第5章 數字電視的國際標準1

數字電視原理第五章數字電視的國際標準2/4/20231信息工程系5.4JPEG標準JPEG的目標：JPEG用于連續(xù)變化的靜止圖像連續(xù)變化是指灰度等級和顏色兩方面的連續(xù)變化靜止圖像數據壓縮標準JPEGJointPhoto-GraphicExpertsGroup

聯合圖像專家組從1986年正式開始制訂,由多個國際組織聯合制定:國際標準組織ISO國際電報電話咨詢委員會CCITT(后改為國際電信聯盟ITU)。國際電工委員會(IEC)也參加合作1992年7月通過了標準的第一部分，后又對有關測試標準草案(即標準的第二部分)作了進一步修改

2/4/20232信息工程系5.4JPEG標準JPEG包含兩種基本壓縮方法：有損壓縮：基于DCT的有損壓縮，又稱為基線順序編解碼(BaselineSequentialCodec)方法無損壓縮：又稱預測壓縮方法JPEG編碼壓縮的基本算法與H.261的幀內模式相似，JPEG標準的圖像壓縮是在本幀內進行,與前后幀無關JPEG可用于活動圖像壓縮編碼，只不過壓縮方法只限于幀內進行，不作運動補償和幀間差運算。這種用于活動圖像的壓縮技術稱作：M-JPEG(Motion-JPEG),主要用于高質量圖像壓縮編碼方案中，例如電視臺節(jié)目編輯中2/4/20233信息工程系5.4JPEG標準1.基于DCT的編碼器和解碼器基于DCT的JPEG編碼器：2/4/20234信息工程系5.4JPEG標準基于DCT的JPEG解碼器：2/4/20235信息工程系5.4JPEG標準JPEG標準中的像素以NTSC制為例，它的視頻最高頻率為4.2MHz，故抽樣頻率可取8.4MHz至9MHzNTSC制行頻行周期每行的顯示時間若設抽樣頻率

2/4/20236信息工程系5.4JPEG標準則時間內的抽樣數N如下式所示 抽樣數N:一行中的顯示區(qū)或稱有效像素區(qū)中的像素數2/4/20237信息工程系5.4JPEG標準像素形狀又稱為縱橫比，按JPEG標準規(guī)定像素縱橫比為1：1，也就是像素為正方形例如上述NTSC制中一行像素為480個，若像素縱橫比為1：1，圖像尺寸縱橫比為3：4，則一幀圖像應有的行數為480×3／4＝360行光柵轉換或掃描轉換：NTSC制一幀圖像為525行，其中包含兩場，若扣除兩場的場消隱所需74行，則余451行,轉換到360行,則需要并行。按，則每10行需要并成8行，這就是圖像光柵處理中常用的光柵轉換或掃描轉換2/4/20238信息工程系5.4JPEG標準JPEG壓縮流程示意圖2/4/20239信息工程系5.4JPEG標準2.離散余弦變換和DCT系數量化JPEG標準是將“二維”空間的圖像數據用離散余弦變換DCT公式變換到二維頻域成為二維頻率系數。變換后的系數經量化矩陣量化亮度量化矩陣色度量化矩陣2/4/202310信息工程系5.4JPEG標準量化矩陣量化 正量化：式中為DCT系數，為量化步長反量化：2/4/202311信息工程系5.4JPEG標準經Zig-Zag掃描后，把二維量化系數轉換為一維數據序列，以便進行熵編碼這種低頻在前高頻在后Zig-Zag掃描的排列方式也稱帶狀編碼，因為它和頻帶由低到高呈帶狀一致。這和量化步長逐步提高的方式一致，所以也稱門限系數排列方式對于直流分量DC進行差分脈沖編碼2/4/202312信息工程系5.4JPEG標準3.熵編碼器熵編碼也稱無損編碼或無誤差編碼。熵編碼分為兩個步驟，其一為中間熵編碼，其二是可變長度熵編碼JPEG標準的DCT變換編碼、解碼過程及熵編碼的具體操作方法請見附錄2/4/202313信息工程系5.4JPEG標準4.數據交換格式2/4/202314信息工程系5.5MPEG-1標準MPEG-1目標MPEG-1標準的設計思想是在1Mbit/s到1.5Mbit/s的低帶寬條件下，提供盡可能高的圖像質量（包括音頻，以下所指圖像均包括音頻）。針對CD-ROM、光盤的視頻存儲和放像所制定的數字電視標準VCD使用MPEG-1標準，圖像尺寸為352×288，標準速率為1.2Mbit/sMPEG是活動圖像專家組(MovingPictureExpertGroup)的英文縮寫，MPEG的任務是開發(fā)活動圖像及其聲音的數字編碼標準，成立于1988年。它是國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)聯合技術委員會l(JTCl)的第29分委員會(S29)的第ll工作組(WGll)，其全稱是WGllofSI29ofISO／IECJTCl2/4/202315信息工程系5.5MPEG-1標準ISO的活動圖像專家組(MPEG)在1991年11月提出了ISO11172標準的建議草案，通稱MPEG-l標準。該標準予1992年l1月被通過，l993年8月公布2/4/202316信息工程系5.5MPEG-1標準1.MPEG-1標準的內容ISO/IEC11172包括三大部分:ISO/IEC11172-1第一部分系統(tǒng)ISO/IEC11172-2第二部分視頻ISO/IEC11172-3第三部分音頻MPEG-l標準可以處理各種類型的活動圖像，其基本算法對于壓縮水平方向352個像素、豎直方向288個像素的空間分辨力，每秒24/25/30幅畫面的運動圖像有很好的效果在MPEG-l標準中的一幀圖像的概念不同于電視中幀的概念，前者一定是逐行掃描的圖像，如果待處理信號是隔行掃描的圖像，則編碼前必須將其轉換成逐行掃描的格式2/4/202317信息工程系5.5MPEG-1標準MPEG-1標準采用了一系列技術以獲得高壓縮比對色差信號進行亞采樣，減少數據量采用運動補償技術減少幀間冗余度做二維DCT變換去除空間相關性對DCT系數進行量化，舍去不重要的信息，將量化后的DCT系數按照頻率重新排序將DCT系數進行變字長熵保持編碼對每數據塊的直流分量(DC)進行預測差分編碼2/4/202318信息工程系5.5MPEG-1標準在MPEG-l標準中，考慮到壓縮比和隨機存取這對矛盾，一共定義了四種圖像類型：I幀圖像：幀內幀圖像，采用幀內編碼，不參照其他圖像P幀圖像：預測幀圖像，參照前一幅I幀或P幀圖像做運動補償編碼B幀圖像：雙向預測幀圖像，參照前一幅和后一幅I幀或P幀圖像做雙向運動補償編碼D類圖像：直流(DC)圖像，這類圖像中只含直流分量，是為快放功能而設計的2/4/202319信息工程系5.5MPEG-1標準幀內圖像I的壓縮編碼算法框圖2/4/202320信息工程系5.5MPEG-1標準預測圖像P的壓縮編碼算法框圖2/4/202321信息工程系5.5MPEG-1標準雙向預測圖像B的壓縮編碼算法框圖2/4/202322信息工程系5.5MPEG-1標準I幀、P幀和B幀圖像的依賴關系2/4/202323信息工程系5.5MPEG-1標準圖像的顯示順序和編碼順序顯示順序：編碼順序：2/4/202324信息工程系5.5MPEG-1標準I幀、P幀、B幀的數據字節(jié)和壓縮比2/4/202325信息工程系5.5MPEG-1標準編解碼延時問題由于編碼順序和顯示順序之間的差異,帶來編、解碼總延時達0.8～1秒時間這種延時對廣播性質的圖像傳輸不會帶來任何影響，因為用戶并不能發(fā)現發(fā)射端與接收端信號起始時間的差異對于交互性質的圖像傳輸，例如，數字會議電視則帶來十分不便。因為甲方圖像傳至乙方經編碼、解碼要延時0.8～1秒時間;乙方圖像傳至甲方經編碼、解碼也要延時0.8～1秒時間,這樣，如果甲對乙提一個問題，則1.8～2秒以后才能得到回答2/4/202326信息工程系5.5MPEG-1標準解決編解碼延時過長問題減少B幀使兩個I幀之間的幀數減少，則編、解碼總延時下降，甚至可以把B幀、P幀全部取消，這樣，可以得到0延時。這種方式也稱M-JPEG(Motion-JPEG)方式。但此時的壓縮比降到了5