數(shù)字視頻信號源的編碼器和解碼器的研究

..WORD整理版專業(yè)資料學(xué)習(xí)參考摘要數(shù)字視頻/音頻壓縮編碼是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié),主要解決電視信號數(shù)字化后所帶來的海量數(shù)據(jù)量如何能夠有效地存儲和傳輸?shù)膯栴}。近20年來,視頻/音頻壓縮編碼技術(shù)一直處于快速發(fā)展之中,新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn),現(xiàn)代視頻/音頻壓縮編碼技術(shù)已經(jīng)比較成熟,可以在保持較好圖像質(zhì)量前提下,達(dá)到較高的壓縮比。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和成熟已使數(shù)字高清晰度電視〔HDTV成為現(xiàn)實(shí)。高清晰度電視是新一代電視,其掃描線在1000行以上,每行1920個(gè)像素,寬高比為16:9,較常規(guī)電視更符合人們的視覺特性,使圖像質(zhì)量與35mm首映電影相當(dāng)。但是由于像素?cái)?shù)大幅度增加,使本來數(shù)碼位就較高的二進(jìn)制編碼形成極大的編碼數(shù)據(jù),使HDTV的信息量可達(dá)常規(guī)電視的5倍以上,傳輸時(shí)占用頻帶寬,存儲時(shí)占用媒體容量大,特別是對計(jì)算量最為龐大的運(yùn)動估算的運(yùn)動算法來說,編碼器無疑要有非常高的處理速度,這樣給實(shí)際應(yīng)用開發(fā)帶來了極大困難。因此,必須對HDTV圖像進(jìn)行壓縮編碼。本文主要針對數(shù)字視頻信號源的編碼器和解碼器的研究。關(guān)鍵詞：視頻/音頻壓縮編碼技術(shù),編碼器,譯碼器目錄1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況及其基本結(jié)構(gòu)11.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況11.2數(shù)字電視的基本組成32視頻壓縮編碼的方法32.1莫爾斯碼與信源編碼42.2差值脈沖編碼42.3預(yù)測編碼基本原理42.4游程長度編碼62.5霍夫曼編碼72.6運(yùn)動估計(jì)的運(yùn)動補(bǔ)償編碼83MPEG-2編碼器原理103.1MPEG-2的編碼方式103.2PAL解碼器133.3MPEG-2視頻編碼器144MPEG-2解碼器原理154.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)154.2MPEG-2解碼16總結(jié)17致謝18參考文獻(xiàn)19..WORD整理版1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況及其基本結(jié)構(gòu)1.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況數(shù)字電視是高科技的產(chǎn)物,數(shù)字電視是指電視節(jié)目的采集、制作、編輯、播出、傳輸、接收的全過程都采用數(shù)字技術(shù)。與模擬電視相比,數(shù)字電視在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢和特點(diǎn)：<1>、清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電視信號在傳輸過程中不會出現(xiàn)噪聲積累效應(yīng),幾乎完全不受噪聲干擾,電視信號的強(qiáng)度衰減與失真度很低,電視畫面十分逼近演播室水平。數(shù)字電視的音頻效果很好,支持五聲道的杜比數(shù)碼〔AC-35.1環(huán)繞立體聲家庭影院服務(wù)；<2>、數(shù)字頻道數(shù)成倍增加?；诂F(xiàn)有模擬電視頻道,可同時(shí)傳輸6-8套DVD質(zhì)量或15-18套VCD質(zhì)量的數(shù)字電視節(jié)目。如全部采用數(shù)字電視技術(shù)傳輸,可同時(shí)傳送大約200套DVD質(zhì)量或500多套VCD質(zhì)量的電視節(jié)目。電視頻道資源利用率高,可完全滿足用戶自由收看電視節(jié)目的個(gè)性化要求；

<3>、數(shù)字業(yè)務(wù)功能極大拓展。隨著有線電視傳輸和用戶接收的數(shù)字化,以前模擬方式無法提供的服務(wù)都將成為可能,如電視網(wǎng)站、交互電視、股票行情與分析、視頻點(diǎn)播等,電視互動數(shù)字新業(yè)務(wù)的開展將變得更加容易；<4>、數(shù)字電視信號容易加密,保密性好,便于采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理。總之,數(shù)字電視替代模擬電視的趨勢是現(xiàn)代科技發(fā)展的必然結(jié)果。數(shù)字電視在我國具有強(qiáng)大的國家、政府支持和重視優(yōu)勢,就廣播電視行業(yè)發(fā)展而言,數(shù)字電視技術(shù)為滿足人民群眾日益增長的精神文化需求提供強(qiáng)有力的技術(shù)和市場基礎(chǔ),為廣播電視事業(yè)的大繁榮大發(fā)展帶來了歷史良機(jī),因此受到廣電行業(yè)的高度重視和大力推進(jìn),并取得快速的發(fā)展。截止到20XX,全國有線數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換城市超過100個(gè),其中33個(gè)城市實(shí)現(xiàn)全市用戶數(shù)字化整轉(zhuǎn),全國數(shù)字電視用戶已達(dá)4450萬戶。圖1.1顯示我國數(shù)字電視用戶在2003-20XX間的快速發(fā)展規(guī)模和占全國電視用戶量的比例,5年用戶增長了158.9倍,比例增長了13個(gè)百分點(diǎn)。圖1.2、表1.1則給出了華北等六個(gè)地區(qū)2007-2008兩年的數(shù)字電視用戶及在本地區(qū)所占圖1.12003-20XX全國數(shù)字電視用戶規(guī)模和所占比例圖比例的發(fā)展情況,其中華北地區(qū)發(fā)展的最快提高了12.9個(gè)百分點(diǎn),西北地區(qū)提高了11.7個(gè)百分點(diǎn),最少的東北地區(qū)也提高了4個(gè)百分點(diǎn)。另據(jù)國內(nèi)In-Stat和絡(luò)達(dá)咨詢的研究報(bào)告,預(yù)計(jì)到20XX底我國數(shù)字電視規(guī)模將達(dá)8522萬戶,20XX將達(dá)到1.0284億戶,20XX將達(dá)到1.1165億戶,20XX將達(dá)到1.1606億戶。圖1.220XX與20XX不同地區(qū)數(shù)字電視用戶所占比例雖然我國數(shù)字電視在發(fā)展上具備很多優(yōu)勢,但與發(fā)達(dá)國家相比,我國數(shù)字電視整體上仍然處在發(fā)展的初期階段,尚存在很多的問題。概括的說,有廣電體制方面因素,條塊分割、性質(zhì)單一,既難統(tǒng)一規(guī)劃、布局與實(shí)施,又難以引入市場競爭；有政策指導(dǎo)方面的因素,地域差異經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡導(dǎo)致受眾需求差別大而難以指導(dǎo)；有技術(shù)方面的缺乏配套齊全、規(guī)范和可操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因素；有市場運(yùn)營方面投、融資、運(yùn)行成本高,難以短期盈利的因素；也有運(yùn)營模式、產(chǎn)業(yè)規(guī)范、業(yè)務(wù)性質(zhì)等等因素形成的問題。應(yīng)該說我國數(shù)字電視的發(fā)展是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,只要我們按照科學(xué)規(guī)律辦事,充分發(fā)揮中國特色社會主義的體制優(yōu)勢、行業(yè)優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)和市場優(yōu)勢,汲取發(fā)達(dá)國家發(fā)展數(shù)字電視所遇到的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),規(guī)避市場風(fēng)險(xiǎn),就一定能推動我國數(shù)字電視的大發(fā)展。表1.120XX與20XX不同地區(qū)數(shù)字電視用戶所占比較1.2數(shù)字電視的基本組成交互式數(shù)字電視系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)字前端系統(tǒng)、雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)和用戶終端系統(tǒng)。數(shù)字前端系統(tǒng)通常劃分為信源處理、信息處理和傳輸處理三部分,完成節(jié)目的數(shù)字化、加擾、授權(quán)和認(rèn)證等功能；雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)主要通過衛(wèi)星、Cable、地面發(fā)射、MMDS等方式將節(jié)目傳送到用戶家中,回傳可采用HFC回傳通道、PSTN和其它網(wǎng)絡(luò)；用戶終端系統(tǒng)采用機(jī)頂盒〔STB收看數(shù)字電視節(jié)目或?qū)崿F(xiàn)交互式功能,如收看付費(fèi)電視、實(shí)現(xiàn)Internet瀏覽、遠(yuǎn)程教育等。2視頻壓縮編碼的方法壓縮編碼的方法有幾十種之多,并在編碼過程中涉及較深的的數(shù)學(xué)里理論基礎(chǔ)問題,在此僅介紹幾種常用的壓縮編碼方法。2.1莫爾斯碼與信源編碼莫爾斯碼即電報(bào)碼,其精華之處在于用短碼來表示常出現(xiàn)的英文字母,用長碼來表示不常出現(xiàn)的字母,以減小碼率。2.2差值脈沖編碼其原理框圖見圖2.1<a>。發(fā)端將當(dāng)前樣值和前一樣值相減所得差值經(jīng)量化后進(jìn)行傳輸,收端將收到的差值與前一個(gè)樣值相加得到當(dāng)前樣值。在這個(gè)原理圖中,輸出的當(dāng)前樣值是輸出的前一樣值加上收到的差值,由于在當(dāng)前差值中包括當(dāng)前的量化誤差,而輸出的前一樣值又包括前一樣值的量化誤差,這就造成了量化誤差的積累。因此實(shí)用電路為圖2.1<b>。這時(shí)輸入當(dāng)前樣值不是與輸入的前一樣值相減,而是與輸出的前一樣值相減,因此在差值中已經(jīng)包含了前一樣值的量化誤差的負(fù)值,在與輸出的前一個(gè)樣值相加時(shí),這部分量化誤差被抵消,只剩下當(dāng)前的量化誤差,這就避免了量化誤差的積累。圖2.1差值脈沖編碼2.3預(yù)測編碼基本原理由于語音信號的相鄰抽樣點(diǎn)之間有一定的幅度關(guān)聯(lián)性,所以,可根據(jù)以前時(shí)刻的樣值來預(yù)測現(xiàn)時(shí)刻的樣值,只要傳預(yù)測值和實(shí)際值之差,而不需要每個(gè)樣值都傳輸。這種方法就是預(yù)測編碼。語音信號的樣值可分為可預(yù)測和不可預(yù)測兩部分?？深A(yù)測部分<相關(guān)部分>是由過去的一些權(quán)值加權(quán)后得到的；不可預(yù)測的部分<非相關(guān)部分>可看成是預(yù)測誤差。這樣,在數(shù)字通信中,就不用直接傳送原始話音信號序列,而只傳送差值序列。因?yàn)椴钪敌蛄械男畔⒖梢源嬖夹蛄兄械挠行畔?而差值信號的能量遠(yuǎn)小于原樣值,就可以使量化電平數(shù)減少,從而大大地壓縮數(shù)碼率。在接收端,只要把差值序列疊加到預(yù)測序列上,就可以恢復(fù)原始序列。圖2.2給出了差值脈碼調(diào)制<DPCM>系統(tǒng)原理框圖。圖中輸入樣值信號,接收端重建信號為,是輸入信號與預(yù)測信號的差值,為量化后的差值,是經(jīng)編碼后輸出的數(shù)字碼。圖2.2DPCM原理方框圖編碼器中的預(yù)測器與解碼器中的預(yù)測器完全相同。因此,在無傳輸誤碼的情況下,解碼器輸出的重建信號和編碼器的完全相同。DPCM的總量化誤差定義為輸入信號與解碼器輸出的重建信號的差值。即有由上式可知,在這種DPCM系統(tǒng)中,總量化誤差只和差值信號的量化誤差有關(guān)。圖2.3說明了預(yù)測的原理。圖2.3DPCM預(yù)測原理由圖2.3可見,預(yù)測值跟蹤輸入信號抽樣值變化。DPCM的方框圖如圖2.3中,它是典型的線性預(yù)測方式。設(shè)原始信號序列為,其中是序列中現(xiàn)在的樣值,而是的前個(gè)樣值。若選用的前N個(gè)樣值來預(yù)測,并用表示預(yù)測值,則其中,j為任意整數(shù)。為預(yù)測系數(shù)或加權(quán)系數(shù),為預(yù)測階數(shù)。由上式可見,線性預(yù)測中,第n個(gè)預(yù)測值是過去N個(gè)樣值的線性組合。2.4游程長度編碼讀出數(shù)據(jù)和表示數(shù)據(jù)的方式也是減少碼率的一個(gè)重要因素。讀出的方式可以有多種選擇,如水平逐行讀出、垂直逐列讀出、之字型讀出和交替讀出等,其中之字型讀出<Zig－Zag>是最常用的一種。由于經(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),因此之字型讀出實(shí)際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的,這樣一來就為游程長度編碼<RunlengthEncoding>創(chuàng)造了條件。所謂游程長度編碼是指一個(gè)碼可同時(shí)表示碼的值和前面幾個(gè)零,這樣就可以把之字型讀出的優(yōu)點(diǎn)顯示出來了。因?yàn)橹中妥x出在大多數(shù)情況下出現(xiàn)連零的機(jī)會比較多,尤其在最后,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。游程長度指的是由字構(gòu)成的數(shù)據(jù)流中各個(gè)字符連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)而形成字符串的長度。基本的游程編碼就是在數(shù)據(jù)流中直接用三個(gè)字符來給出上述三種信息,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4基本游程長度編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CS表示有一個(gè)字符串在此位置,X代表構(gòu)成串的字符,SC代表串的長度。游程編碼和哈夫曼編碼等屬于統(tǒng)計(jì)編碼。2.5霍夫曼編碼霍夫曼編碼是可變字長編碼<VLC>的一種。Huffman于1952年提出一種編碼方法,該方法完全依據(jù)字符出現(xiàn)概率來構(gòu)造異字頭的平均長度最短的碼字,有時(shí)稱之為最佳編碼,一般就叫作Huffman編碼。下面引證一個(gè)定理,該定理保證了按字符出現(xiàn)概率分配碼長,可使平均碼長最短。定理：在變字長編碼中,如果碼字長度嚴(yán)格按照對應(yīng)符號出現(xiàn)的概率大小逆序排列,則其平均碼字長度為最小?，F(xiàn)在通過一個(gè)實(shí)例來說明上述定理的實(shí)現(xiàn)過程。設(shè)將信源符號按出現(xiàn)的概率大小順序排列為：給概率最小的兩個(gè)符號a6與a7分別指定為"1"與"0",然后將它們的概率相加再與原來的a1~a5組合并重新排序成新的原為：對a5與a6′分別指定"1"與"0"后,再作概率相加并重新按概率排序得U″：〔0.260.200.190.180.17…直到最后得U″″：〔0.610.39分別給以"0","1"為止,如圖2.5所示?；舴蚵幋a的具體方法：先按出現(xiàn)的概率大小排隊(duì),把兩個(gè)最小的概率相加,作為新的概率和剩余的概率重新排隊(duì),再把最小的兩個(gè)概率相加,再重新排隊(duì),直到最后變成1。每次相加時(shí)都將"0"和"1"賦與相加的兩個(gè)概率,讀出時(shí)由該符號開始一直走到最后的"1",將路線上所遇到的"0"和"1"按最低位到最高位的順序排好,就是該符號的霍夫曼編碼。圖2.5霍夫曼編碼過程例如2.5所示a7從左至右,由U至U″″,其碼字為0000；a6按踐線將所遇到的"0"和"1"按最低位到最高位的順序排好,其碼字為0001…用霍夫曼編碼所得的平均比特率為：Σ碼長×出現(xiàn)概率；上例為：0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72bit；可以算出本例的信源熵為2.61bit,二者已經(jīng)是很接近了。2.6運(yùn)動估計(jì)的運(yùn)動補(bǔ)償編碼這是一種幀間編碼的方法,其原理是利用幀間的空間相關(guān)性,減小空間冗余度。幀間編碼為什么可以減小冗余度,這是因?yàn)閮蓭g有很大的相似性。如果將前后兩幀相減<移動物體作相應(yīng)位移>得到的誤差作編碼所需比特要比幀內(nèi)編碼所需的比特少,幀間差集中在零附近,可以用短的碼字傳送。實(shí)現(xiàn)幀間編碼的方法是運(yùn)動估計(jì)和運(yùn)動補(bǔ)償。用圖2.6來說明這個(gè)過程。圖2.6運(yùn)動處理過程當(dāng)前幀在過去幀的窗口中尋找匹配部分,從中找到運(yùn)動矢量；根據(jù)運(yùn)動矢量,將過去幀位移,求得對當(dāng)前幀的估計(jì)；將這個(gè)估計(jì)和當(dāng)前幀相減,求得估計(jì)的誤差值；將運(yùn)動矢量和估計(jì)的誤差值送到接收端去。接收端根據(jù)收到的運(yùn)動矢量將過去幀作位移<也就是對當(dāng)前幀的估計(jì)>,再加上接收到的誤差值,就是當(dāng)前幀了。圖2.7宏塊在上一幀搜索范圍內(nèi)尋找匹配圖2.8運(yùn)動估計(jì)的全局搜索塊匹配圖2.8運(yùn)動估計(jì)的全局搜索塊匹配實(shí)際上,在做運(yùn)動估計(jì)和運(yùn)動補(bǔ)償時(shí),是以16×16的塊<稱宏塊>逐個(gè)進(jìn)行的,如圖2.7所示,這是將當(dāng)前幀劃分為N×N<16×16>的塊。對每一塊在過去幀中范圍為的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索,以求得最優(yōu)匹配,從而得到運(yùn)動矢量的估值<dx,dy>。衡量匹配好壞的準(zhǔn)則可以是均方誤差最小準(zhǔn)則。搜索方法可以是全局搜索法,即對搜索范圍內(nèi)的每一點(diǎn)都計(jì)算均方誤差,選最小值即對應(yīng)最優(yōu)匹配,如圖2.8所示。3MPEG-2編碼器原理3.1MPEG-2的編碼方式MPEG-2有三種編碼方式：幀內(nèi)壓縮編碼方式,見圖3.1；幀間壓縮編碼方式,見圖3.2；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式,見圖3.3。圖3.1幀內(nèi)壓縮編碼方式壓縮就是將視頻信號中冗余減少的過程,首先必須識別每個(gè)視頻場和幀中的冗余,這主要包括空間與時(shí)間上的冗余。去除視頻信號空間冗余可通過DCT變換來完成,DCT變換是一個(gè)無信號損失的雙向數(shù)學(xué)過程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成重現(xiàn)空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數(shù)值既可以代表不斷增加的更高的垂直和水平空間頻率,也可以代表不同的水平和垂直空間頻率組合。視頻信號經(jīng)過DCT變換后,較高的空間頻率系數(shù)會變得非常細(xì)小,而據(jù)人眼的視覺特性,較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來表示,或者完全去掉而不影響圖像質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保持信號的可逆性和無損性,常常采用更多的比特來表示DCT系數(shù)。去除視頻信號時(shí)間冗余,可使用有運(yùn)動補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測來完成。對于活動圖像多數(shù)情況下只是其中的很少一部分圖像在運(yùn)動,即使有大范圍的活動部分,前后幀盡管有很大區(qū)別,但移動物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運(yùn)動了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容,這個(gè)查找過程稱為運(yùn)動估值,其表達(dá)方式是運(yùn)動矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動部分補(bǔ)過來,得到其剩余的不同部分的過程稱為運(yùn)動補(bǔ)償。就這樣,采用運(yùn)動補(bǔ)償可以有效地去除視頻信號在時(shí)間方向的重復(fù)信息,達(dá)到壓縮的目的。為了達(dá)到減少數(shù)據(jù)的目的,MPEG-2將4：2：2轉(zhuǎn)換成4：2：0,并且通過量化,將代表每一個(gè)系數(shù)的比特?cái)?shù)目減少。一般使用11比特來代表DCT系數(shù),對于其他系數(shù)則采用較小的比特?cái)?shù)目。每一個(gè)或每組宏塊都有不同的量化刻度,對每個(gè)宏塊采用不同的量化因數(shù),使只含幀內(nèi)壓縮的MPEG能提供比同樣圖像質(zhì)量的M-JPEG多出10%—20%的壓縮效果。而相對于原來的DCT系數(shù)的數(shù)據(jù),量化表及被量化的系數(shù)數(shù)據(jù)量要小得多。圖3.2幀間壓縮編碼方式在量化過程后,無損數(shù)據(jù)壓縮是通過可變長度編碼VLC和游程長度編碼RLC實(shí)現(xiàn)的。VLC是在數(shù)據(jù)內(nèi)尋找共同的圖案或字符,采用較小數(shù)量的比特為經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼,而用較多數(shù)量的比特為較少出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼。RLC是用一個(gè)字符代表一串一定數(shù)目的零。總的目的只有一個(gè),減少數(shù)據(jù)量。量化表控制是一個(gè)決定如何量化DCT系數(shù)的過程；輸出緩存可維持?jǐn)?shù)據(jù)流,并提供量化器的控制,從而限制或維持?jǐn)?shù)據(jù)流在一個(gè)一定的水平。在實(shí)實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)壓縮數(shù)據(jù)被錄像機(jī)記錄時(shí),需要提供一個(gè)持續(xù)不變的比特率,以使機(jī)械部分以穩(wěn)定的速率旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)。而對于硬盤記錄來說,又需要一個(gè)可變速的比特率。通常,一個(gè)可變速比特率是提供一個(gè)持續(xù)不變質(zhì)量水平的較好選擇。圖3.3幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進(jìn)行,是一個(gè)無損過程。在圖3.4中,在參考幀幀存中有一副完全解析度,完整數(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測幀幀存中擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動矢量所建立的預(yù)測的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒有運(yùn)動或其他變化,當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測,差分幀輸出為0〔極易壓縮。當(dāng)前一幀和后一幀有點(diǎn)不同時(shí),差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。采用幀內(nèi)壓縮編碼形成的圖像稱為I幀,形成過程見圖3.3；采用幀內(nèi)及幀間壓縮編碼形成的圖像稱為B幀和P幀。P幀為前向預(yù)測幀,是以前一個(gè)I幀為預(yù)測幀進(jìn)行編碼的。在I幀和P幀中間可以插入若干個(gè)B幀,B幀是從相鄰的最近的I幀或P幀作雙向預(yù)測進(jìn)行編碼的。形成P幀時(shí)參考幀幀存只要求存儲一幀圖象,而形成B幀時(shí),參考幀幀存則需存儲前后兩幀圖象。由三種相互間有預(yù)測與生成關(guān)系的不同的幀數(shù)據(jù),I幀P幀B幀數(shù)據(jù)按照不同的組合組成圖像組〔GOP,再加上序列起始碼和序列頭等數(shù)據(jù)組成圖像序列或ES,ES再打包成PES；PES再按188byte的固定長度加上各種參數(shù)組成傳送碼流TS。3.2PAL解碼器主要功能是對輸入的PAL復(fù)合信號進(jìn)行解碼,輸出YCbCr分量信號<4:2:2>。PAL解碼器質(zhì)量對整個(gè)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)有非常重要的作用,并將影響最終的圖像質(zhì)量,在設(shè)計(jì)時(shí)常采用8倍色度負(fù)載波對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣,用數(shù)字梳狀濾波器完成亮色分離。同時(shí)為了避免視頻信源的抖動影響后面的壓縮處理部分,在PAL解碼器與前處理模塊之間有一幀的幀存進(jìn)行信號隔離。前處理模塊該模塊原理如圖3.4所示。主要功能：<1>給PAL解碼器和I幀編碼器提供像素接口控制信號,其參數(shù)受CPU控制。<2>對PAL解碼器輸出的視頻信號進(jìn)行必要的限幅,使其滿足CCIR601的要求<Y:16-235,C:16-240>,并對Cb和Cr信號做扣心<Coring>處理。<3>提供D1接口,可和數(shù)字視頻設(shè)備直接相連。<4>在ES碼流的目標(biāo)碼率較低時(shí)<如低于3Mbps>,啟動1個(gè)16階的濾波器,對信號進(jìn)行低通濾波,使其頻帶限制在3.5MHz左右,以降低解碼恢復(fù)的圖像中的塊效應(yīng)。<5>產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波視頻測試信號,在CPU的控制下和輸入信號進(jìn)行切換。另外,為了適應(yīng)不同的碼組長度可使用截短的RS碼,例如DVB和GA。GA采用RS〔207,187,10,即分組碼符號長度為207個(gè),187個(gè)信號符號,可檢出207-187=20個(gè)錯(cuò),可糾正〔207-187÷2=10個(gè)錯(cuò)。該碼就是從RS〔255,235,10碼截短而得到的,實(shí)際上可以看成255個(gè)符號中除207個(gè)有具體的值外,剩余的48個(gè)符號全部添零,可以用同樣的電路進(jìn)行編解碼。在DVCPRO、DVCAM、Digital-S格式中視、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)碼組為RS〔85.77碼,檢錯(cuò)能力為85-77=8byte,糾錯(cuò)能力為〔85-77÷2=4byte。視頻數(shù)據(jù)的外碼組為RS〔149.138,在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)能糾錯(cuò)149-138=11byte。音頻的外碼組為RS〔14.9碼,在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)14byte中有不多于14-9=5byte的錯(cuò)誤都能得到糾正。而BetacamSX的視頻內(nèi)碼組為RS〔124.112外碼組為RS〔64.50,聲音的內(nèi)碼組為RS〔124.112外碼組為RS〔14.6,其外碼組的糾錯(cuò)能力明顯高于其它格式,加上磁跡寬度又比其它格式寬了許多,即使一個(gè)GOP中有兩根磁跡丟失,誤碼校正仍可正常進(jìn)行,其誤碼校正數(shù)據(jù)塊的組成如圖3.2所示。圖3.4前處理模塊該模塊3.3MPEG-2視頻編碼器上文我們已從理論上對MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的概述,下面就以一個(gè)實(shí)例剖析一下MPEG-2視頻編碼器的物理實(shí)現(xiàn).該編碼器可完成MPEG-2MP@ML的壓縮,對CCIR601PAL制<720*576像素/幀,25幀/s>圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)恒定比特率傳輸模式<CBR>處理.整個(gè)編碼系統(tǒng)如圖3.5所示。圖3.5視頻編碼硬件原理圖4MPEG-2解碼器原理4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)如圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)所示：圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)a、在視頻序列層中,序列頭給了我們圖像的尺寸、寬高比、幀頻和比特率等數(shù)據(jù),后面的序列擴(kuò)展碼給出了型級、逐行隔行和色度格式〔4:2:0、4:2:2等信息。b.在圖像組層中,GOP頭中給出了時(shí)間碼和緊跟在幀后的B圖像的預(yù)測特性等信息。c.在圖層中,圖像頭中給出了時(shí)間參考信息、圖像編碼類型和VBV延時(shí)等信息。圖像頭后面的圖像擴(kuò)展碼給出了運(yùn)動圖像、圖像結(jié)構(gòu)、量化因子類型和可變長編碼VLC等信息。d.在像條層中,像條頭給出了像條垂直位置、量化因子碼等信息。e.在宏塊層中,宏塊類型編碼給出了宏塊屬性、運(yùn)動矢量等信息。f.最后一層是像塊層,給出了像塊的DCT系數(shù)?？梢?視頻基本碼流中包含了供接收端正確解碼的信息。4.2MPEG-2解碼MPEG-2解碼是從編碼的比特流中重建圖像幀。MPEG-2解碼方框圖如圖4.2所示由圖4.2可見,接收到的碼流經(jīng)過TS流解復(fù)用和視/音頻PES包解復(fù)用后輸出視頻基本流〔ES和運(yùn)動矢量〔MV。ES經(jīng)反量化〔IQ和反DCT〔IDCT后輸出重建的宏塊差值△MB。解碼框圖中沒有復(fù)雜的運(yùn)動估計(jì)電路,它直接用碼流中傳輸來的運(yùn)動矢量〔MV進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償,從幀存儲器中讀出匹配宏塊MB0,在加法器中與宏塊差值△MB相加,還原出相應(yīng)的P、B圖像塊。在幀重排內(nèi)得到一組GOP解碼圖像后,重排成編碼時(shí)輸入顯示圖像的原始序列。由于解碼器中都有幀重排,結(jié)果使顯示圖像比原始圖像產(chǎn)生一定的延時(shí),圖4.2解碼器框圖相對于聲音編解碼會導(dǎo)致畫面滯后于聲音,故需要相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。MPEG-2解碼與編碼電路不是一一對應(yīng)的,編碼復(fù)雜,解碼簡單。因?yàn)?解碼所需要的許多參數(shù)和運(yùn)動預(yù)測值和量化矩陣等都在傳輸碼流中以規(guī)定的句法元素格式提供給接收端,由解碼器直接使用就行了?？偨Y(jié)通過這次數(shù)字視頻信號源的編碼器和解碼器的研究的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了許多知識,不僅給我開闊了思路,而且還讓我認(rèn)識到了自己對