(yīng)為12.7213.2MHz，為留有余量，應(yīng)大于13.2MH

22、Z。3)正交取樣結(jié)構(gòu)的要求 取樣頻率必須是行頻的整數(shù)倍。4)制式兼容要求 為了使NTSC和PAL兩種制式兼容、必須采用同一種取樣頻率，而PAL制行頻為l5625Hz，NTSC制行頻為15734Hz。二者的最小公倍數(shù)為2.25MHz。 綜合以上因素，將亮度信號的取樣頻率定為13.5MHz。2022/8/242.色度信號的取樣頻率 為了獲得滿意的彩色圖像，兩個色差信號應(yīng)有2MHz帶寬，另外，考慮到混疊噪聲、取樣頻率應(yīng)為行頻的整數(shù)倍、制式的兼容性等要求，色差信號的取樣頻率取6.75MHz。 圖4-4為亮度信號和色差信號的取樣點，其中圓圈為亮度信號的取樣點，三角為色差信號的取樣點。 2022/8/24(三)量化位數(shù)和碼電平的分配信號的信噪比與量化位數(shù)有關(guān)。單極性信號，其信噪比與量化位數(shù)的關(guān)系： SNg6n十10.8 n為量化位數(shù)量化位數(shù)越大，信噪比越高。綜合考慮圖像質(zhì)量和設(shè)備技術(shù)要求等因素，采用8位量化數(shù)比較合理，此時信噪比可達到59dB。 2022/8/24碼電平是指對模擬信號的量化級電平。若對亮度信號采用8位均勻量化，可獲得256個量化級，即碼電平從0255，對應(yīng)二進制的0000000011111111。由于電路工作的不穩(wěn)定性、陡峭的前置濾波器和孔闌校正電