國脈信息學院數(shù)字電視技術復習資料

1.1光的特性與光源光是一種電磁波。人眼能看見的可見光譜波長只集中在400到800個納米之間，頻率約為1014Hz。波長/nm7806305805554954854603803×103波長/m頻率/Hz紅橙黃綠青藍紫無線電波105紅外線1010可見光譜紫外線1015X射線1020宇宙射線10253×10-23×10-73×10-123×10-171.2.1視覺的光效應光進入人的眼睛，刺激視神經(jīng)，在大腦里產(chǎn)生視覺效應，人眼對不同頻率的光的感光靈敏度是不同的，描述這個特性的曲線稱為視敏特性曲線。椎狀細胞（白天）和杠狀細胞（夜晚）。由視敏特性曲線可見：人眼對550nm的光的感覺最敏感，所以，人們到草原和森林的時候眼睛感到很舒服。人眼還有明暗視覺和亮度感覺，這些參量均與對比度有關，利用這個特性可以使所顯示的圖像技術變得簡單，只要保證對比度即可，不需要與原圖的亮度變化相同。1.3.1光的顏色與彩色三要素彩色三要素亮度是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺。(光功率)色調(diào)是指顏色的類別，是決定色彩本質的基本參量。(光波長)色飽和度是指彩色所呈現(xiàn)色彩的深淺程度（或濃度）。色調(diào)與色飽和度合稱為色度。1.3.2三基色原理及應用三基色原理

三基色原理是指自然界中常見的大部分彩色都可由三種相互獨立的基色按不同的比例混合得到。波長為700nm的紅光為紅基色——R(紅)波長為546.1nm的綠光為綠基色——G(綠)波長為435.8nm的藍光為藍基色——B(藍)1.3.2三基色原理及應用相加混色

相加混色是各分色的光譜成分相加，混色所得彩色光的亮度等于三種基色的亮度之和。彩色電視系統(tǒng)就是利用紅、綠、藍三種基色以適當比例混合產(chǎn)生各種不同的彩色。RGB模型自然界中絕大多數(shù)的色彩都可以用適當比例的三基原色混合組成的等效色來模擬。紅+綠=黃紅+藍=品紅綠+藍=青紅+綠+藍=白RGB彩色圖像

R

GBR

G

BRGB模式(用于顯示打印)●特點:色彩鮮艷R—8bit表示G—8bit表示B—8bit表示最大表示：28×28×28=224=16777216(16.7M)1.3.3配色方程與亮度公式亮度公式在色度學中，通常把由配色方程式配出的彩色光F的亮度用光通量來表示，即：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

配色方程式中的光通量用比色計來測量定義：0.299lm為紅基色單位[R]，0.587lm為綠基色單位[G]，0.114lm為藍基色單位[B]，則Y1C白=1[R]+1[G]+1[B]顯示圖像的基本思路點多成線，線多成面對點的掃描稱為行掃描，對線的掃描稱為場掃描。人眼的分辨力是有限的，當人眼看圖像上兩個點構成的視角小于1′時，眼睛已不能將這兩點區(qū)分開來。根據(jù)這一視覺特性，我們可以將一幅空間上連續(xù)的黑白圖像分解成許多小單元，這些小單元面積相等、分布均勻，明暗程度不同。大量的單元組成了電視圖像，這些單元稱為像素。報紙上的照片就是這樣構成的，在近距離仔細觀察時，畫面由許多小黑點組成；當離開一定距離觀看時，看到的是一幅完整的照片。單位面積上的像素數(shù)越多，圖像越清晰。

一幅高質量的圖像有幾十萬個像素。要用幾十萬個傳輸通道來同時傳送圖像信號是不可能的。由于人眼的視覺惰性，可以把圖像上各像素的亮度信號按從左到右、從上到下的順序一個一個地傳送。電視接收機按發(fā)送端的順序依次將電信號轉換成相應亮度的像素，只要在視覺暫留的0.1s時間里完成一幅圖像所有像素的電光轉換，那么人眼感覺到的將是一幅完整的圖像。利用視覺惰性，我們同樣可以把連續(xù)動作分解為一連串稍有差異的靜止圖像。電影就是每秒放映24幅稍有差異的靜止畫面來得到活動圖像的，電視則是采用每秒傳送25幅稍有差異的電視畫面來得到連續(xù)動作的效果的。利用人眼的視覺惰性和有限分辨力，活動圖像可分解為一連串的靜止圖像，靜止圖像又可分解為像素，只要在一定的時間里，發(fā)送端依次對一幅圖像所有像素的亮度信息進行光電轉換，接收端再依次重現(xiàn)相應亮度的像素，就可以完成活動圖像的傳輸。這種將圖像分解成像素后順序傳送的方法叫做順序傳送原理。水平分解力沿圖像水平方向所能分解的像素稱為水平分解力。水平分解力的大小影響傳輸信號的頻譜，水平分解度越大，信號的頻譜越寬。綜合考慮各種因素，令水平分解力等于垂直分解力，則水平分解力N=KM,式中的K由畫面的寬高比決定。例如800*600垂直分解力M=600,畫面的寬高比是4：3，水平分解力N=KM=4/3*600=8001024*768;垂直分解力M=768,畫面的寬高比是4：3，水平分解力N=KM=4/3*768=10241280*960;垂直分解力M=960,畫面的寬高比是4：3，水平分解力N=KM=4/3*960=10241280*1024

垂直分解力M=1024,畫面的寬高比是5：4，水平分解力N=KM=5/4*1024=12801440*900垂直分解力M=900,畫面的寬高比是8：5，水平分解力N=KM=8/5*900=14401680*1050垂直分解力M=1050,畫面的寬高比是8：5，水平分解力N=KM=8/5*1050=1680電視的場頻50Hz，幀頻25Hz,周期TV=1/25=40msfH=1/TH=1/64us=15625HzTH=TV/Z=40ms/625=64us

我國廣播電視掃描參數(shù) 我國廣播電視采用隔行掃描,主要掃描參數(shù)如下: 行頻:15625Hz場頻:50Hz 行周期:64μs場周期:20ms 行正程時間:≥52μs場正程時間:≥18.4ms 行逆程時間:≤12μs場逆程時間:≤1.6ms 幀頻:25Hz每幀行數(shù):625(顯示575) 幀周期:40ms每場行數(shù):312.5(顯示287.5)圖像寬高比圖像寬高比也稱幅型比。根據(jù)人眼的視覺特性，視覺最清楚的范圍是垂直視角為15°，水平視角為20°的一個矩形視野，因而電視接收機的屏幕通常為矩形，矩形畫面的寬高比為4∶3。高清晰度電視采用16：9，矩形屏幕的尺寸用對角線長度來度量46cm(18英寸），51cm(20英寸），66cm(26英寸）彩色電視全射頻電視信號頻域圖;彩色全電視信號(FBAS)是由黑白全電視信號與色度信號疊加而成的,仍采用殘留邊帶發(fā)送,它與高頻伴音信號合在一起稱為彩色電視全射頻電視信號,其頻譜示意圖如圖4-2所示。由圖可見,其頻帶寬度和頻道劃分與黑白電視完全一樣,僅在高頻端色差信號對副載波是雙邊帶調(diào)幅,由上可知,色度信號與亮度信號頻譜交錯,互不干擾,所以,黑白、彩色電視完全可以兼容。圖中,fS仍表示FM制伴音信號載頻,它比圖像載頻fP仍高6.5MHz。液晶電視除了液晶顯示器內(nèi)部的主控制板和電源板外，還有多媒體電路板，多媒體電路板的組成框圖1.在液晶顯示器中大量使用偏光片（偏振片），它的特殊性質是只允許某一個方向振動的光波通過，而其他方向振動的光將被全部或部分地阻擋，這樣自然光通過偏光片以后，就成了偏振光。圖10-4偏光片的光透過圖圖10-5定向膜示意圖TFT-LCD的面板構造19等離子電視工作原理

等離子電視，又稱PDP(Plasma

Display

Panel)電視。

等離子體顯示（PlasmaDisplayPanel，簡稱PDP）是利用氣體放電原理實現(xiàn)的一種發(fā)光平板顯示技術，故又稱氣體放電顯示GasDischargeDischargeDisplay。它屬于冷陰極放電管，其利用加在陰極和陽極間一定的電壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電。單色PDP通常直接利用氣體放電發(fā)出的可見光來實現(xiàn)單色顯示，其放電氣體一般選擇Ne或Ne-Ar混合氣體。彩色PDP則通過氣體放電發(fā)射的真空紫外線（VacuumUltraviolet,VUV)照射紅、綠、藍三基色熒光粉發(fā)光來實現(xiàn)彩色顯示，其放電氣體一般選擇含有Xe的混合氣體，如：Ne-Xe,He-Xe,He-Ne-Xe

PDP是一種利用氣體放電的顯示技術，具體工作原理與日光燈極其相似。PDP采用了等離子管作為發(fā)光元件，屏幕上的每一個等離子管對應一個像素，屏幕以玻璃作為基板，基板間隔一定距離，四周經(jīng)氣密性封接形成一個個放電空間，放電空間內(nèi)充入氖、氙等混合惰性氣體。兩塊玻璃基板作為工作媒質其內(nèi)側面上涂有金屬氧化物導電薄膜作激勵電極。當向電極上加入電壓，放電空間內(nèi)的混合氣體便發(fā)生等離子體放電現(xiàn)象，也稱電漿效應。氣體等離子體放電產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)涂有紅綠藍熒光粉的熒光屏，熒光屏發(fā)射出可見光，顯現(xiàn)出圖像。當每一顏色單元實現(xiàn)

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級灰度后再進行混色，便實現(xiàn)彩色顯示?？偩€電極電介質ITO電極氧化鎂層隔板熒光粉地址電極前面板背板LCD投影機的工作原理三片式LCD（3LCD）之技術架構系采用體型極小的高穿透式高溫多晶硅（High-TemperaturePolySilicon；HTPS）LCD顯示面板，每一塊HTPS都是由很多個像素組成，如分辨率為1024×768的HTPS就是由1024×768個像素組成以對應投射圖像的像素點。每一個像素又包含了信號線、控制線、TFT和開口區(qū)。其中開口區(qū)包含了以特定方式排列的液晶分子，根據(jù)液晶分子在不同電壓下排列方式的變化，改變透過像素光線的振動方向，并與偏振板相結合實現(xiàn)了從全黑到全白狀態(tài)下不同灰階的過渡。每一個3LCD光路系統(tǒng)都是由3塊HTPS構成。將燈光源發(fā)出的光通過分色鏡A分出紅色光，再通過分色鏡B分為綠色光和藍色光，三種顏色的光分別投射到三塊相對應的液晶板上，并經(jīng)過中間的棱鏡將三原色光進行混合后投射出不同顏色的圖像。3LCD技術的成像和色彩還原的特點是先將三原色同時進行充分的空間混合，再投射出不同色彩的圖像，又稱為同時空間混合還原。2.什么是HTPS？

HTPS是HighTemperaturePoly-Silicon（高溫聚硅）的簡稱，它是有源矩陣驅動方式的透過型LCD。具有小型、高精細、高對比度、驅動器可內(nèi)置等特點。其主要用途是投影機。3.HTPS的特點

HTPS就像其名字一樣，各個像素中有采用聚硅生成的薄膜晶體管。這些像素晶體管通過改變掃描線的電壓來切換導通/不導通，起到開關的作用。制造方法與半導體大致相同，由于經(jīng)過高溫處理，容易實現(xiàn)細微化（多像素、高開口率）；同時，由于能夠在基板上生成驅動器，因此具有小型、高可靠性的特點。DLP投影機DLP是“DigitalLightProcession”的縮寫，即數(shù)字光處理，這種技術先把影像信號經(jīng)數(shù)字處理后把光投影出來。它是基于美國德州儀器TI公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件DMD（DigitalMicromirrorDevice）來完成的。它是基于德儀公司開發(fā)的數(shù)字微反射鏡器件DMD，DMD是DLP技術系統(tǒng)中的核心：光學引擎心臟采用的數(shù)字微鏡晶片，它是在CMOS的標準半導體制程上，加上一個可以調(diào)變反射面的旋轉機構形成的器件來完成顯示數(shù)字可視信息。DMD單元的內(nèi)部結構

DMD芯片上有數(shù)百萬個微小的反射鏡片，數(shù)字信號會激活鏡片下面的微型電極，推動鏡面迎向或避開光源，從而將光線從兩個方向反射出去。反光鏡的傾斜角度可以調(diào)整

實際的反射方向則視底層記憶晶胞的狀態(tài)而定，當記憶晶胞處于“ON”狀態(tài)時，反射鏡會旋轉至+10度，若記憶晶胞處于“OFF”狀態(tài)，反射鏡會旋轉至-10度。反射角度的改變導致了光的選擇性，使得屏幕出現(xiàn)不同灰度的像素

只要結合DMD以及適當光源和投影光學系統(tǒng)，反射鏡就會把入射光反射進入或是離開投影鏡頭的透光孔，使得“ON”狀態(tài)的反射鏡看起來非常明亮，“OFF”狀態(tài)的反射鏡看起來就很黑暗。彩色DLP投影機的組成

利用二位脈沖寬度調(diào)變可以得到灰階效果，如果使用固定式或旋轉式彩色濾鏡，再搭配一顆或三顆DMD芯片，即可得到彩色顯示效果。它的原理是：投影機燈泡發(fā)出光線，經(jīng)過透鏡匯聚到DMD芯片上，再經(jīng)過DMD芯片通過鏡頭投射到幕布上形成我們最終看到的圖像。

其中DMD芯片上面有上萬個微小的反射鏡片，投影機內(nèi)部的電腦能夠單獨控制每個鏡片的運動，決定是否將該投射到該鏡片的光反射出去。

但是這樣投射出來的圖像是黑白的，那么怎么才能看到我們現(xiàn)實世界中的彩色呢？這就需要在燈泡發(fā)出的光線到達DMD芯片之前加上一個色輪，色輪是由紅、黃、藍三種顏色組成，它會以60HZ的頻率進行旋轉，當光線通過色輪的紅色部分的時候，投影出來的圖像是一幅全紅色的灰度圖像，藍色、黃色同理，由于人眼有視覺殘留的特性，我們觀察到的是一幅由紅黃藍三原色疊加的全彩色圖像。

DLP方式顯示元件采用DMD(DigitalMicromirrorDevice)。DMD是一種由數(shù)十萬～百數(shù)十萬個微米級的微小型反射鏡組成的半導體，每一個反射鏡對應一個像素，通過反射來自光源的光線來投影圖像。有單片、3片式。

DLP投影方式DMD在結構上是在半導體基板上鋪滿反射鏡、通過ON/OFF來使這些反射鏡傾斜。DLP是指使用了DMD的光學系統(tǒng)的總稱，使色輪旋轉顯示出與某個瞬間的色彩一致的畫像，能通過每秒進行數(shù)千次的旋轉來顯示全彩色。DLP投影機簡單工作原理

數(shù)碼光處理投影機是美國德州儀器公司以數(shù)字微鏡裝置DMD芯片作為成像器件，通過調(diào)節(jié)反射光實現(xiàn)投射圖像的一種投影技術。它與液晶投影機有很大的不同，它的成像是通過成千上萬個微小的鏡片反射光線來實現(xiàn)的。DLP芯片的核心技術一直控制在美國的德州儀器，DLP技術似乎在追逐著IntelInside的道路，因為它要求所有采用DLP技術的投影機產(chǎn)品都必須打上DLP的標志。不管其是否會取得Intel在PC領域那樣的成就，至少顯示了其領導投影機底層技術的決心。DLP的生產(chǎn)廠家主要為歐美廠商，如ASK、惠普、麗訊等。DLP投影機分為：單片DMD機(主要應用在便攜式投影產(chǎn)品)、兩片DMD機(應用于大型拼接顯示墻)、三片DMD機(應用于超高亮度投影機)。DLP投影機原理：以1024×768分辨率為例，在一塊DMD上共有1024×768個小反射鏡，每個鏡子代表一個像素，每一個小反射鏡都具有獨立控制光線的開關能力。小反射鏡反射光線的角度受視頻信號控制，視頻信號受數(shù)字光處理器DLP調(diào)制，把視頻信號調(diào)制成等幅的脈寬調(diào)制信號，用脈沖寬度大小來控制小反射鏡開、關光路的時間，在屏幕上產(chǎn)生不同亮度的灰度等級圖像。DMD投影機根據(jù)反射鏡片的多少可以分為單片式，雙片式和三片式。以單片式為例，DLP能夠產(chǎn)生色彩是由于放在光源路徑上的色輪(由紅、綠、藍群組成)，光源發(fā)出的光通過會聚透鏡到彩色濾色片產(chǎn)生RGB三基色，包含成千上萬微鏡的DMD芯片，將光源發(fā)出的光通過快速轉動的紅、綠、藍過濾器投射到一個鑲有微鏡面陣列的微芯片DMD的表面，這些微鏡面以每秒5000次的速度轉動，反射入射光，經(jīng)由整形透鏡后通過鏡頭投射出畫面。二.三個通信網(wǎng)基本結構的特點1.電話網(wǎng)的基本組成電話機交換機交換機傳輸媒介電話機電話網(wǎng)主要用來實現(xiàn)語音通信,基本特點是信號傳輸?shù)倪m時性和交互性.帶寬窄,速度慢.2.計算機網(wǎng)絡的基本組成計算機網(wǎng)絡的定義是:在網(wǎng)絡協(xié)議的控制下利用各種通信手段把分散各地的計算機有機的結合起來.基本特點是信號傳輸?shù)慕换バ?帶寬較寬,速度較快.計算機交換機交換機計算機傳輸媒介3.有線電視(CATV)網(wǎng)的基本組成有線電視臺電視機有線電視網(wǎng)的作用是傳播電視節(jié)目,傳播的基本特點是信號的單向傳輸性.帶寬很寬,速度快.分配器傳輸媒介電視機電視機傳輸媒介分配器電視機電視機電視機三.有線電視網(wǎng)的改造將信號單向傳輸?shù)膹V播式,改造成雙向傳輸?shù)慕换ナ?有線電視臺電視機計算機計算機電視機分配交換機傳輸媒介分配交換器傳輸媒介機頂盒電話機機頂盒電話機四.實現(xiàn)有線電視網(wǎng)雙向傳輸?shù)募夹g采用頻分復用技術,使一根電纜可以同時傳輸多路電視信號及網(wǎng)絡和電話信號.帶寬為750MHz系統(tǒng)的頻率分布情況是:5-40MHz雙向傳輸54-750MHz模擬和數(shù)字電視節(jié)目隔離保護帶雙向傳輸業(yè)務主要是視頻點播,電話和數(shù)據(jù)通訊五.如何實現(xiàn)三網(wǎng)合一1.電信網(wǎng)的光纖遍布全國2.計算機網(wǎng)有自己的網(wǎng)絡協(xié)議和應用軟件3.有線電視網(wǎng)的寬帶到家庭綜合三個網(wǎng)絡的特點,實現(xiàn)三網(wǎng)合一,將為廣大的網(wǎng)絡用戶提供價廉物美的信息服務.2.3數(shù)字電視系統(tǒng)的組成2.4數(shù)字電視系統(tǒng)的關鍵技術數(shù)字電視的信源編解碼信源編碼是對原始圖像或聲音信息的編碼表示進行比特率壓縮的過程。2.4數(shù)字電視系統(tǒng)的關鍵技術數(shù)字電視的傳送復用從發(fā)送端信息的流向，復用器把音頻、視頻、輔助數(shù)據(jù)的碼流通過一個打包器打包（實際是數(shù)據(jù)分組），然后再復用合成單路串行的傳輸比特流，送給信道編碼器及調(diào)制器。接收端與此過程相反。2.4數(shù)字電視系統(tǒng)的關鍵技術信道編解碼及調(diào)制解調(diào)信道編碼就是將數(shù)字信號轉換成與信道匹配的編碼過程。實際中，信道編碼與調(diào)制緊密地連續(xù)在一起。調(diào)制要求適應信道性質，并盡可能地提高信道傳輸效率，而信道編碼則需視信道條件，在信號中增加糾錯碼，相當于增加信號冗余度。3.MPEG標準 MPEG(MovingPictureExpertsGroup)是運動圖片專家組的英文縮寫。這個專家組開發(fā)的標準通常稱為MPEG標準。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)的MPEG標準包括：●MPEG-1：針對1.5Mbit/s以下數(shù)碼率的數(shù)字存儲媒體應用的運動圖像及其伴音編碼，標準號ISO/IEC11172?！?/p>

MPEG-2：運動圖像及其伴音信息的通用編碼，標準號ISO/IEC13818。●

MPEG-4：音視對象編碼，標準號ISO/IEC14496?！?/p>

MPEG-7：多媒體內(nèi)容描述接口，標準號ISO/IEC15938?！?/p>

MPEG-21：多媒體框架，標準號ISO/IEC21000。5.2.1MPEG-1音頻編碼算法的特點MPEG-1音頻編碼標準（ISO/IEC11172-3）是世界上第一個高保真音頻編碼標準。為了保證其普遍適用性，MPEG-1音頻編碼算法具有以下特點：寬帶音頻MPEG-1編碼器32kHz，44.1kHz48kHzPCM32kbit/s~384kbit/sMPEG-1音頻壓縮標準提供三個獨立的壓縮層次：第1層（Layer1）:編碼器最為簡單，應用于數(shù)字小型盒式磁帶（DigitalCompactCassette，DCC）記錄系統(tǒng)。第2層（Layer2）:編碼器的復雜程度屬中等，應用于數(shù)字音頻廣播（DAB）、CD-ROM、CD-I和VCD等。第3層（Layer1）:編碼器最為復雜，應用于綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）上的音頻傳輸、因特網(wǎng)上的廣播、MP3光盤存儲等。用戶對層次的選擇可在編碼方案的復雜性和壓縮比之間進行權衡。

表5-4

MPEG-1層3在各種數(shù)碼率下的性能

音質要求聲音帶寬（kHz）聲道數(shù)數(shù)碼率（kbit/s)壓縮比電話優(yōu)于短波優(yōu)于調(diào)幅廣播類似于調(diào)頻廣播接近CDCD2.55.57.51115>15單聲道單聲道單聲道立體聲立體聲立體聲8163256~6496112~12896:148:124:126~24:116:112~10:15.2.2MPEG-1音頻編碼的基本原理

MPEG-1使用感知音頻編碼來達到既壓縮音頻數(shù)據(jù)又盡可能保證音質的目的。聽覺系統(tǒng)有許多特性，感知音頻編碼的理論依據(jù)是聽覺系統(tǒng)的掩蔽效應特性。其基本思想就是在編碼過程中保留有用的信息而丟掉被掩蔽的信號，其結果是經(jīng)編解碼之后重構的音頻信號與編碼之前的原始音頻信號不完全相同，但人的聽覺系統(tǒng)很難感覺到它們之間的差別。這也就是說，對聽覺系統(tǒng)來說這種壓縮是“無損壓縮”。5.2.2MPEG-1音頻編碼的基本原理

MPEG-1使用感知音頻編碼來達到既壓縮音頻數(shù)據(jù)又盡可能保證音質的目的。聽覺系統(tǒng)有許多特性，感知音頻編碼的理論依據(jù)是聽覺系統(tǒng)的掩蔽效應特性。其基本思想就是在編碼過程中保留有用的信息而丟掉被掩蔽的信號，其結果是經(jīng)編解碼之后重構的音頻信號與編碼之前的原始音頻信號不完全相同，但人的聽覺系統(tǒng)很難感覺到它們之間的差別。這也就是說，對聽覺系統(tǒng)來說這種壓縮是“無損壓縮”。MPEG-1音頻編碼標準提供3個獨立的壓縮層次，它們的基本模型是相同的。層1是最基礎的，層2和層3都是在層1的基礎上有所提高。MPEG-1音頻碼流按照規(guī)定構成“幀”的格式，層1的每幀包含384(=32×12)個樣本數(shù)據(jù)的碼字，384個樣本數(shù)據(jù)來自32個子帶，每個子帶12個樣本數(shù)據(jù)；層2和層3的每幀包含1152(=32×36)個樣本數(shù)據(jù)的碼字，每個子帶包含36個樣本數(shù)據(jù)。子帶濾波器0子帶濾波器1子帶濾波器2子帶濾波器3子帶濾波器3112個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本12個樣本層1層2，層3…………音頻樣本數(shù)據(jù)輸入圖5-2層1、層2和層3的子帶樣本5.4MPEG-2音頻編碼標準MPEG-2標準定義了兩種音頻壓縮編碼算法.一種稱為MPEG-2Audio（標準號為ISO／IEC13818-3），或稱為MPEG-2BC，它是與MPEG-1音頻壓縮編碼標準（ISO／IEC11172-3）后向兼容的多聲道音頻編碼標準；另一種稱為MPEG-2高級音頻編碼（MPEG-2AdvancedAudioCoding）標準，簡稱為MPEG-2AAC，因為它與MPEG-1音頻壓縮編碼算法是不兼容的，所以也稱為MPEG-2NBC（NonBackwardCompatible，非后向兼容）標準。MPEG-2AAC支持的采樣頻率為8~96kHz，編碼器的音源可以是單聲道、立體聲和多聲道的聲音，多聲道揚聲器的數(shù)目、位置及前方、側面和后方的聲道數(shù)都可以設定，因此能支持更靈活的多聲道構成。MPEG-2AAC可支持48個主聲道、16個低頻音效增強（LFE）聲道、16個配音聲道（overdubchannel）或者稱為多語言聲道（multilingualchannel）和16個數(shù)據(jù)流。MPEG-2AAC在壓縮比為11∶1，即每個聲道的數(shù)碼率為（44.1×16）/11＝64kbit/s，5個聲道的總數(shù)碼率為320kbit/s。與MPEG-1的第2層相比，MPEG-2AAC的壓縮比可提高1倍，而且音質更好；在質量相同的條件下，MPEG-2AAC的數(shù)碼率大約是MPEG-1第3層（即MP3）的70%。5.3杜比AC-3音頻編碼算法

美國高級電視制式委員會(ATSC)規(guī)定電視伴音壓縮標準是杜比實驗室開發(fā)的AC-3系統(tǒng)。該系統(tǒng)的音響效果為高保真立體環(huán)繞聲。目前市場流行的稱為“家庭影院”的音響系統(tǒng)多數(shù)采用此標準。杜比AC-3規(guī)定的取樣頻率為48kHz，它鎖定于27MHz的系統(tǒng)時鐘。每個音頻節(jié)目最多可有6個音頻信道。這6個信道是：中心、左(Left)、右(Right)、左環(huán)繞(LeftSurround)、右環(huán)繞(RightSurround)和低頻增強(LFELowFrequencyEnhancement)。

LFE信道的帶寬限于20～120Hz，主信道的帶寬為20kHz。美國的HDTV標準中AC-3可以對1到5.1信道的音頻源編碼。所謂0.1信道是指用來傳送LFE的信道。動態(tài)范圍可達到100dB。

關于立體聲的形式，ITU-R，SMPTE，EBU的專家組建議用一個中心信道C和兩個環(huán)繞聲信道Ls、Rs加上基本的左和右立體聲信道L和R作為基準的聲音格式。這叫“3／2立體聲”(3向前／2環(huán)繞信道)，共需5個信道如圖5-4所示。在用作圖像的伴音時，三個向前的信道保證足夠穩(wěn)定的方向性和清晰度。圖5-4五聲道立體聲揚聲器的安排C屏幕收聽區(qū)LRRsLs3.3視頻信號的數(shù)字化在時間軸上(t軸)分為一系列離散的幀每幀圖像在垂直方向(y軸)上離散為一條一條的掃描行每行在水平方向(x軸)上采樣，得到一個一個像素。3.3視頻信號的數(shù)字化對彩色電視信號的數(shù)字化處理主要有分量數(shù)字編碼和復合數(shù)字編碼兩種方式。

復合數(shù)字編碼是將彩色全電視信號直接進行數(shù)字化，編碼成PCM形式。

分量數(shù)字編碼方式是分別對亮度信號Y和兩色差信號B-Y、R-Y分別進行PCM編碼。3.3視頻信號的數(shù)字化分量數(shù)字編碼優(yōu)點：避免了復合數(shù)字編碼時因反復解碼所引起的質量損傷和器件的浪費，而且編碼幾乎與電視制式無關后期制作的處理方便時分復用方式，不會像復合數(shù)字編碼那樣因頻分復用帶來亮、色串擾，可獲得高質量的圖像亮度信號和色度信號的帶寬根據(jù)需要取不同3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定分量數(shù)字編碼采樣頻率的確定亮度信號的采樣頻率各國主觀測試亮度信號帶寬fm＝5.8~6MHz為保證足夠小的混疊噪聲，采樣頻率fs應取（2.2~2.7）fm

。采樣頻率fs至少應等于12.76~13.2MHz采用每幀固定的正交采樣結構，有利于行間、場間和幀間的信號處理。因此，應使fs滿足fs＝mfH的關系為了使625行/50場及525行/60場這兩種掃描制式實現(xiàn)行兼容應采用同一采樣頻率3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定亮度信號的采樣頻率625行/50場掃描制式行頻(15625Hz)525行/60場掃描制式行頻(4.5MHz/286)亮度信號的采樣頻率為13.5MHz

3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定色差信號的采樣頻率主觀測試色度信號的帶寬應選為2.8MHz，若色差信號采樣頻率為6~7MHz時能滿足對圖像質量的較高要求為保證足夠小的混疊噪聲采樣頻率為行頻的整數(shù)倍為了使625行/50場及525行/60場這兩種掃描制式實現(xiàn)行兼容色差信號的采樣頻率為6.75MHz

3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定量化比特數(shù)的確定和量化級的分配量化比特數(shù)量化比特數(shù)是指要區(qū)分所有量化級所需的二進制碼位數(shù)。其大小直接影響到數(shù)字圖像的質量，每增加或減少1bit，就使量化信噪比增加或減少6dB。

CCIR601建議中，規(guī)定對亮度和色差信號都采用8bit的均勻量化。8bit的量化精度在某些場合是不夠的，在后來的數(shù)字演播室中又擴展到10bit的量化。3.3.2ITU-RBT.601建議參數(shù)625行/50場525行/60場有效掃描行數(shù)576480編碼信號Y，CB，CR每行樣點數(shù)亮度信號864858色差信號432429每行有效樣點數(shù)亮度信號720色差信號360采樣結構正交，按行、場、幀重復，每行中的CR，CB的樣點同位置，并與每行第奇數(shù)個（1，3，5，…）亮度的樣點同位置采樣頻率/MHz亮度信號13.5色差信號6.75編碼方式對亮度信號和色差信號都進行均勻量化，每個樣值為8bit量化量化級亮度信號共220個量化級，消隱電平對應于第16量化級，峰值白電平對應于第235量化級色差信號共225個量化級（16~240），色差信號的零電平對應于第128量化級同步第0級和第255級保留運動補償幀間預測編碼過程在視頻幀序列中設置參照幀，且第1幀總是參照幀。對于當前的編碼幀，首先在該幀的前一幀和／或后一幀（參照幀）中尋找與該幀的一個圖像方塊最優(yōu)匹配的圖像方塊。如果找到這樣的最優(yōu)匹配塊，則進行下列計算：計算當前塊的像素值與參照幀中最優(yōu)匹配塊（稱參照塊）的像素值之間的差值，即預測誤差；計算當前塊相對于參照塊在水平（x）和垂直（y）兩個方向上的位移，即運動矢量。如果找不到最優(yōu)匹配塊，則必須進行幀內(nèi)編碼，即對當前塊的像素樣本值進行編碼傳輸。

運動補償幀間預測類型單向運動補償預測：只使用前參照幀或后參照幀中的一個來進行預測。雙向運動補償預測：使用前、后兩個幀作為參照幀來計算各塊的運動矢量，最后只選用與具有最小匹配誤差的參照幀相關的運動矢量值。插值運動補償預測：取前參照幀預測值與后參照幀預測值的平均值。這時，需要對兩個運動矢量分別進行編碼傳輸。運動估值應用運動自適應幀內(nèi)插在低數(shù)碼率視頻編碼中對提高圖像質量起著重要作用，通過降低發(fā)送端傳送的幀頻來降低數(shù)碼率，未傳輸?shù)膱D像幀在接收端則由已傳輸?shù)奶幱谠搸昂驮搸蟮膬蓚€圖像幀的內(nèi)插來恢復。

運動自適應幀內(nèi)插運動自適應幀內(nèi)插運動自適應幀內(nèi)插對運動位移估值提出了比運動補償幀間預測更高的要求，它希望得到的位移估值應盡量接近物體的真實運動，而不只是在某種準則函數(shù)值最?。ɑ蜃畲螅┮饬x上的最優(yōu)。預測編碼還可應用于對其他參量的編碼中對運動矢量進行預測（把相鄰圖像塊的運動矢量作為本塊運動矢量的預測值），然后對運動矢量的預測誤差進行編碼傳輸。在模型基編碼中，對模型參數(shù)進行預測編碼。對各圖像塊離散余弦變換系數(shù)的直流分量（DC）進行預測編碼。變換編碼的基本原理正交變換

正交變換本身并不能壓縮數(shù)據(jù)，它只把信號映射到另一個域，但由于變換后系數(shù)之間的相關性明顯降低，為在變換域里進行有效的壓縮創(chuàng)造了有利條件。各坐標軸上方差的不均勻分布正是正交變換編碼實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮的理論基礎。 4.5.2DCT圖像編碼DCT編碼和解碼原理DCT變換

8×8二維DCT反變換的變換核函數(shù)為

按u，v分別展開后得到64個8×8像素的圖像塊組，稱為基圖像。DCT變換水平空間頻率：畫面寬帶范圍內(nèi)垂直黑白條的周期數(shù)。垂直空間頻率：畫面高帶范圍內(nèi)水平黑白條的周期數(shù)。

隨著u，v的增加，相應系數(shù)分別代表逐步增加的水平空間頻率和垂直空間頻率分量的大小。DCT變換過程看作是把一個圖像塊表示為基圖像的線性組合，這些基圖像是輸入圖像塊的組成“頻率”。

DCT變換輸出64個基圖像的幅值即“DCT系數(shù)”，是輸入圖像塊的“頻譜”。64個變換系數(shù)中包括一個代表直流分量的“DC系數(shù)”和63個代表交流分量的“AC系數(shù)”。

MPEG-1(ISO/IEC11172)于1992年11月最后通過，1993年8月公布，是針對1.5Mbit/s以下數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲媒介應用的運動圖像及其伴音編碼的國際標準。MPEG-1的目標是將壓縮后的視/音頻碼流存入光盤（如CD-ROM、VCD等），數(shù)據(jù)傳輸率為1.416Mbit/s，其中1.1Mbit/s用于視頻，128kbit/s用于音頻，其余的用于系統(tǒng)開銷。在制訂MPEG-1的過程中，廣播電視的設備制造商立即意識到MPEG技術對提高衛(wèi)星轉發(fā)器和有線電視信道效率的潛力。但數(shù)字電視廣播不能滿足于VHS的圖像質量，數(shù)碼率也不必像MPEG-1限制得那樣低。于是MPEG為數(shù)字電視廣播的應用制訂了MPEG-2標準。

MPEG-2不是MPEG-1的簡單升級，它在系統(tǒng)和傳送方面作了更加詳細的規(guī)定和進一步的完善。它的應用領域非常廣泛，包括存儲媒介中的DVD、廣播電視中的數(shù)字電視和HDTV、以及交互式的視頻點播（VOD）和準視頻點播（NVOD）等。

MPEG-1是MPEG-2的一個子集，任何MPEG-2的解碼器要能夠對MPEG-1的碼流進行解碼。MPEG標準所規(guī)定的視頻編碼算法在實現(xiàn)高壓縮比的同時，又能獲得較高的重建圖像質量，并且還要滿足能夠隨機存取的要求。如果只采用幀內(nèi)編碼，則不可能在高的壓縮比下獲得好的圖像質量，所以必須要采用幀間編碼，但要能隨機存取，則用幀內(nèi)編碼最容易實現(xiàn)。這就要在幀間和幀內(nèi)編碼之間仔細地平衡。不僅如此，MPEG視頻編碼算法在利用運動補償幀間預測來減少時間冗余度時，不僅用上一幀的圖像來預測當前幀圖像，而且也用下一幀圖像來預測當前幀圖像，即雙向預測。所以，MPEG標準將編碼圖像分為三種類型，分別稱為I（Intra）幀、P（Predicated）幀和B（Bi-directional）幀。圖5-14I幀、P幀與B幀的示意圖

1．I幀：又稱幀內(nèi)編碼幀，是作為預測基準的獨立幀。該幀采用類似JPEG算法的幀內(nèi)DCT編碼，只利用了本幀圖像內(nèi)的空間相關性，而沒有利用時間相關性，所以I幀圖像的壓縮比相對較低。設置I幀的主要理由是：（1）當某幀找不到匹配的參考幀時，就只好進行幀內(nèi)編碼，場景切換或圖像中的“遮擋”和“暴露”部分就是這種情況的例子；（2）解碼I幀不需要參考幀，因而可以在I幀進行碼流的切換和編輯等操作，提供隨機存取的插入點；（3）長時間連續(xù)地進行預測編碼，預測誤差會不斷累積，使壓縮效率逐漸降低，圖像質量不斷下降。為防止解碼圖像損傷的逐漸加劇，需定時進行幀刷新，即周期性地插入I幀，以便重新開始一個新的預測編碼過程。

2．P幀：又稱前向預測編碼幀。它用前面最近的I幀或P幀作為參考進行前向預測，采用帶運動補償?shù)膸g預測編碼方式。由于同時利用了空間和時間上的相關性，所以P幀比I幀的壓縮效率高。P幀也可作為參考幀。3．B幀：又稱雙向預測編碼幀。它既用源視頻序列中位于前面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進行前向運動補償預測，又用位于后面且已編碼的I幀或P幀作為參考幀，進行后向運動補償預測。即B幀可采用幀內(nèi)編碼、前向預測編碼、后向預測編碼、或雙向預測編碼4種技術，其壓縮比最高。但B幀不能用作對其他幀進行運動補償預測的參考幀。圖像圖像組視頻序列宏塊條宏塊像塊視頻碼流的分層結構視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮編碼后形成視頻基本碼流（ES）。MPEG為了更好地表示編碼比特流，用句法規(guī)定了6層結構，從高到低依次是視頻序列、圖像組（GOP）、圖像、宏塊條（Slice）、宏塊層及像塊層。1．視頻序列

視頻序列是指構成一段或整個電視節(jié)目的連續(xù)圖像序列，是隨機選取節(jié)目的一個基本單元。從節(jié)目內(nèi)容看，一個視頻序列大致對應于一個鏡頭。切換一個鏡頭，即表示開始一個新的序列。在視頻序列層，起始碼后是序列頭，它包含有視頻序列參數(shù)，如圖像的尺寸大小、幅型比、幀頻、數(shù)碼率、緩沖區(qū)大小等。在MPEG-2中，序列頭后面還跟著包含附加數(shù)據(jù)的序列擴展數(shù)據(jù)、序列糾錯數(shù)據(jù)等。為了確保能在不同的時間隨時進入視頻序列，MPEG允許重復發(fā)送序列頭。序列擴展數(shù)據(jù)后面跟若干個圖像組層的數(shù)據(jù)。視頻序列層以序列結束碼（SEQEC）結束。2．圖像組（GOP）GOP是由一個視頻序列中連續(xù)的若干幀圖像組成。每個GOP由一個I幀和一些P幀、B幀組成，GOP的第一幀一定為I幀。

這樣分組的目的是便于隨機存取和編輯，以及定時進行幀刷新，以防止由于幀間預測可能引起的傳輸誤碼的長時間擴散。值得注意的是，由于B幀是雙向預測編碼幀，所以需等前、后的參考幀編碼后才能編碼。而MPEG視頻碼流的傳輸要有利于解碼器的解碼，為此，MPEG視頻編碼器輸出碼流的幀順序，應不同于輸入到編碼器的源圖像序列的幀順序（也就是自然次序），必須進行重新排序；同理，解碼器解碼這種碼流，送去顯示的幀順序也必須重新排列，使之恢復源圖像幀順序，這種過程稱為幀重排。例如，當圖像幀的顯示的順序是I1B2B3P4B5B6P7B8B9P10……時，視頻碼流中幀的傳輸順序則是I1P4B2B3P7B5B6P10B8B9……。3．圖像圖像是一個獨立的顯示單元，它可以作為一個整體被顯示設備顯示。圖像層包括不同編碼類型的圖像，即I、B、P幀。在圖像層頭中包含了圖像編碼的類型和時間參考信息。在MPEG-2中，圖像的掃描方式既可以逐行的，也可以是隔行的。逐行掃描的圖像只能是幀格式；而隔行掃描的圖像可以是幀格式，也可以是場格式。一個圖像包含亮度分量和色度分量。在MPEG-2中，亮度和色度的采樣格式是4∶2∶0