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1.图像宽高比
图像宽高比也称幅型比。
根据人眼的视觉特性,视觉最清楚的范围是垂直视角为15°
,水平视角为20°
的一个矩形视野,因而电视接收机的屏幕通常为矩形,矩形画面的宽高比为4∶3。
矩形屏幕的大小用对角线长度表示,并习惯用英寸作单位,一般家用电视机的35cm(14英寸)、46cm(18英寸)、51cm(20英寸)、74cm(29英寸)等都是指屏幕对角线长度。
2.扫描频率
在我国模拟电视标准中,每帧画面确定为625行。
相应的,行频为15625Hz。
场频选为50Hz。
•彩色电视信号的传输
•一、兼容的含义
所谓兼容有两方面含义,一方面,彩色电视机应能接收黑白电视信号并显示黑白图像,另一方面,黑白电视机也能接收彩色电视信号并显示黑白图像。
•二、兼容的必备条件
1.彩色电视信号中必须包含亮度信号和色度信号两部分,且相互干扰要小;
2.彩色电视信号只能占用和黑白电视信号相同的频带宽度(6MHz);
3.彩色电视系统应具有与黑白电视系统相同的扫描参数。
•三、实现兼容所采取的措施
1.将三基色电信号变换成一个反映亮度变化的亮度信号和一个反映色度的色度信号。
实际中采用Y、R-Y、B-Y
2.依据“大面积着色”原理压缩色差信号的频带宽度。
3.利用“频谱交错”原理在亮度信号频谱间隙插入较窄频带的色差信号,使色差信号与亮度信号共占6MHz带宽。
•亮度及色度信号频谱
•四、编码器
•五、彩色全电视信号
•亮度信号
•色度信号(已调色差信号)
•复合消隐信号
•复合同步信号
•色同步信号
•六、模拟电视制式
模拟电视制式是指模拟彩色电视系统所采用的电视信号编码方式。
主要有NTSC、PAL、SECAM三大制式。
•1.NTSC制
NTSC(NationalTelevisionSystemCommittee)是指“美国国家电视系统委员会”。
NTSC制由美国研制,并于1954年正式在美国使用,它是世界上第一个成功地应用于电视广播的兼容制彩色电视制式。
•2.PAL制
PAL是英文PhaseAlterationLine的缩写,意思是逐行倒相。
PAL制由原联邦德国研制并于1967年首先使用的。
英国、澳大利亚和我国都使用这种制式。
•3.SECAM制
SECAM是法文SequentielCouleurAMemoire的缩写,意思为“按顺序传送彩色与存储”,由法国研制、并于1966年首先使用的一种彩色电视制式。
世界上采用SECAM制的国家主要有俄罗斯、法国、埃及等国家。
广播电视系统
一、地面广播
地面广播是相对于卫星广播而言的,地面广播的发射天线常置于广播区域的制高点上,例如山顶或高楼顶上,以扩大电视广播的覆盖区域。
二、卫星广播
卫星电视是利用位于赤道上空35800km的同步卫星作为电视广播站,对地面居高临下,不受地理条件限制,其传送的图像质量高,没有重影。
1.卫星电视广播系统的组成
卫星电视广播系统主要由上行站、卫星、接收站和遥测遥控跟踪站组成,如下图所示。
2.卫星广播电视接收系统
卫星广播电视接收系统由卫星接收天线、卫星广播电视接收机及普通电视接收机组成。
卫星电视接收设备
抛物面天线
馈源、高频头
卫星电视接收机
功率分配器及同轴电缆
后
馈
天
线
三、有线电视广播
有线电视系统通常由前端设备、传输系统、信号分配三部分组成。
•第1章数字电视概述
•一、数字电视广播系统的构成
•标准清晰度电视
标准清晰度电视(SDTV,StandardDefinitionTelevision)是指质量相当于目前模拟彩色电视系统(PAL、NTSC、SECAM)的数字电视系统,也称为常规电视系统。
•高清晰度电视
高清晰度电视(HDTV,HighDefinitionTelevision)是指水平清晰度和垂直清晰度大约为目前模拟彩色电视系统的2倍,宽高比为16∶9的数字电视系统。
•数字电视与模拟电视数字化处理
数字电视是指从节目的制作到信号的发送、传输和接收全部采用数字处理的全新电视系统;
模拟电视数字化处理是指对当前的模拟电视接收机进行的多种数字化处理技术,以提高接收图像和伴音的质量。
•二、数字电视的优点
1.图像伴音传输质量高
2.频谱资源利用率高
3.多信息、多功能
4.设备可靠,维护简单
5.节省发射功率,覆盖范围广
6.易于实现条件接收
•三、数字电视的发展
1.国际数字电视发展概况
2.我国数字电视发展概况
•第2章信源编码
•2.1视频压缩技术
•2.1.1视频信号压缩的可能性
视频数据中存在着大量的冗余,即图像的各像素数据之间存在极强的相关性。
利用这些相关性,一部分像素的数据可以由另一部分像素的数据推导出来,结果视频数据量能极大地压缩,有利于传输和存储。
视频数据主要存在以下形式的冗余:
1.空间冗余
视频图像在水平方向相邻像素之间、垂直方向相邻像素之间的变化一般都很小,存在着极强的空间相关性。
特别是同一景物各点的灰度和颜色之间往往存在着空间连贯性,从而产生了空间冗余,常称为帧内相关性。
2.时间冗余
在相邻场或相邻帧的对应像素之间,亮度和色度信息存在着极强的相关性。
当前帧图像往往具有与前、后两帧图像相同的背景和移动物体,只不过移动物体所在的空间位置略有不同,对大多数像素来说,亮度和色度信息是基本相同的,称为帧间相关性或时间相关性。
3.结构冗余
在有些图像的纹理区,图像的像素值存在着明显的分布模式。
如方格状的地板图案等。
已知分布模式,可以通过某一过程生成图像,称为结构冗余。
4.知识冗余
有些图像与某些知识有相当大的相关性。
如人脸的图像有固定的结构,嘴的上方有鼻子,鼻子的上方有眼睛,鼻子位于脸部图像的中线上。
这类规律性的结构可由先验知识得到,此类冗余称为知识冗余。
5.视觉冗余
人眼具有视觉非均匀特性,对视觉不敏感的信息可以适当地舍弃。
在记录原始的图像数据时,通常假定视觉系统是线性的和均匀的,对视觉敏感和不敏感的部分同等对待,从而产生了比理想编码(即把视觉敏感和不敏感的部分区分开来编码)更多的数据,这就是视觉冗余。
•2.1.2视频信号的数字化
•1.取样
理想取样时,只要取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的两倍,就可以不失真地恢复模拟信号,称为奈奎斯特取样定理。
模拟信号中最高频率的两倍称为折叠频率。
•2.量化
(1)均匀量化
在输入信号的动态范围内,量化间隔幅度都相等的量化称为均匀量化或线性量化。
(2)非均匀量化
为改善弱信号时的信噪比,量化间距应随输入信号幅度而变化,大信号时进行粗量化,小信号时进行细量化,这就是非均匀量化(或称非线性量化)。
•3.PCM编码
全信号编码
分量编码
•4.ITU-RBT.601分量数字系统
1982年10月,国际无线电咨询委员会(CCIR)通过了第一个关于演播室彩色电视信号数字编码的建议,1993年变更为ITU-R(国际电联无线电通信部分)BT.601分量数字系统建议。
采用分量编码方式,对不同制式的信号采用相同的取样频率,亮度信号Y为13.5MHz,色度信号U和V为6.75MHz。
每个数字有效行分别有720个亮度取样点和360×
2个色差信号取样点。
对每个分量的取样点都是均匀量化,对每个取样进行8比特精度的PCM编码。
色度信号的取样率是亮度信号取样率的一半,常称作4∶2∶2格式。
对于PAL制,传输所有的样点数据,大约需要200Mb/s的传输速率,传输有效样点只需要160Mb/s左右的速率。
•2.1.3熵编码(EntropyCoding)
熵编码(EntropyCoding)是一类无损编码,因编码后的平均码长接近信源的熵而得名。
熵编码多用可变字长编码(VLC,VariableLengthCoding)实现。
其基本原理是对信源中出现概率大的符号赋以短码,对出现概率小的符号赋以长码,从而在统计上获得较短的平均码长。
•2.1.4预测编码和变换编码
•DPCM
基于图像的统计特性进行数据压缩的基本方法就是预测编码。
它是利用图像信号的空间或时间相关性,用已传输的像素对当前的像素进行预测,然后对预测值与真实值的差——预测误差进行编码处理和传输。
目前用得较多的是线性预测方法,全称为差值脉冲编码调制(DPCM,DifferentialPulseCodeModulation),简称为DPCM。
•变换编码原理
图像变换编码是将空间域里描述的图像,经过某种变换在变换域中进行描述。
这样可以将图像能量在空间域的分散分布变为在变换域的相对集中分布,完成对图像信息的有效压缩。
•混合编码
混合编码是近年来广泛采用的方法,这种方法充分利用各种单一压缩方法的长处,以期在压缩比和效率之间取得最佳的平衡。
如广泛流行的JPEG和MPEG压缩方法都是典型的混合编码方案。
静止图像是指内容不变的图像,也可能是不活动场景图像或活动场景图像在某一瞬时的“冻结”图像。
静止图像编码有以下要求:
(1)清晰度
(2)逐渐浮现的显示方式
(3)抗干扰
•静止图像数字传输系统
•JPEG标准
JPEG是国际标准化组织(ISO,InternationalOrganizationforStandardization)/国际电工技术委员会(IEC,InternationalElectrotechnicalCommission)和ITU-T的联合图片专家小组(JointPhotographicExpertsGroup)的缩写。
•JPEG算法步骤
(1)标准数字电视:
图像分辨率720×
576
(2)会议电视:
图像分辨率352×
288
(3)数字影碟机:
(4)可视电话:
图像分辨率176×
144
(5)高清晰度电视:
图像分辨率1920×
1080
•2.帧间预测编码
帧间预测将画面分为三种区域:
(1)背景区
(2)运动物体区
(3)暴露区
•空间分辨率和时间分辨率的交换
在传输静止图像或图像的静止部分时,要有较高的分辨率,但可以减少传输帧数;
在传输图像中的运动部分时,可以降低这部分图像的分辨率。
•帧内帧间自适应编码
对于变化缓慢的图像,帧间相关性强,宜采用帧间预测;
对于快速运动的物体,图像的高频成分减弱,帧内相关性反而有所增加,应采用帧内编码,编码器应进行帧内帧间自适应编码。
•运动补偿预测编码
对于运动的物体,估计出物体在相邻帧内的相对位移,用上一帧中物体的图像对当前帧的物体进行预测,将预测的差值部分编码传输,就可以压缩这部分图像的码率。
•块匹配运动补偿预测
把一幅图像分为互相不重叠的N×
N个像素子块,对每个子块估计位移矢量,并将它们编码后传送到接收端。
将变换编码和预测编码组合在一起,用变换编码进行空间冗余度的压缩,用预测编码进行时间冗余度的压缩。
•3.MPEG-1标准
ISO/IEC的联合技术委员会自20世纪90年代以来先后颁布的一系列图像和视频编码的国际标准促进了多媒体与图像业务的发展。
其中,MPEG-1建议用于VCD之类的视频家电设备和视频点播(VoD,VideoonDemand)系统;
MPEG-2的主要应用范围是数字电视广播和DVD系统。
MPEG-1是MPEG工作组制定的第一个标准(ISO/IEC11172),标题是:
信息技术——具有1.5Mb/s数据传输率的数字存储媒体活动图像及其伴音的编码。
•
(1)图像格式SIF
MPEG-1处理逐行扫描的图像时,对隔行扫描的图像源应先转换为逐行扫描格式再编码;
输入的视频信号必须是数字化的一个亮度信号和两个色差信号(Y,CB,CR),要使码率为1~1.5Mb/s,应该选择图像速率在每秒24、25或30帧,水平分辨率在250~400像素,垂直分辨率在200~300线。
•
(2)图像组
MPEG-1提出了图像组(GoP,GroupofPicture)的概念,从视频编码算法的角度而言,MPEG-1(以及MPEG-2)将视频图像帧划分为三大类:
I帧(Intra-codedpicture帧内编码图像帧):
不参考其他图像帧而只利用本帧的信息进行编码;
P帧(Predictive-codedPicture预测编码图像帧):
由一个过去的I帧或P帧采用有运动补偿的帧间预测进行更有效的编码;
通常用于进一步预测之参考。
B帧(Bidirectionallypredictedpicture双向预测编码图像帧):
提供最高的压缩,它既需要过去的图像帧(I帧或P帧),也需要后来的图像帧(P帧)进行有运动补偿的双向预测。
还有一种D帧(DCCodedPicture,直流编码帧)仅用于快进或退回显示低分辨率图像。
•(3)算法概述
对I帧的编码类似JPEG。
P帧编码利用过去的I帧或P帧进行运动补偿预测,可得到更有效的编码。
B帧编码能提供最大限度的压缩,它需要参考过去和将来的I帧、P帧进行运动补偿,但B帧不能用作预测参考。
•4.MPEG-2标准
MPEG-2标准是MPEG工作组制定的第二个国际标准,标准号是ISO/IEC13818,题目是:
通用的活动图像及其伴音的编码。
作为一个通用的编码标准,应用范围更广,包括标准数字电视、高清晰度电视和MPEG-1的工作范围。
•2.2音频压缩的原理和标准
与视频信号的压缩一样,只有当音频信号本身具有冗余,才能对其进行压缩。
根据统计分析,音频信号中存在着多种时域冗余和频域冗余,考虑人耳的听觉机理,也能对音频信号实行压缩。
•一、MUSICAM编码
MUSICAM编码叫做掩蔽型自适应通用子频带综合编码与复用。
MUSICAM编码方法与MPEG-1标准中关于声音的部分ISO/IEC11172-3是一致的,欧洲的数字声广播及高清晰度电视都采用此标准。
MUSICAM编码的取样速率为32kHz、44.1kHz与48kHz三挡;
采用16比特均匀量化;
单音码率为32kb/s、64kb/s、96kb/s、128kb/s、192kb/s五挡;
立体声码率为128kb/s、192kb/s、256kb/s、384kb/s四挡,比只采用PCM编码的激光唱片数据率1.4Mb/s要低得多。
•二、AC-3编码
美国高级电视系统委员会(ATSC)规定电视伴音压缩标准为杜比实验室开发的AC-3系统。
该系统的音响效果为高保真立体环绕声。
目前市场流行的“家庭影院”的音响系统多数采用此标准。
杜比AC-3规定的取样频率为48kHz,音频系统接受的基带音频输入可做到每个音频节目的码流多达6个音频信道。
这6个信道是:
中心、左(Left)、右(Right)、左环绕(LeftSurround)、右环绕(RightSurround)和低频增强(LFE,LowFrequencyEnhancement)。
•2.3压缩技术的应用
•2.3.1数码相机
–可瞬时显示摄影效果
–具有更宽的曝光控制范围
–可进行图像处理
–图像通信比便捷
–可准确复制和长期保存
•2.3.2数字光盘视音频播放机
1.CD
数字激光唱机简称CD(CompactDiscDigitalAudio)。
它是用激光束读取CD唱片上数字化音频信号后,再经数/模转换为模拟音频信号输出。
2.VCD
VCD(VideoCD)是能放电视的CD机,又称数字视音光盘,VCD采用MPEG-1标准,存储了经压缩编码的彩色电视信号。
3.DVD
数字电视光盘简称DVD(DigitalVideoDisc)。
它能存储和重放广播级质量的电视图像及伴音。
实际上DVD不仅能用来存放电视节目,还可以存放数据信息,所以DVD又称为数字多功能光盘(DigitalVersatileDisc)。
4.SVCD
1998年8月,SVCD(SuperVCD)作为VCD更新换代产品的技术标准在北京正式制订完毕。
SVCD标准作为中国产业专利,得到Philips、Sony、JVC、C-Cube、National等公司支持,向ISO/IEC申请为国际化标准。
5.EVD
EVD(EnhancedVersatileDisc,增强型多功能光盘),又称为新一代多媒体高清晰视盘系统,是中国自行研发、拥有自主知识产权的光盘和播放机工业标准。
第三章多路复用
在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道,同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术。
多路复用技术主要有频分多路复用、和时分多路复用。
频分多路复用(FDM,Frequency-DivisionMultiplexing)是将传输频带分成N部分,每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。
这样在一对传输线路上可有N路信息传送,而每一路所占用的只是其中的一个频段。
频分复用通常以载波调制的方式传输信号,它是模拟通信的主要手段。
时分多路复用(TDM,Time-DivisionMultiplexing)是指不同的信号在不同的时间轮流使用同一个物理信道。
通信时把通信时间划分成为若干个时间片,每个时间片占用信道的时间都很短。
这些时间片分配给各路信号,每一路信号使用一个时间片。
在这个时间片内,该路信号占用信道的全部带宽。
另外,还有波分多路复用(WDM)和码分多址(CDMA)复用等方式。
例如,光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号,由于波长不同,所以各路光信号互不干扰,最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。
码分多址通信系统中,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分,或者说,靠信号的不同波形来区分。
如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的。
3.1节目复用
将一路数字电视节目的视频、音频及其他辅助数据按照一定的方法复用成为一个单一的数据流,称为节目复用。
一、打包基本流PES
视频、音频及其他辅助数据通过压缩编码后分别形成了视频基本流ES、音频基本流及其他辅助数据基本流。
将这些基本流分别加包头打包就形成了打包基本流PES。
打包基本流PES的结构
二、传输流TS
针对不同的应用环境,ISO/IEC13818-1规定了两种系统编码句法:
节目流PS和传输流TS。
PS适用于不容易发生错误的环境。
TS适用于容易发生错误的环境。
MPEG-2中视频流和音频流的多路复用
3.2系统复用
系统复用是指对多路节目的复用,即将多路节目的TS流进行再复用,以适合传输的需要。
•第四章信道编码
•4.1概述
信道编码又称为纠错编码,是指将数字电视信号进行编码处理,以使编码后的传送码流与信道传输特性相匹配,其根本目的是为了提高信息传输的可靠性,即提高数字电视系统的抗干扰能力。
•4.1.1信道编码基础
1.差错种类
随机错误:
它由信道中的随机噪声干扰所引起,由于噪声的随机性,因而误码的发生相互独立,不会出现成片错误。
突发错误:
它由突发噪声干扰引起,如电火花等脉冲干扰,会使差错成群出现通常用突发持续时间与突发间隔时间分布来描述。
混合错误:
既包括随机错误又包括突发错误,因而既会出现单个错误,也会出现成片错误。
•2.信息码元与监督码元
信息码元是发送端由信源编码给出的信息数据。
监督码元又称校验码元,是为了检错、纠错而在信道编码中附加的校验数据,通常,对K个信息码元的码组附加r个监督码元,组成总码元数为n=k+r的码组。
•3.准用码组与禁用码组
信道编码后总码长为n的不同码组有2n个,其中,发送的信息码组有2k个,称之为准用码组,其余的(2n-2k)个码组不予传送,称之为禁用码组,纠错编码的任务就是从2n个总码组中按照某种规则选择出2k种准用码组。
•4.编码效率
每个码组内信息码元数k值与总码元数n值之比称为信道编码的编码效率,即η=k/n=k/(k+r)。
编码效率η是衡量信道编码性能的一个重要指标。
一般来说,监督码元越多,检错、纠错能力就越强,但编码效率也相应降低。
•5.分组码和卷积码
分组码:
编码后的码元序列每n位为一组,其中k位是信息码元,r位是附加的监督码元,r=n-k,通常记为(n,k)。
分组码的监督码元只与本码组的信息码元有关。
卷积码:
卷积码的监督码元不仅与本码组的信息码元有关,还与前面几个码组有约束关系。
•6.线性码和非线性码
若信息码元与监督码元之间的关系是线性的,即满足一组线性方程,称为线性码;
反之,两者若不满足线性关系,则称为非线性码。
•7.系统码和非系统码
在编码后的码组中,信息码元和监督码元通常都有确定的位置,一般信息码元集中在码组的前k位,而监督码元位于后r=n-k位。
如果编码后信息码元保持原样不变,则称为系统码;
反之称为非系统码。
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