数字电视教学实验系统 讲座,第一讲 数字电视概述,取样的结果仅是把模拟信号在时间上的离散。 样值的幅度仍然是模拟取值的，具有连续的数值。 必须在幅度值上也进行离散处理，才能实现不仅在时间离散， 幅度值上也离散。 对幅度值的离散就是把幅度值分成若干等级， 对不在等级线上进行舍零取整处理，归到相邻的等级上去， 这样连续的幅度值就用离散化的有限个等级取代了，这就是量化。 量化取多少个等级合适，等级多了好，但要付出的代价大。 实践证明，电视图像信号用256个等级就可以。 取样、量化只是在时间和幅度上做到了离散化， 还不是数字化。数字化的目的是用0和1两个数字表示一切等级、 量值。为什么要用1和0，而不用1和9呢,因为0和1最容易用电量来表示，如， 有电压时是1，无电压是0，开关接通是1， 开关断开是0。,但是1和0只能代表2个等级，256的等级怎么办，使用0和1排列组成码就解决了。这有如条形码，他只有黑白两种，但是他们不同的组合可以变成无数的码，可以分别代表多种商品。例如我们用8位0和1编成8位码，就有了256=28种不重复的码来表示256个量。把量化后的信号用0和1组成的码来表示，叫做编码。用数字编码来表示量化的信号，模拟信号才算真正的数字化了。 总之，模拟数字化三过程：取样、量化、编码。,7、数字压缩： 经过取样、量化、编码后的信号信息量非常大。（通过实验箱测量就可以看到） 电视亮度信号的最高值是6Mhz，每个色差信号最高频率为2个1.5Mhz,根据奈奎斯特定理，亮度和色度的取样频率分别应该大于12Mhz和2*3Mhz=6Mhz，量化等级取256，需要8位二进制编码。这样传送一套节目，所需要的码率（每秒钟传送码的位数）为12+2*3=144Mbit/s。传送这么高的速率，对于我们现在的频道8Mhz 带宽实在是大的不得了的事情。 实际上取样频率是13.5Mhz、量化比特数是10，因而码率是270Mhz。 所以，要想数字化节目能真正实施，必须对码率进行压缩。这就是数字电视信号压缩的必要性。 数字信号之所以可以压缩，是因为数字信号存在冗余，首先是空间冗余，就像是一幅画，个像素之间有很强的相关性，,例如蓝天，不必全部蓝天的每个像素都传送一次，只传送一个像素就可以，其余的到接收点全部安第一个复制，这样就节约了大量信息，去除了冗余。其次是时间冗余，相邻两帧图像内容也大体相似，我们可以不必每个图像都传，例如只传一帧，在接收端，第三帧用第一帧预测产生，第二帧用第一帧和第三帧取平均产生，这又可以压缩码率，再次，是人的视觉冗余，利用人眼对图像高频细节、色度信号灵敏度低的特点进行压缩，把人眼本来看不到的信号取消，以节省码率。这就是信号压缩的可能性。 压缩方法，目前压缩的标准有很多种，MPEG-2MPEG-4H.264等标准，这些标准适用不同的图像编码。 MPEG-1图像编解码标准： MPEG-1由国际标准化组织(ISO)于1991年制定，是基于一般低端应用的视频、音频的编解码标准，它主要针对352像素288行(CIF格式)分辨率和每秒30帧的图像质量。,将视频信号和相应的伴音在可以接受的质量要求下编码成1.5Mbps的数据流.感官上， 图像较细腻而且很流畅，对大多数视频会议与图像监控是一个完全可以接受的标准。 MPEG-2图像编解码标准： MPEG-2标准制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率，它追求的是CCIR601建议的图象质量DVB、HDTV和DVD等制定的3Mbps10Mbps的运动图象及其伴音的编码标准。MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道，和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。由于MPEG-2在设计时的巧妙处理，使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1格式的数据(如VCD等)。因为MPEG-2可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求，所以除了做为VCD和DVD的指定标准外，,MPEG-2还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播(DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字视频。 MPEG-2标准目前分为9个部分： 第一部分ISO/IEC13818-1，System：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。 第二部分ISO/IEC13818-2，Video：视频，描述视频编码方法。 第三部分ISO/IEC13818-3，Audio：音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。 第四部分ISO/IEC13818-4，Compliance：符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。 第五部分ISO/IEC13818-5，Software：软件，描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。 第六部分ISO/IEC13818-6，DSM-CC：数字存储媒体-命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。,以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外，MPEG-2标准还有三个部分：第七部分规定与MPEG-1音频非反向兼容的多通道音频编码；第八部分现已停止；第九部分规定了传送码流的实时接口。 MPEG-2编解码原理 MPEG-2视频压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。为了能够有效的去除图像中的冗余信息，MPEG-2标准中将编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。I帧图像采用帧内编码方式。P帧和B帧图像采用帧间编码方式。P帧图像只采用前向时间预测，B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。,MPEG-2的编码码流分为六个层次，从上至下依次为：视频序列层（Sequence），图像组层（GOP：Group of Picture）,图像层（Picture），像条层（Slice），宏块层（MacroBlock）和像块层（Block）。 在帧内编码的情况下，编码图像仅经过DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流。在帧间编码的情况下，原始图像首先与帧存储器中的预测图像进行比较，计算出运动矢量，由此运动矢量和参考帧生成原始图像的预测图像。而后，将原始图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行DCT变换，再经过量化器和比特流编码器生成输出的编码比特流。 MPEG-2中的ProfileLevel 现有MPEG-2视频标准的技术规范集包括5类（Profile）4级（Level）组成，并采用分级编码。类和集的若干组合构成MPEG-2标准在某种特定应用下的子集。,级（Level）是指MPEG-2的输入格式，标识从有限清晰度的VHS 质量图像到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。共分4级： 1).低级LL(Low Level)，图像输入格式的像素是ITU-R Rec.BT 601格式的1/4，即35224030或35228825。 2).主级ML(Main Level)，图像输入格式符合ITU-R Rec.BT 601格式，即72048030或72057625。 3).1440高级H14L（High 1440 Level），图像宽高比为43，采用 1440108030的高清晰度格式。 4).高级HL（High Level），图像宽高比为169，采用1920108030的高清晰度格式。 类（Profile）是指MPEG-2的不同处理方法，每一类都包括压缩和处理方法的一个集合，较高的类意味着采用较多的编码工具集，进行更精细的处理，达到更好的图像质量，同时实现的代价也更大。,支持的应用最为广泛，既包括存储媒体中的DVD，广播电视中的数字广播电视和HDTV，还可应用于交互式的视频点播（VOD）和准视频点播（NVOD）。 还能够适配ATM等宽带通信网。 MPEG-4标准 MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成为一个国际性标准，随后为扩展用途又进行了第二版的开发，于2001年有了其第二个版本。MPEG-4的国际标准编号为ISO/IEC14496。MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控，是一个有交互性的动态图像标准。 MPEG-4标准的构成 1)多媒体传送整体框架（DMIF）：主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过DMIF，MPEG-4可以建立起具有特殊品质服务（QoS）的信道和面向每个基本流的带宽。,2)数据平面：MPEG-4中的数据平面可以分为传输关系和媒体关系两部分，并引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT）的概念，使基本流和AV对象在同一场景中出现。 3)缓冲区管理和实时识别：MPEG-4定义了一个系统解码模式（SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。 4)视频编码：MPEG-4支持对自然和合成的视觉对象的编码，合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。 5)音频编码：MPEG-4不仅支持自然声音，而且支持合成声音。它将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征。 6)场景描述：场景描述主要用于描述各AV对象在具体AV场景下，如何组织与同步等问题，同时还有AV对象与AV场景的知识产权保护等问题。,在MPEG-4中，VO主要被定义为画面中分割出来的不同物体，每个VO有三类信息来描述：运动信息、形状信息、纹理信息。VO的构成依赖于具体应用和系统实际所处环境，在要求超低比特率的情况下，VO可以是一个矩形帧（即传统MPEG-1中的矩形帧），从而与原来的标准兼容；对于基于内容的表示要求较高的应用来说，VO可能是场景中的某一物体或某一层面，如新闻节目中的解说员的头肩像 ；VO也可能是计算机产生的二维、三维图形等。 2) VOP编码器结构 编码器主要由两部分组成：形状编码和传统的运动纹理编码，其中形状编码是MPEG-4在编码任意形状的VOP时所必须的。 3) MPEG-4的编解码流程及框架 MPEG-4的编码流程：第一步是VO的形成(VO Formation)先要从原始视频流中分割出VO，,之后由编码控制(Coding control)机制为不同的VO以及各个VO的三类信息分配码率,之后各个VO分别独立编码,最后将各个VO的码流复合成一个位流。其中,在编码控制和复合阶段可以加入用户的交互控制或由智能化的算法进行控制。现在的MPEG-4包含了基于网格模型的编码和Sprite技术。在进行图像分析后，先考察每个VO是否符合一个模型，典型的如人头肩像，如是就按模型编码；再考虑背景能否采用Sprite技术，如是则将背景生产一幅大图，为每帧产生一个仿射变换和一个位置信息即可；最后才对其余的VO按上述流程编码。MPEG-4的解码流程则基本上为编码器的反过程，这里不再赘述。 4) MPEG-4的主要应用场合 从目前的情况看，MPEG-4主要被用于三个领域：数字电视、交互式的图形应用（包括内容上的合成技术）、交互式多媒体领域等。,由于MPEG-4作为MPEG-1及MPEG-2的替代技术标准，可以将较大的流媒体文件在保证视音频质量情况下压缩的非常小，更利于在网络上传播。基于此，ISMA MPEG-4标准正是由ISMA制定并发布的基于ISO MPEG-4的流媒体新标准。 ISMA发布了新标准的第一个规范说明-ISMA 1.0。该规范说明允许用户仅下载一个插件，就可以使用不同公司的播放器欣赏网络音频与视频；而且使用范围不局限于PC机，还包括各种掌上无线设备（如PDA、手机等）。 ISMA 1.0目前有两个版本：Profile 0和Profile 1。前者是为了无线网络及带宽较窄的网络准备的，可以适用于手机、PDA