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数字电视技术作业整理word资料21页
第一讲:
电视信号数字化和演播室标准
1、电视信号数字化过程中,确定取样频率应考虑哪些因素?
标清电视亮度信号的取样频率是多少?
答:
(1)①满足取样定理,即取样频率应该大于亮度视频带宽6MHz的两倍:
fs≥12MHz
②为了保证取样结构是正交的,要求行周期TH必须是取样周期Ts的整数倍,即要求取样频率fs应等于行频fH的整数倍。
Hfs=n×f
③为了便于节目的国际间交流,亮度信号取样频率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。
即:
fs=m×2.25MHz
④由于编码后的比特率是fs的倍数。
从降低码率考虑,显然fs选得越低越接近2fh越好。
(2)在ITU-RBT601建议中,m=6,亮度信号取样频率:
fs=13.5MHz。
2、电视信号数字化过程,量化比特殊的选择应考虑哪些因素?
答:
(1)要考虑量化信噪比。
量化比特数每增加1比特,信噪比上升6dB,也就是说量化比特数越高,信号质量越好。
(2)考虑设备成本。
数码率等于取样频率与量化比特数之积。
即R=fs。
n
从上式可以看出,量化比特数越大,数码率越高。
这不仅对元器件要求难度大,也会增加设备成本。
3、计算SDI和HD-SDI串行接口和并行接口的码率?
答:
(1)SDI:
对于4:
2:
2格式,10BIT量化,则SDI信号码率为:
(13.5MHz+2*6.75MHz)*10=270Mb/s并行27Mb/s
(2)HD-SDI:
亮度信号采样频率74.25MHz,色差信号采样频率37.125MHz;量化10bit;则码率:
74.25*10+37.125+37.125*10=1.485Gbps;并行148.5Mb/s
4、电视信号数字化有哪几种色度格式?
各有什么特点?
答:
共四种色度格式:
4:
4:
4,4:
2:
2,4:
2:
0,4:
1:
1
1、4:
4:
4每场在水平和垂直方向每个亮度样点含一个色度样点,用于数字信号发生器、高级后期节目制作设备。
(高质量)
2、4:
2:
2每行中每两个亮度样点含一个色度样点,演播室设备用。
(演播室专用)
3、4:
2:
0每场在水平和垂直方向都是每两个Y样点含一个Cb和Cr样点,用于数字电视广播,流媒体等,用于降低数据传输率。
(用户传输)
4、4:
1:
1(早期低质量)
5、写出数字电视亮度和色度量化电平数据值的计算公式?
答:
6、什么是AES/EBU接口?
答:
AES/EBU接口是由AES(美国音频工程协会)和EBU(欧洲广播联盟)开发的一个数字音频接口,大量民用产品和专业音频数字设备如CD机、DAT、MD机、数字调音台、数字音频工作站等都支持AES/EBU。
其特点是:
传输介质采用电缆;串行传输时先传输最低有效位;加入字节时钟标志以表明每个样值的开始;串行传输的数据流进行双相标志码编码。
它无须均衡即可在长达100m的距离上传输数据,如果均衡,可以传输更远距离。
它提供两个信道的音频数据(最高24比特量化),信道是自动计时和自同步的。
它也提供了传输控制的方法和状态信息的表示(channelstatusbit)和一些误码的检测能力。
它的时钟信息是由传输端控制,来自AES/EBU的位流。
它的三个标准采样率是32kHz、44.1kHz、48kHz,当然许多接口能够工作在其它不同的采样率上。
7、音频取样频率有哪些?
答:
44.1kHz、48kHz、32kHz。
8、音频量化比特数是多少?
答:
20bit、16bit、18bit、24bit。
9、什么是双向标志编码?
有什么作用?
答:
双相标志码(BPM)指在每个数据比特周期的开始都有一个转换,而且在每个比特1的中间有一个转换。
作用:
在双相标志码的编码数据流中不会出现两个连续的1或0。
这种数据流信号有一个重要特征:
不看极性,只看数据比特单元的中间有没有转换就可知是1还是0。
10、什么是音频的平衡和非平衡接口
答:
(1)平衡接口是用三根线:
热端〔hot〕、冷端〔cold〕、地线〔Gnd〕来传送一路(单声道)音频信号。
它是平衡信号,虽然有三个接头,但传送的只是一路单声道信号。
(2)非平衡接口是用两根线:
一根为信号线,一根为地线来传送一路(单声道)音频信号。
非平衡音频信号传输过程,抗干扰能力较差
11、数字音频是如何嵌入到标清数字视频数据流中?
答:
SDI数字视频信号的格式,是由美国SMPTE制定的信号传输标准,在数字视频信号的辅助数据区,可以嵌入四路数字音频信号。
第二讲:
信源压缩编码原理
1、数字电视有什么优点?
答:
数字电视是与模拟技术相对应,从技术特征讲是指电视节目的采集、制作、编辑、播出、传输、接收的全过程都采用数字技术。
与原来的模拟电视相比,数字电视有高清晰的电视画面,可与DVD相媲美;有优质的音响效果,由于采用了数字技术,使得数字电视的伴音更趋逼真;有抗干扰功能,数字电视受其它电器的干扰很小,因此画面稳定;扩展功能多,可增加上网、点播等。
2、数字电视系统由哪些单元构成?
答:
主要由6个部分组成,即信号源端、压缩编码、系统复用、传输系统、传输网络及接收系统。
3、数字电视系统主要涉及哪几类标准和关键技术?
答:
(1)数字电视的信源编解码技术
国际上对数字图像编码曾制订了三种标准,分别是主要用于电视会议的H.261、主要用于静止图像的JPMG标准和主要用于连续图像的MPEG标准。
在HDTV视频压缩编解码标准方面,美国、欧洲和日本设有分歧,都采用MPEG-2标准。
MPEG压缩后的信息可以供计算机处理,也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。
在音频编码方面,欧洲、日本采用了MPEG-2标准;美国采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案,MPEG-2为备用方案。
但随着技术的进步,1994年完成的MPEG-2随着技术的进步现在显得越来越落后,国际上正在考虑用MPEG-4 AVC来代替目前的MPEG-2。
中国方面,中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。
该标准据称具有自主知识产权,与MPEG-2标准完全兼容,也可以兼容MPEG-4 AVC/ H.264国际标准基本层,其压缩水平据称可达到MPEG-2标准的2-3倍,而与MPEG-4 AVC相比,AVS更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。
(2)数字电视的复用系统
数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。
从发送端信息的流向来看,它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流,经处理复合成单路串行的比特流,送给信道编码及调制。
接受端与此过程正好相反。
在HDTV复用传输标准方面,美国、欧洲、日本没有分歧,都采用了MPEG-2 标准。
美国已有MPEG-2解复用的专用芯片。
(3)数字电视的信道编码及调制解调
数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力,通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上,为发射做好准备。
目前所说的各国数字电视的制式,标准不能统一,主要是指各国在该方面的不同,具体包括纠错、均衡等技术的不同,带宽的不同,尤其是调制方式的不同。
4、说明卫星、有线以及地面数字电视广播前端系统框图的异同点?
书23页最后一段
5、数字电视是如何定义的?
答:
数字电视又称为数位电视或数码电视,是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的二进制数字流来传播的电视类型,与模拟电视相对。
6、在数字视频信号中存在哪几种冗余信息?
压缩这些冗余信息的主要方法有哪几类?
答:
空间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余。
压缩这些冗余信息的主要方法有JPEG、JPEG-2000、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.261、H.263、MPEG-7与MPEG-21。
7、最常使用的运动估计方法是什么?
块的大小与运动预测精度有什么关系?
答:
主要采用基于块的运动估计和补偿。
采用不同大小的块进行帧间预测,可使运动估计的模型更接近物体的实际运动,因此运动估计得准确率得到提高。
8、在预测编码中引起图像失真的主要原因是什么?
答:
预测编码是根据某一模型利用过去的样值对当前值进行预测,然后将当前样值的实际值与预测值相减得到的一个误差值,只对这一预测误差值进行编码。
在预测编码系统中,预测量化器带来的量化误差。
9、在预测编码系统中,为什么编码端用重建值而不是用原始值作为预测的参考值?
10、正交变换的主要性质是什么?
答:
能量守恒性;能量集中性;去相关性;熵保持性。
11、简述可变长编码(VLC)的基本方法。
答:
VLC的基本思想是对一组出现概率各不相同的信源符号,采用不同长度的码字表示,对出现概率高的信源符号采用短码字,对出现概率高的信源符号采用长码字。
12、简要说明Huffman编码的性质。
答:
(1)Huffman方法构造出来的码不是惟一的。
主要原因有两个:
一是在两个符号概率相加给两条支路分配“0”和“1”时,这一选择是任意的;二是当两个信息的概率相等时,“0”和“1”分配也是随意的。
(2)Huffman编码对不同的信源其编码效率是不同的。
当信源各事件的概率按2的幂分布时,Huffman编码的编码效率达到100%,即平均码长等于熵;当信源各事件概率相等时,编码效率最低,是等长码。
(3)Huffman编码中,没有一个码字是另一个码字的前缀,因此,每个码字惟一可译。
13、简述算术编码的主要特点。
答:
算术编码的自适应模式中各个符号的概率初始值都相同,之后,信源符号的概率根据编码时符号出现的频繁程度动态地进行修改。
当信源符号概率比较接近时,算术编码的效率要高于Huffman方法。
缺点是实现方法要比Huffman编码复杂一些,尤其是硬件实现。
算术编码也是一种对错误很敏感的编码方法,如果有一位发生错误就会导致整个消息译错。
14、简述JPEG视频压缩编码原理。
答:
DCT、量化、熵编码
(1)预处理:
像块分割、直流电平下移
(2)DCT变换:
去除图像数据的空间冗余
(3)量化:
去除视觉冗余
(4)之字形扫描:
编码时为了制造更长的0游程提高编码效率
(5)DC系数的DPCM编码
(6)可变长熵编码:
为了消除码字的统计冗余,对量化后的DCT系数数据进行可变长熵编码
15、在DCT变换之后进行“之字形”扫描的目的是什么?
答:
经过之字形扫描读出后把二维系数矩阵转换为一维数据序列,如果后续的系数全部为0,用EOB表示块结束。
这样可以得到较长的0游程,提高编码效率。
第四讲:
MPEG2视频压缩编码原理
1、简述MPEG-1和MPEG-2的区别。
答:
MPEG-2是MPEG-1的兼容和扩展。
可广泛用于各种速率(2~20Mbps)和各种分辨率的情况,而且可接受隔行扫描的输入信号。
在MPEG-2中,视频序列可以是隔行扫描的,也可以是逐行扫描的,而在MPEG-1中视频序列只能是逐行的。
在MPEG-2中图像的色度格式还包括4:
2:
2和4:
4:
4格式,在MPEG-1中,图像的色度格式是4:
2:
0。
2、MPEG-2视频中的型和级是如何定义的?
答:
为了解决通用性和特定性的矛盾,MPEG-2标准规定了四种输入图像格式,称为级。
级表示MPEG-2编码器输入端的新源图像格式。
低级LL、主级ML、高级H1440L、高级HL
MPEG-2规定了不同的压缩处理方法称为型。
简单型、主型、信杂比可分级型、空间可分级型、高型、4:
2:
2型。
3、简述MPEG-2视频压缩中的I、B、P帧的定义和特点。
答:
MPEG-2定义了三种编码图像,它们是帧内编码I帧、前向预测编码P帧、双向预测编码B帧。
I:
仅利用该帧图像本身信息进行编码,即直接进行DCT变换、量化和熵编码。
压缩比不高。
P:
由于使用运动补偿,P帧比I帧压缩更大,并可作为后面P/B帧的基准,会传播误码。
压缩比大于I帧的压缩比。
B:
双向预测编码图像,它既用过去的帧作基准,也用未来的帧作基准,即前向和后向预测都有,预测精度较高。
B帧压缩最大,且不传播误码。
4、在压缩和解压缩过程中引起图像失真的主要原因是什么?
答:
量化过程带来的量化误差。
5、MPEG-2的可分级编码有哪几种类型?
答:
时间可分级(TemporalScalability)、空间可分级(SpatialScalability)、信噪比可分级(SNRScalability)。
6、说明MPEG-2视频压缩编码的几个重要环节?
答:
(1)余弦变换DCT
DCT是一种空间变换,在MPEG-2中DCT以8x8的像块为单位进行,生成的是8x8的DCT系数数据块。
(2)量化器
量化是针对DCT变换系数进行的,量化过程就是以某个量化步长去除DCT系数。
(3)之型扫描与游程编码
DCT变换产生的是一8x8的二维数组,为进行传输,还须将其转换为一维排列方式。
有两种二维到一维的转换方式,或称扫描方式:
之型扫描(Zig-Zag)和交替扫描,其中之型扫描是最常用的一种。
(4)熵编码
量化仅生成了DCT系数的一种有效的离散表示,实际传输前,还须对其进行比特流编码,产生用于传输的数字比特流。
简单的编码方法是采用定长码,即每个量化值以同样数目的比特表示,但这种方法的效率较低。
而采用熵编码可以提高编码效率。
熵编码是基于编码信号的统计特性,使得平均比特率下降。
7、在MPEG-2压缩系统中,什么是GOP?
答:
图像组(GOP:
GroupofPicture),一个图像组由相互间有预测和生成关系的一组I、P、B图像构成,但头一帧图像总是I帧。
GOP头中包含了时间信息。
第五讲:
MPEG2压缩数字视频码流
1、为什么要定义节目流和传输流两种复用信息流,他们是分别针对哪种应用场合而设计的?
答:
由于一路节目的传送流的速率是与节目内容密切相关的,因此在电视节目传输和交换时,将多路节目复用在一起传输,根据节目内容动态分配其传输带宽,可以大大节省实际所需的传输频带。
在PS流中,包的长度相对比较长而且不固定,一旦失去同步,容易造成严重的信息丢失。
因此,它适用于误码小\信道较好的环境,如演播室、家庭环境和存储介质中。
由于TS包的长度是固定的,解码器容易定位找出同步信息,失去同步后也不难恢复同步。
因此,它适用于性能相对较差的信道环境,如广播传输信道。
2、数字电视码流中为什么要传送时间信息?
答:
模拟电视信号是按扫描顺序传送的,只要接收端与发送端保持行场同步,就解决了整个视频的同步问题。
而且音频信号和视频信号是同时传送的,不存在音视频同步的问题。
而在数字电视中,视频信号经过压缩编码器后,由于B帧需要帧重排的缘故致使画面未能按照显示顺序发送,而且由于压缩后的I、B、P的数据量不同等原因,使得信号到达接收端的顺序打乱了,并且音视频包是交错传送的。
为使接收端能将视频和音频基本数据流同步成节目流,就需要在视频或音频数据包的包头中定期插入时间标记。
3、什么是PCR?
它在数字电视码流的什么地方传输?
有什么作用?
答:
(1)PCR是节目时钟基准,是一种用于计算传输码率的时间标记
(2)在包头的自适应字段中周期性的插入PCE,MPEG要求至少每秒发送10个PCR。
(3)作用:
使MPEG解码器与编码器同步
4、数字电视码流复用和再复用时,需要对哪些信息进行重组和调整?
5、简要叙述解码器利用PSI信息对TS流进行解复用的过程。
6、数字电视有哪几种层次的码流?
答:
经过视音频编码器压缩编码后的视音频码流成为基本数据流ES(ElementaryStream)。
为了使接收端能从总的码流中分离出视/音频数据,经编码器来的ES流需要经过打包器,在送到复用器中复用传送。
打包即是将连续传输的数据流按照一定的长度分段,构成具有特定结构和长度的一个个单元包,成为打包的基本码流(PES),PES流需要经过再次打包才能去传输和存储。
两种类型的输出码流:
节目码流(ProgramStream),简称PS流;传输码流(TransportStream),简称TS流。
7、数字电视传输流有哪些优点?
答:
(1)动态带宽分配
(2)可分级性
(3)可扩展性
(4)抗干扰性
(5)接收机成本低廉
8、什么是DTS和PTS?
有什么作用?
答:
DTS:
解码时间标记,决定什么时间解码视频进入单元
PTS:
显示时间标记,决定什么时间向观众显示已解码的视频或音频进入单元
作用:
恢复视频信号行场同步;恢复视频帧顺序;保持视频与音频同步
9、在数字电视传输码流中,通过什么机制描述码流中个信息之间的逻辑关系?
答:
数据电视码流通过PSI和SI在复用时通过复用器插入到TS流中,并用特定的PID标识,进行同步数据传输机制,在解码后通过查找PID表达码流中的各信息相互之间的逻辑关系。
10、帧平移复用法属于哪种编码复用方式?
阐述其复用的其本思路和方法。
答:
属于VBR编码复用方式。
11、DVB-ASI接口所用的270Mb/s传输速率的时钟与系统时钟有无直接关系?
在接收端分别如何恢复?
12、DVB-ASI接口的最大数据传输码率是多少?
说明如何得到的。
答:
异步串行。
13、请分别说明DVB-ASI、DVB-SSI、DVBSPI、SMPTE310M接口的特点,以及它们各自的接口码率与数据传输码率的关系。
答:
(1)DVB-ASI
DVB-ASI接口即DVB的异步串行接口,已经成为MPEG-2专业设备之间连接的主流接口,ETSIEN500083-9标准定义了75Ω同轴电缆接口以及使用LED发射器的多模光纤接口。
DVB-ASI是一种固定码率的串行接口,时钟速率为270Mbps,以包异步方式传输MPEG-2数据。
(2)DVB-SSI
传输188字节包,同步字为0X47,周期188字节;
传输204字节包,包含16字节空包,同步字为0X47,周期204字节;
传输204字节,包含16字节RS码,同步字为0XB8,周期204字节;
串并转换最高有效位在前;
双相数据编码
(3)DVB-SPI
同步并行接口SynchronousParallelInterface(SPI)
以ITU-RBT656-2为基础,用于短距离的信号连接,数据以字节的时钟进行同步。
共有11对信号线,采用低电压差分信号LowVoltageDifferentialSignal(LVDS)传送,接头采用DB25。
(4)SMPTE310M接口是一种包同步类型接口,接口以固定的码率19.39Mpbs或38.78Mpbs传输。
SMPTE已经将速率扩展到80Mbps的范围。
SMPTE310M接口对时钟抖动的容限要求非常严格。
只有传输流的数据码率等于接口的固定码率才能通过SMPTE310M接口传输,接口不用对传输流进行字节填充处理。
数据进行双向标记编码(Biphasemarkencoding)。
第七讲:
H.264压缩编码标准
1、H264与目前广泛应用的视频压缩标准相比有哪些突出的优点?
有无缺点?
答:
优点
(1)压缩效率高:
据估计,在同等图像质量下,采用H264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/2。
(2)容错能力强:
H.264码流具有较强的抗误码特性,可适应丢包率高、干扰严重的信道,如IP和无线网络的应用。
(3)网络适应性强:
H.264提供了网络适应层,使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输。
缺点:
计算复杂度高:
H.264获得优越性能得代价是计算复杂度高。
据估计,H.264编码的计算复杂度相当于MPEG-2的2—3倍,大大增加了H.264编码器的实现难度。
2、H264有哪些Profiles?
分别针对哪些应用?
答:
(1)基本型,适应那些低复杂度和低延迟的应用领域。
针对交互视频服务。
(2)主型,针对更高编码效率的应用,如电视广播。
针对娱乐媒体应用。
(3)扩展型,是H.264中的最高型,支持除了CABAC算书编码所有H.264/AVC特性,主要针对流媒体应用。
针对流媒体服务。
3、什么是H264的Slices?
Slices有什么作用?
H264的Slices有哪几种类型?
答:
(1)slices(片),H.264编码的结构。
一个视频图像可以编码成一个或多个片,每片包含整数个宏块。
(2)限制误码的扩散和传播,使编码片与片之间保持独立。
(3)I-Slices\P-Slices\B-Slices\SI(切换I)-Slices\SP(切换P)-Slices;五种类型。
4、H264编码主要由哪几个层组成?
分别有什么作用?
答:
视频编码层VCL(videocodinglayer):
主要负责对视频内容进行高效地编码,包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。
和支持视频在不同网络之间传输的网络抽象层NAL(networkabstractionlayer):
将视频编码层输出的视频格式转换成传输网络或存储媒体所要求的合适的格式,以适合多种传输网络和存储媒体。
在VCL和NAL之间定义了一个基于打包方式的接口,这样,高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。
NAL负责按照下层网络的打包格式来封装数据,包括组帧,逻辑信道的信令,定时信息的利用或序列结束信号等。
NAL包括自己的头部信息,段结构信息和实际载荷信息。
5、H264编码支持哪两种帧内编码模式?
分别有什么特点?
答:
H.264并不直接对图像块进行处理,而是根据邻近块的值来预测当前宏块的值,然后再对预测值和原始值的差值进行变换、量化和编码。
两种帧内编码模式:
(1)亮度块4×4与16×16编码模式
特点:
对于图像中的平坦区域,以16×16为单位进行预测更有助于加快处理速度和降低码率。
H.264提供了垂直预测、水平预测、直流预测和平面预测四种16×16的预测模式。
(2)色度块8×8编码模式
特点:
每个帧内编码宏块的8×8色度分量由已编码左上方色度像素的预测而得,两种色度分量常用一种预测模式。
4种预测模式类似于帧内16×16的4种预测模式,只是模式编号不同,其中DC为模式0,水平为模式1,垂直为模式2,平面为模式3。
6、H.264采用了哪些先进的技术措施?
答:
分层设计;帧内预测编码;帧间预测编码;整数变换;量化处理;去块效应滤波;熵编码。
7、H.264的SP帧和SI帧有什么特点?
分别应用在哪些场合?
答:
(1)SP帧
SP帧可以参考不同的参考帧重构图像,编码效率低于P帧,高于I帧,改善网络亲和性,支持流媒体服务,具备强抗误码性能,适应干扰大、丢包率高的无线信道。
应用:
流切换、拼接、随机进入、快进快退、错误恢复。
8、说明H.264的整数变换与DCT变换的相同点和不同点,根据压缩数据类型的不同,H.264有哪几种不同的变换方式?
答:
该变换的基础是DCT变换但二者之间有根本的差别:
(1)该变换是一种整数变换,所有的运算都是整数运算并且没有精度损失。
(2)H.264标准中对该变换的反变换有详细的说明,如果完全按照说明正确执行,编解码器之间不会出现误匹配。
(3)该变换的核心部分不需要乘法,仅仅需要加法和移位运算。
H.264的“baseline”型(profile)根据所压缩的数据类型不同而采用三种不同的变换方式。
(1)适用于帧内预测宏块4×4亮度DC系数块的变换;
(2)适用于任何宏块色度2×2DC系数块的变换;
(3)适用于其他4×4残差数据块的变换;
9、H.264的4×4残差块系数矩阵为X,求整数变换后的系数矩阵Y。
10、在进行帧间预测编码处理时,H.264为什么采用不同大小和形状的块进行运动补偿?
答:
H.264编码支持从16*16到4*4范围尺寸的运动补偿块,在这个范围中亮度样值可有多种模式选择。
小块模式的运动补偿,可
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