數(shù)字電視原理

數(shù)字電視原理第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日

數(shù)字視頻壓縮及傳輸技術(shù)簡介

第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日簡介模擬視頻信號為什么用數(shù)字視頻視頻信號的數(shù)字化為什么要壓縮數(shù)字視頻信號，怎么壓縮數(shù)字電視壓縮及傳輸標準：MPEG-2/DVB數(shù)字電視的傳輸，機頂盒怎樣解碼第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日模擬電視信號的產(chǎn)生電視是利用光電和電光轉(zhuǎn)換原理，將光學圖象轉(zhuǎn)換為電信號進行遠距離傳輸，然后再還原為光圖象的一門技術(shù)。整個電視系統(tǒng)主要由成像、電視信號的形成、信號處理、傳輸系統(tǒng)、電視信號接收與顯示等部分組成。第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日模擬電視光柵掃描注1：PAL制式有625行(每場312.5行)，但在電視機上只顯示575行。上面44行和下面6行是消隱行(VBI)。注2：對每行進行掃描時，攝像機同時有3個輸出信號。PAL制式里這3個信號分別是：亮度信號Y、色差信號U和色差信號V。第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日電視制式電視圖像的質(zhì)量受以下因素的影響：清晰度：掃描行數(shù)越多，縱向分辨率就越高。掃描槍反應(yīng)越快，水平分辨率就越高。閃耀：每秒鐘至少需有24幀，否則看起來閃耀。顏色處理：人眼對顏色變化不太敏感，但對顏色失真很敏感。世界上有三個主要彩色電視制式：NTSC制式主要在北美、日本、臺灣使用。PAL制式主要在歐洲大部分地區(qū)、中國等地使用。SECAM制式主要在法國、俄羅斯、東歐使用。第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日模擬視頻信號的基本參數(shù)

第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日為什么用數(shù)字視頻多次復(fù)制、編輯和中繼后不會產(chǎn)生噪聲積累，仍與原節(jié)目的數(shù)字化圖像一樣(無損耗)。可以用計算機和數(shù)字技術(shù)編輯、處理和傳輸圖像。有利于不同電視制式的相互轉(zhuǎn)換。有利于實現(xiàn)視音頻及數(shù)據(jù)在多媒體平臺上的匯集。節(jié)目存入數(shù)字電視服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫后，可靈活控制節(jié)目播出和內(nèi)容檢索?？衫脭?shù)字數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，降低數(shù)碼率和存儲空間。一個模擬電視頻道里可傳輸6至10套節(jié)目?？墒褂酶鞣N通信線路和網(wǎng)絡(luò)，提供多種新業(yè)務(wù)。易于實現(xiàn)加密和保密通信。第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日模擬視頻信號的數(shù)字化(1)電視信號的數(shù)字化有兩步，抽樣(sampling)和量化(quantization)：(1)對掃描信號幅度進行等間隔抽樣，把連續(xù)信號變成離散(discrete)信號。(2)把每個抽樣的值用8比特(或10比特)位數(shù)表示。比特數(shù)位越多，量化就越細，但是數(shù)據(jù)率也大。超過8比特，人眼幾乎看不出圖像質(zhì)量的改變。第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日模擬視頻信號的數(shù)字化(2)國際電信聯(lián)盟(ITU)1982年制定了適合不同電視制式的統(tǒng)一標準，即ITU-R601規(guī)定的演播室用(廣播級)分量電視信號的數(shù)字化標準。對每行水平掃描輸出進行抽樣。每個抽樣點有3個分量：亮度分量(luminance)和兩個色差分量(chrominance)。在每行，對亮度分量的抽樣頻率為13.5MHz，對兩個色差分量的抽樣頻率分別為6.75MHz。625行50場制式(PAL和SECAM)：每行有864個亮度抽樣:[13.5兆抽樣/秒]/[(15625行/秒)]=864抽樣/行。525行60場制式(NTSC)：每行有858個亮度抽樣。第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日4:2:2和4:2:0抽樣方式

第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日數(shù)字視頻信號的比特率

第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日為什么壓縮數(shù)字視頻信號如果每個抽樣(sample)用10個比特(bit)來量化(quantize)，ITU-R601數(shù)字視頻信號的最高比特率為270Mbps： (13.5Msamples/s+6.75Msamples/s+6.75Msamples/s)*10bits/sample=27Msamples/s*10bits/s=270Mbp。根據(jù)ITU-R601標準，每行只顯示720個抽樣，而且不顯示所有行(PAL顯示576行，NTSC顯示480行)，不需要傳輸所有抽樣。所以顯示區(qū)的比特率是207.36Mbps。如果傳輸4:2:0格式信號，顯示區(qū)比特率是155.52Mbps。除非能夠大幅度地壓縮這個數(shù)字化的視頻信號，一般傳輸方法根本無法傳輸這么大的數(shù)據(jù)率(每套電視節(jié)目大約150-200兆帶寬)，數(shù)字電視廣播也無法成為現(xiàn)實。第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日常見傳輸方式的帶寬

第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日數(shù)字視頻壓縮的目標保留圖像中所有信息消除圖像中所有多余的信息用最節(jié)省比特的方法傳輸必須傳的信息最大限度地降低復(fù)雜性和成本第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日壓縮數(shù)字視頻基本思路消除電視圖像中多余信息時域冗余信息(time-domainredundancy)。相鄰圖像之間變化不大。空間域冗余信息(spatialredundancy)。在同一圖像中，相鄰像素(pixel)變化不大。利用人眼視覺特征對亮度變化的敏感度并不高對色度變化的靈敏度更低在物體邊緣和高亮度區(qū)域，對噪聲的靈敏度降低。第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日時域(幀間)冗余信息(1)時域信息冗余：PAL制式每秒傳25幀圖像，兩幀相鄰圖像時間差距是0.04秒。在這么短時間里，圖像中大部分沒有變，是重復(fù)的。當主持人坐在演播室里讀新聞，除非攝像機在動或變焦距，否則演播室的固定背景不會變。在半秒鐘(12.5幀)之內(nèi)，主持人的姿態(tài)變化很少；除了頭部有變化，圖像其它部分變化很少。當電視圖像背景變化不太大，即使圖像中有運動物體，仍有大量冗余信息。第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日時域(幀間)冗余信息(2)沒有變的信息不需要重復(fù)傳。沒有必要以每秒25幀的速度重復(fù)傳輸圖像中沒有變的部分。變了再傳。圖像靜止或活動很緩慢時，可以隔幀處理。用幀間壓縮除去時域里的冗余信息，比單純采用幀內(nèi)壓縮的效率要高10倍以上。在圖像中活動緩慢區(qū)域，幀間壓縮方法效果好，但在快速活動區(qū)域，幀間壓縮方法失真大，而幀內(nèi)壓縮方法性能比較好。第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日時域(幀間)冗余信息(3)新信息信息右移了信息下移了只是氣球動了只需傳輸圖像差別第一幀第二幀第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日時域(幀間)冗余信息(4)如果攝像機跟蹤運動員，圖像中的變化會很大第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(1)空間信息冗余：在任何一幀圖像里，有很多像素與周圍很多其它像素相同。天空中如有一點是藍色，它附近一片也會是藍色。無需重復(fù)傳輸數(shù)值一樣的所有藍點，只需傳輸那一個藍點的數(shù)值和這個數(shù)值的分布范圍。圖像中亮度低于某一值可以不傳，因為人眼看不出黑色之間的區(qū)別。第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(2)第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日空間域(幀內(nèi))冗余信息(3)第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日MPEG-2圖像種類I-圖像(Intra-codedPicture，幀內(nèi)編碼圖像)：空間域DCT壓縮，只利用本幀內(nèi)的信息。P-圖像(Predictive-codedPicture，預(yù)測編碼圖像)：從過去的一幀參考圖像，通過運動補償所預(yù)測出的圖像。B-圖像(Bi-directionallypredictive-codedPicture，雙向預(yù)測編碼圖像)：從過去和將來的參考圖像，通過運動補償所預(yù)測出的圖像。用過去的I-圖像獲得運動矢量和圖像差別FullImageI-PictureP-PictureB-PictureB-Picture用過去的I-圖像和將來的P-圖像獲得運動矢量和圖像差別第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日圖像組(GOP)和幀間編碼

IIBBPBBPBBPBBPBB前向預(yù)測雙向預(yù)測前向預(yù)測時間例GOP:N=15M=3第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日MPEG-2和DVB數(shù)字電視傳輸標準系統(tǒng)(傳輸流內(nèi)容要求、傳輸、接收)視頻(圖像格式、視頻碼流內(nèi)容要求、解碼)音頻(音頻信號的編碼、碼流內(nèi)容要求、解碼)TS流中的其它信息PSI/SI表第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日數(shù)字電視信號傳輸系統(tǒng)：傳輸流的產(chǎn)生第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日傳輸流(TS流)里有什么視頻節(jié)目(多個)電視節(jié)目的伴音(有些節(jié)目有多個伴音)數(shù)據(jù)廣播，如圖文電視數(shù)據(jù)、IP廣播數(shù)據(jù)電子菜單數(shù)據(jù)等條件接收系統(tǒng)的授權(quán)管理和控制信息MPEG/DVB規(guī)定的表格第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生(方框圖)

第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生數(shù)字化和量化(digitizeandquantize)模擬視頻音頻源壓縮數(shù)字視頻和音頻信號，產(chǎn)生視頻基本碼流(elementarystream,ES)和音頻基本碼流把視頻和音頻基本流打成分組的基本流(packetizedelementarystream,PES)把控制管理信息、電子菜單、數(shù)據(jù)廣播信息以及其它數(shù)據(jù)信息達成分組的基本流把PES碼流打包成傳輸流分組(transportstreampackets)，然后將所有包復(fù)用成一個傳輸流(transportstream,TS)TS流中含有多種信息，這些信息全部分布在各個小分組包里。PID(packetidentification，分組識別號)是識別各種信息的最重要工具。第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日傳輸流的產(chǎn)生PES(可變長度)含有關(guān)基本流的信息，共解碼時使用。TS(固定長度188bytes)含有關(guān)傳輸和解復(fù)用所需信息。分組長度適合實際傳輸信道。TS流中最重要的信息之一是分組識別號(packetidentification,PID)第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日DVB服務(wù)傳送模型第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(1)機頂盒接收到的傳輸流里復(fù)用了眾多節(jié)目和各種信息。這些信息并不一定是按順序依次送到機頂盒的。當用戶在機頂盒遙控器上選了一個節(jié)目，機頂盒需要知道調(diào)到哪個頻率；哪個節(jié)目能看，哪個節(jié)目不能看；到哪找能看的節(jié)目的碼流；如果節(jié)目被加密了，怎么找到解密鑰匙。機頂盒怎樣從一個傳輸流里千千萬萬個分組包當中找到用戶想看得節(jié)目呢？答案：靠PID和PSI/SI表。第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(2)為了協(xié)助機頂盒在傳輸流中瀏覽，MPEG和DVB在標準中規(guī)定了一些信息表。沒有這些信息表指路，機頂盒就迷失方向，什么都找不到。MPEG-2規(guī)定了三個主要表(PAT，PMT，CAT)，統(tǒng)稱PSI表(programspecificinformation，節(jié)目信息表)。PAT表提供每個節(jié)目的PMT表PMT表提供節(jié)目的基本流(視頻流、音頻流、數(shù)據(jù)流等)PSI各表里的信息只與本傳輸流內(nèi)的節(jié)目及服務(wù)有關(guān)DVB又補加了一些表(NIT，BAT，SDT，EIT，RST，TOT，ST)，統(tǒng)稱SI表(serviceinformation，服務(wù)信息表)。SI表向機頂盒提供有關(guān)其它其它流或其它網(wǎng)絡(luò)的信息。第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日DVBPSI/SI表(3)第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日PAT節(jié)目關(guān)聯(lián)表(programassociationtable)第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日PMT節(jié)目映射表(programmaptable)第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日CAT有條件接收表(conditionalaccesstable)第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日機頂盒怎樣解碼接收、解調(diào)搜索PSI/SI表(解密)找節(jié)目流解碼顯示第三十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日機頂盒解碼過程機頂盒首先找到所用PID=0的分組，用它們重建PAT表。根據(jù)用戶所選的節(jié)目號，機頂盒從PAT表找到所選節(jié)目的PMT表的位置(即PID)。機頂盒用這個PID找到所有PMT的分組，重建PMT表。PMT表含視頻碼流包的PID，音頻碼流包的PID，以及各個數(shù)據(jù)碼流包的PID。根據(jù)從PMT找到的PID，機頂盒找到所有視頻、音頻和數(shù)據(jù)分組；重建視頻ES流、音頻ES流和數(shù)據(jù)流。機頂盒對音頻視頻基本