电视原理与现代电视系统6.ppt
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1、第六章 数字电视与高清晰度电视,61数字电视概述 611 数字电视概念 数字电视指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号(更先进的电视摄像机应直接获取数字电视信号),然后进行传输、处理或进行存储的系统,或还原成图像(可先还原成模拟信号)。,数字电视信号的存储媒质可以是各种半导体存储电路(RAM、ROM、E2PROM等);也可以是视频激光光盘(VCD、DVD)或HDD,后者就是永久性的存储媒质。为了减小数据量,常对数字电视信号进行压缩编码后再传输或存储。,612数字电视的优点 (1) 数字电视的抗干扰能力强 ;(2)数字电视机稳定可靠,易于调整,便于生产 ;(3)数字电视信号便于与计算机或
2、其它数字设备接口; (4)利用数字电视信号可以实现模拟信号难以得到的信号处理功能 。,62 电视信号的编码 621 电视信号的数字化 模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是模拟/数字转换编码过程 (称可为PCM调制脉冲编码调制,由A/D转换器实现),由数字电视信号转换为模拟信号则称PCM解调过程(由D/A转换器实现)。 我们知道A/D转换是对模拟信号进行取样、量化的过程,将连续 ( 幅度和时间 ) 的信号变离散的 n 位的二进制数字码。设离散值的最大个数为M,n 与 M 的关系为 2n -1 =M。 A/D转换输出可以是 n 位平行码,也可以是数率为n fS 的串行码(fS为采样转换频率)。,
3、量化过程(时域相乘,频域卷积)与频谱,根据取样定理,当信号的最高频率为fm时,应有fS 2fm ,实际上为了便于D/A后利用滤波还原信号,应有fS 2.2 fm 。,622 图像信号的编码方案与参数确定 彩色图像信号通常有两种形式:彩色全电视信号(Y/C);亮度信号/色差信号(Y / R-Y、B-Y,也可称为分量信号)。因此对图像信号的PCM编码也有全信号编码和分量编码两种,数字电视系统宜用分量编码,电视接收机中的数字化处理宜用全信号编码。 1全电视信号编码 (1) 取样频率 由于取样过程是非线性过程(时域相乘),在对对全电视信号采样量化时,取样频率 fS 的选择,除了要满足取样定理外,要考虑
4、采样后的信号中fS与 fSC的差频的影响:当 fS3 fSC或 fS4 fSC时, fS与 fSC的差频将落在Y信号的频谱间隙中。 应使取样点在屏幕中的位置固定,且满足正交取样条件。,以PAL制为例,当 fS4 fSC时 fSC(283+3/4) fH +25 ,,即一行中有(1135+4/625)个取样周期。每帧的取样点个数为整数 625(1135+4/625)个取样点 ,两相邻帧间取样点的位置相同。相邻行(奇、偶两场)的起始点相隔313(1135+4/625) 个采样点,也是近似整数 (仅差0.0032),满足正交结构。fS4 fSC的另一好处是因fS/2与fm间有较大间隔,可以降低模拟低
5、通滤波器和数字滤波器的设计难度。(但码率高),(2) 编码位数 量化信噪比 对于经过校正的图像信号,一般都采用均匀量化,即用线性编码。设单极性图像信号的变化范围为0到1,分为2n -1个量化层,约每个量化层高为2-n。由于均匀分布,量化误差的均方根值:,满量程量化信噪比:,即量化位数每增加一位,信噪比提高6dB。实验表明:当n = 7 、8(即将信号量化为127至255个层时),人们已很难感到量化的影响(但对于未经校正的图像信号,则需要量化位数应大于11),由上式可知,对应的量化信噪比约为5060dB。 全信号编码时的数据速率 以PAL制 fS4 fSC 、n = 8(8位A/D转换)为例,总
6、数据速率约为 44.438=141.76Mb/s。 由此可见,数字图像信号的数据速率是很高约。每一帧的数据量为5.67Mb或708.8kB。,2分量编码 分量编码就是对Y、R-Y、B-Y或三个基色分量R、G、B分别编码,进行并行传输或时分复用传输。 (1) 取样频率 fS 的选定原则和标准 选定原则 fS应大于最高频率(Y:5.86MHz,色差2 MHz)的2.2倍。 为了得到正交的点阵结构,取样频率应为行频 fH的整数倍。 fS是50Hz /625行、60Hz/ 525两类行频的公倍数,以为了便于不同电视制式转换。 亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的关系,以使两者的取样点能
7、重合或有固定的位置关系。 CCIR(国际无线电咨询委员会)的分量编码国际标准 对Y / R-Y/B-Y的取样频率为13.5/6.75/6.75MHz, 简称4:2:2标准。( fS = 13.5MHz = 858 fS 525行 = 864 fS 625行, fH 525行 =15734.264Hz ) 低标准: 4:1:1/ 13.5/3.375/3.375MHz,2:1:1/ 6.75/3.375/3.375MHz,(2) 数字有效行(内的信号样点数) 数字有效行的数据由每行必须进行处理和存储的取样点构成,有效行期间包括了正程。两种制式的数字有效行均为亮度信号样点数:720、色度样点数:3
8、60个,便于两种制式的转换。一行的起点定在行同步前沿脉冲的中部。PAL制的有效行由样点133至852构成,而正程对应的样点为142至844。,(3) 编码位数和排列 亮度信号和色差信号分别规一化为01及-0.5+0.5的范围,并都编为8位线性码。由于原来的R-Y最大值为0.701,B-Y的最大值为0.886,故要对R-Y和B-Y进行压缩,压缩比分别为 k R-Y =0.5/0.701、k B-Y =0.5/0.866, 压缩后三分量Y、(R-Y)、(B-Y)的表示式为: Y0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B; (B-Y)-0.169R-0
9、.331G+0. 5B Y编为自然二进码,双极性的(R-Y)、(B-Y)编为偏移二进制码,即-0.5对应自然码的0,+0.5为255,零电平为128。为了防止信号过载、直流漂移,256个量化级并不全用。亮度信号的黑白电平对应于16至235量化级,色差信号则在底部和顶各留16个量化级。 分量编码的数字信号在传输时的数据序列: (B-Y)Y(R-Y) (Y) (B-Y)Y(R-Y) (Y) 这里(B-Y)Y(R-Y)是空间同一取样点的数字,而(R-Y) (Y) (B-Y)中的(Y)是仅有亮度取样的空间取样点的数字,它规定在一行的偶数样点上。,(B-Y) Y (R-Y),Y,(B-Y) Y (R-Y
10、),Y,只对亮度信号采样,对亮度色度信号都采样,3电视伴音信号的编码 由于伴音与电视体制没有确定的关系、编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20Hz至15kHz,高质量的伴音为20Hz至20kHz。对于15kHz信号取样频率一般取fS32kHz。对于20kHz信号,取样频率可取fS48kHz。取样频率应与图像取样频率保持固定的关系,从同一时钟源得到。在PAL的分量编码时,若仍采用48kHz取样频率, 就可以保持这种关系:13.5MHz 375 3 4 = 48kHz 伴音编码的位数要比图像编码的位数多。这是因为伴音信号的动态范围大( 90dB 以上),高质量的伴音要求很高的信号噪声比,应有859
11、0dB的信号量化噪声比。由上面的均匀量化的信噪比公式,则均匀量化所需的编码位数为13至14位。在演播室的高质量话音编码中,若要对低电平的声音仍有高的信号噪声比,编码位数甚至要取到16位。 伴音信号由于信号幅值分布的特性(非均匀分布,幅值大的概率小)以及人的听觉持性,也可以采用非线性编码,这样n11、12时也可以得到很高的声音质量。虽然伴音编码的位数比图像编码的位数多,但因是低速编码,反而更容易实现。,63 频带压缩编码 为什么要进行频带压缩编码 一路标准清晰度的数字电视信号的码率是很高的,例如4:2:2分量编码彩色图像的码率为(13.5+26.35)8216Mb/s,即便是采用1.5b/Hz的
12、高效数字调制,传输频带也要144MHz,相当于18个模拟电视信号的频带(模拟信号一个频道为8MHz),根本无法实现。 如何进行压缩 消除电视信号中的冗余成分: 空间冗余:相邻象素/行 变化小; 时间冗余:相邻帧变化小,具有相关性; 生理冗余:人的视觉惰性,如对运动的和突变(如轮廓边界)的图像的分辨力低等 频谱冗余等 具体的压缩频带方法 : 预测编码(主要消除时间冗余和生理冗余) 变换编码(主要消除空间冗余) 其它压缩码率的措施,631 预测编码 基本含义: 从已知信号推测未来信号。 目标: 减小空间和时间冗余。 在图像预测编码中, 人们力求根据图像或信息所存在的相关性,推测未来图,中*人*和国
13、 中华人民共和国,1预测编码的原理 差分脉码调制(DPCM),像或象素的可能值。大量实验证明,一般图像的相邻两帧只有10以下的象素的亮度值会有超过2的变化,而色度只有1以下的变化。毫无疑问,预测编码技术应用到图像处理中是非常正确的。当然,预测编码仅对非独立信源起作用。,预测值是已各点量化值的线性组合,ai是预测系数 。当序列的统计特性已知时(如相关函数),可以得到这些系数的最佳值,使得预测值与样值的预测误差最小。,待编码取样序列,量化后数字序列,预测值,(1) 非均匀量化编码 + 固定字长 非均匀量化编码:对出规概率大的小信号细量化,对出现概率小的大信号粗量化。5bit / pel的非均匀量化
14、可以获得与 8bit / pel 均匀量化大致相同的图像质量。 (2) 均匀量化 + 可变字长编码 根据熵编码原理,对概率大的小差值信号编为小字长码(位数少,去掉前导零);而对概率小的大差值信号编为大字长码。 DOCM预测编码结构简单,易于实现,压缩效率高;主要缺点是抗御误码的能力差。 2 自适应预测编码及运动补偿预测编码 实践证明,人眼观看物体细节的相对分解能力与其空间频率(物体的细小程度)和时间分辨率(物体运动的快慢)有关。一般情况下,可以认为人眼在观看物体(或图像)时,最大空间分辨率与最大时间分辨率的乘积近似为常数。根据这一点,可以对高速运动的图像赋予较大的量化步长,而给与较高的传送速度
15、;对低速运动或静止的图像赋予较小的量化步长,而给与较低的传送速度。 运动补偿是一种对活动图像的帧间编码技术,目的是根据活动图像相邻帧间的时域相关性,尽可能消除这部分冗余。,632变换编码 将图像中的像素按区域分成一些包括MN个像素的许多方块。这些像素点的取样值构成一空间(设为X,Y二维)的数字阵列,然后将它们变换到由正交矢量构成的变换域中,再对这些变换域中的阵列系数进行编码发送,接收端通过逆变换恢复原数据。实用的变换有富里叶变换、离散余弦变换(DCT)、沃尔什(Walsh)变换等。 变换编码压缩数据的原理:图像空间存在相关性,在变换域中,各空间频率分量是不均匀的,即空间频率低的区域信号幅度大,
16、高频区域信号幅度小。若根据统计特性,低频部分编 n 大的长码,高频,亮度,部分编 n 小的短码(与均匀量化 + 可变字长编码类似),则平均码长和总的码率都会下降,达到压缩码率的目的。 离散余弦变换压缩率最高, 有快速算法,能实现实时压缩;沃尔什 变换易于硬件实现。,633 其它压缩码率的措施 (利用图像信号的某些特性进行压缩) 1亚奈奎斯特取样 根据取样定理,应有fS2fm,若不满足此条件,会发生频谱混叠而失真。然而,由于视频信号存在较大的频谱间隙,如果恰当选择 fS2fm采样的频率,使频谱折叠区域落在原信号的频谱间隙中,就不会发生频谱折叠失真。 视频信号频谱:n fHm fH,,取,则折叠频
17、率为,低通特性,梳状滤波的特性,2同步信号的编码 电视信号的行逆程和场逆程中,只有同步信号、消隐信号和,色同步信号。它们所携带的信息很少,但占据的时间却很长。数字化过程中,没有必要对这些逆程信号的全部进行波形取样编码,也没有必要逐行、逐场传送这些信息,而只要对行、场定时信号单独编码,插入到图像数字信号中即可。,离散余弦变换DCT编码压缩系统简介,DCT,IDCT,其中:,二维DCT变换是一种线性变换,可以分解成两个一维DCT变化的乘积。特别是当MN时,二维DCT变换可用方阵表示:,例:88亮度子块的DCT编码压缩和解码 JPEG,88亮 度子块,DC,DCT,第一步:DCT变换,DCT编码压缩
18、,JPEG亮度量化矩阵表,第二步:量化处理降低每个DCT系数的比特数,量化过程是将DCT系数矩阵F(u,v)中的每个元素与量化矩阵Q(u,v)中的对应元素相除后, 舍去小于0.5以下的数。例如:,Q(u,v)为 量化矩阵。,量化结果,第三步:Z扫描并串转换,第四步:编码传输 游程编码: 本例为(39,-3,2,1, -1,1,0,0,0,0,0, -1,EOB)。EOB表示块结束,接收端收到EOB后自动将64个元素中余下的元素补零。,DCT解码复原,第一步:恢复量化矩阵 将EOB后的元素自动补零,第二步:反量化(IQ),(619),第三步:IDCT,主要原因是量化所致。,重建后的信号与原信号相
19、差很小,JPEG色度量化矩阵表,将整幅图像分解出数个用于DCT的子块,DCT系数中绝对值较大的集中在矩阵的左上角。,将一些绝对值很小的系数或区块置零便于丢弃,串并转换舍去零系数,量化矩阵复原,恢复DCT系数,图像子块重建,整幅图像重建,传输或存储,2020 DCT子块,IDCT重建的10075图像,活动图像的DCT编解码示例,100100 DCT子块,等亮度方块,黑白交错的干扰信号,DCT 结果,量化 结果,特殊图像的例子,重构误差会很大,64 电视信号的数字处理 641概述 利用数字技术对电视信号的处理,不仅能完成模拟处理技术中的相应,还能完成许多模拟电视中难以完成的各种功能,从而达到提高图
20、像质量,丰富电视节目等目的。 642 数字滤波器 1数字滤波器的作用(略,详见数字信号处理) 2数字滤波器的基本结构和原理(略,详见数字信号处理) 3数字滤波器举例 (1) 亮度水平滤波器 滤波器的传递函数,代入 ze j, =2ffS,当 fS =4 fSC时,,(2) 亮/色分离梳状滤波器 PAL制行延时TTH A至B 的传输函数HY(),代入 ze j及 =2ffH,A至C的传输函数HC(), NTSC制的Y/C分离 传递函数取(1行延迟),结构图如何画?,幅频特性:,2行延时, 传递函数取(1帧延迟:TTF , PAL制要延迟 2 帧 ),这种Y/C分离方法适合于静止图像或变化十分缓慢
21、的图像,特别是静止图像(帧重复),可以获得非常高的清晰度(对同一位置的像素求和)。由于模拟延迟难以获得高精度长时间延迟,所以这种方法只能用于数字处理。,(3) PAL色度解调器 U支路的滤波器幅频特性,由于:,所以,实际延迟与标准延迟之差极小。 (64.05603s ),V支路的滤波器幅频特性,分离后的U、V信号都是取样频率为fS4fSC的数字信号,分别送入锁存器以fSC频率进行再取样。由于取样时钟的频率fS4 fSC,并与色同步信号严格锁相,实际上取样时就已实现了FU、FV这两个数字色度分量分离。位于fSC零相的采样值为V 分量,位于fSC 90(将fSC延迟TS ,即一个A/D采样周期)的
22、采样值为U分量。所以利用彩色副载波fSC作为时钟进行再取样,fSC零相的再取样值即为V分量值,fSC延迟一个fS的周期TS的取样值即为U分量值,以完成副载频信号至视频信号的频率变换。,643 电视信号的时基处理 数字信号的在存储器里的存入、取出由外部的定时信号决定。若数字电视信号在存储过程中,采用不同的存入和取出的定时信号,就可以将电视信号在时间上进行变换,这种变换称为时基处理。 1 数字时基校正 数字时基校正器(DTM)是一种典型的时基处理设备,它主要用于校正视频磁带录像机VTR)重放时输出信号的时基误差(TBE)。,(RAM或SRAM),用于DTBC的存储器容量一般为10余行以上,而校正的
23、时基误差可达几十s甚至更大。,2 数字时基处理的其它应用 时基变换和处理的原理,还可用于其它方面,例如倍行频或倍场频显示,隔行/逐行扫描转换,数字式彩色电视制式转换等。这些都是通过对帧存储器内的数字电视信号进行特殊的读/写控制和内插处理而实现的。 倍行/场频扫描 将电视信号以正常的取样时钟写入存储器,通过数据内插方法(即将相邻行的数据平均,得到内插行的数据;或者将相邻帧的数据平均,得到内插帧的数据)进行数据扩展。再以双倍取样频率取出数据。同时显示时以倍行频扫描,即每场625行显示,这是倍行频显示技术。也可以重新排列扫描顺序,由隔行扫描改为逐行扫描。以上两种显示扫描行数都加倍,只是数据的读出顺序
24、不同。倍行频可以消除行间的闪烁现象。倍场频显示是保持隔行扫描不变,而使场频加倍(每秒由50场提高到100场。当然行频也加倍)。倍场频显示既能消除行间闪烁,也能消除场间大面积的闪烁。,数字制式转换器 将525行和625行两种制式转换的数字制式转换器(DSC),也是利用上述时基变换和行、场内插等技术实现的。,625=2525; 525=2125,66 高清晰度电视 661 普通电视系统存在的缺陷 (以NTSC系统为例) 1总体上的缺陷 宽高比 早期拟订电视规范时,选择了4 : 3的宽高比,因为当时35mm影片有同样的宽高比,而且观众对此格式也感到舒适。但今天“宽屏幕”形式很普遍,NHK的研究表明,
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