第七章數(shù)字電視與高清晰度電視

§7-1概述

7.1.1數(shù)字電視的概念數(shù)字電視：將電視信號數(shù)字化后進(jìn)行傳輸、處理和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。7.1.2數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)(1)數(shù)字電視抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字電視采用二進(jìn)制，在傳輸過程中在一定程度的失真和受干擾后，并不影響所帶的信息。(2)數(shù)字電視信號容易進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)字信號可以存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，存取速度很高，進(jìn)行反復(fù)的存取后不會(huì)失真。(3)數(shù)字電視穩(wěn)定可靠數(shù)字電路采用超大規(guī)模集成電路，性能穩(wěn)定可靠。(4)數(shù)字信號易于與其它信號鏈接數(shù)字電視信號可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送，容易進(jìn)行處理。7.1.3數(shù)字電視的發(fā)展1、模擬彩色電視的問題三大彩色電視制式NTSC制：美國、加拿大、中美州、南美州、日本等PAL制：英國、西歐國家、中國等SECAM制：法國、中歐國家、俄羅斯等(1)模擬電視制式的相似性都使用隔行掃描方式，兩場構(gòu)成一幀廣播圖像信號都使用幅度調(diào)制方式聲音載波偏置高于圖像載波頻率，大多使用頻率調(diào)制都采用殘留下邊帶調(diào)制方式都從紅綠藍(lán)分量中取得亮度和兩個(gè)色差信號(2)三大制式的不兼容性射頻信號帶寬不同NTSC制使用6MHz帶寬SECAM使用8MHz帶寬PAL制有6MHz、7MHz、8MHz幾種帶寬視頻信號帶寬不同NTSC制使用4.2MHz帶寬PAL制有4.2MHz、5MHz、5.5MHz、6MHz幾種帶寬SECAM使用6MHz帶寬信號的結(jié)構(gòu)不同色副載波不同NTSC制使用525行，每秒30幀PAL、SECAM制使用625行，每秒25幀NTSC用3.57954506MHzPAL用4.43361875MHzSECAM用4.40625MHz和4.250MHz兩個(gè)副載波聲音載波的偏置不同NTSC偏置4.5MHzPAL偏置5.5MHz、6MHz、6.5MHzSECAM偏置6.5MHz(3)模擬電視制式的缺陷亮度分解力不足垂直分解力受每幀行數(shù)的限制，水平分解力受圖像信號帶寬的限制。色度分解力不足在亮色頻譜間置后，亮色信號不能很好地分離，因而會(huì)造成相互的干擾。由于利用了大面積著色原理，使色度分解力降低。亮色串?dāng)_亮色增益差亮度信號的能量主要分布在整個(gè)頻帶的低、中頻部分，而色度信號的能量分布在頻帶的高頻部分。由于信道的線性不是很好，導(dǎo)致亮色信號的增益不一直，產(chǎn)生色飽和度失真。亮色信號通道的帶寬不同，產(chǎn)生傳輸延時(shí)不同，雖然進(jìn)行了補(bǔ)償，但仍有差異，造成亮度和彩色圖像位置的不重合，形成彩色鑲邊圖像。亮色延時(shí)差信號傳送中時(shí)間利用率不充分行消隱占18.75%，場消隱占8%，有效信息傳送率不高。通道動(dòng)態(tài)范圍利用不充分圖像信號占用75%的幅度，同步信號占用25%的幅度。聲音信號只有單聲道模擬電視采用的是單聲道制式不適合磁帶、磁盤的多次復(fù)制對模擬信號，在對信號的復(fù)制和處理過程中，噪聲功率會(huì)不斷累加，播出節(jié)目一般不使用復(fù)制四代以上的磁帶。寬高比不適合人眼的視覺特性制定模擬電視制式時(shí)，采用了35mm電影的4:3寬高比，而人眼適合的寬高比是16:9。(4)改良彩色電視制式在接收端將視頻基帶信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使用幀存儲(chǔ)器，利用數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐行掃描，以提高圖像的垂直分解力。EDTV：在IDTV的基礎(chǔ)上，在消隱期間加入消除重影基準(zhǔn)信號，并將寬高比改成16:9，使用數(shù)字梳狀濾波器，使圖像質(zhì)量得到較大的改善。IDTV：MultiplexedAnalogueComponents制式MAC是一種亮色時(shí)分復(fù)用的模擬電視制式利用數(shù)字技術(shù)將亮度信號按3:2進(jìn)行時(shí)間壓縮，將色度信號按3:1進(jìn)行時(shí)間壓縮。在一行時(shí)間中，前1/3輪流傳送兩個(gè)色差信號，后2/3傳送亮度信號，完全避免了亮色信號共用頻帶的各種缺陷。在行消隱期間內(nèi)以數(shù)字方式傳送4路準(zhǔn)瞬時(shí)壓縮編碼的聲音信號。MAC僅用于衛(wèi)星傳送，與現(xiàn)行模擬制式不兼容。(5)Hivision高清晰度電視將每幀掃描行數(shù)提高到1125行/60場/2:1(隔行掃描)/畫面寬高為16:9，亮度信號帶寬為20MHz，色差信號帶寬為7.5MHz或5.5MHz，用PAL制的編碼方式，總帶寬30MHz。聲音為前3后1。在1985年定名為HDTV。由于帶寬太寬，無法在現(xiàn)行制式的電視頻道中傳送。將亮度信號經(jīng)4:3時(shí)間壓縮后，成為30MHz帶寬；將兩個(gè)色度信號經(jīng)4:1時(shí)間壓縮后，也成為30MHz的帶寬；然后用MUSE(多重亞取樣編碼)技術(shù)實(shí)現(xiàn)4:1的壓縮，亮度和兩個(gè)色差信號的帶寬都是8.1MHz的帶寬。由此構(gòu)成的電視廣播制式稱為Hivision制式，在24MHz帶寬的衛(wèi)星頻道中調(diào)頻廣播?！?-2數(shù)字電視信號的產(chǎn)生與信源編碼7.2.1、電視信號的數(shù)字化數(shù)字電視的編碼過程：A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電視的解碼過程：D/A轉(zhuǎn)換1、模擬電視信號的數(shù)字化PCM

(脈沖編碼調(diào)制)

編碼和解碼模擬信號取樣脈沖脈沖幅度調(diào)制信號PAM不歸零串行數(shù)字信號NRZ取樣序列量化序列編碼序列頻譜電視信號頻譜抽樣脈沖頻譜理想抽樣PAM信號頻譜濾波器特性抽樣定理：fs≥2fm2、視頻信號的編碼方案與參數(shù)確定1)、全電視信號編碼將全電視信號轉(zhuǎn)變成PCM數(shù)字信號(1)取樣結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)行交叉結(jié)構(gòu)(2)取樣頻率fS滿足抽樣定理：fS≥2fm=16MHz滿足正交結(jié)構(gòu)：fS=n

fH有利于幀內(nèi)和幀間的信號處理滿足與色度信號副載波的差拍|fSq

fSC|=0對PAL制有fSC=

(283+3/4)fH+25=

(283+3/4+25/fH)fH取q=4，則有：fS=4fSC=(1135+100/fH)fH

=(1135+4/625)fHn=1135.00641135滿足正交結(jié)構(gòu)fS=(1135+4/625)fH=17.734475MHz滿足抽樣定理(3)編碼位數(shù)對于現(xiàn)行的電視圖像，編碼位數(shù)取8位，有256個(gè)量化層就夠了。則數(shù)字信號的碼率為：fS

8bit

=4fSC

8bit=44.431068bit=141.76106bit/s=16.9MBps一幀的數(shù)據(jù)量為：5.67106bit=692KByte2)、分量信號編碼將Y、U、V信號或R、G、B信號進(jìn)行編碼(1)亮度信號取樣頻率兼顧不同國際格式：滿足抽樣定理：fY≥2fm=12MHz滿足正交結(jié)構(gòu)：fY=n

fH625行/50場格式：fH=15625Hz525行/59.94格式：fH=15734.25Hz最小公倍數(shù)是2.25MHz，因此fY=m

2.25MHz國際無線電咨詢委員會(huì)(CCIR)建議：m=6則fY=13.5MHz(2)色度格式對625行/50場格式的亮度信號，每行取樣點(diǎn)數(shù)為對525行/60場格式的亮度信號，每行取樣點(diǎn)數(shù)為對兩個(gè)色差信號的取樣有如下格式：4:2:2格式：fY:fR:fB=4:2:2即fR=fB=6.75MHz4:1:1格式：fY:fR:fB=4:1:1即fR=fB=3.375MHz(3)數(shù)字有效行圖像信號在掃描的正程，因此只有在掃描正程的取樣信號才是有效的，是應(yīng)該進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的。規(guī)定：對兩種圖像格式，亮度信號在正程中取720個(gè)點(diǎn)，色度信號取360個(gè)點(diǎn)。(4)編碼位數(shù)和排列亮度信號歸一化為：0到1間色差信號歸一化為：-0.5到+0.5間對兩個(gè)色差信號需要進(jìn)行壓縮，結(jié)果為亮度信號：Y=0.3R+0.59G+0.11B紅差信號：R–Y=0.5R–0.42G–0.08B藍(lán)差信號：B–Y=–0.17R–0.33G+0.5B編碼亮度信號為8位自然二進(jìn)制碼色差信號為8位偏移二進(jìn)制碼：-0.5對應(yīng)00對應(yīng)128+0.5對應(yīng)255傳輸順序(4:2:2)(B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y)其中(B-Y)Y(R-Y)是同一取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而(Y)是只有亮度的取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。7.2.2頻帶壓縮編碼將電視信號數(shù)字化后產(chǎn)生的問題：海量的數(shù)據(jù)造成存儲(chǔ)和傳輸上的困難。例：4:2:2分量編碼的碼率為(13.5+26.75)8=216Mbps如果用1.5bit/Hz進(jìn)行調(diào)制，需要帶寬144MHz。解決海量的數(shù)據(jù)困難的方法：采用壓縮編碼1、概述壓縮編碼的基礎(chǔ)1)、圖像數(shù)據(jù)的冗余(1)空間冗余在圖像序列中相鄰行和相鄰幀有較大的相關(guān)性。在一幅圖像中規(guī)則的物體和規(guī)則的背景有較大的相關(guān)性。(2)時(shí)間冗余(3)結(jié)構(gòu)冗余圖像從大面積上看，存在著紋理結(jié)構(gòu)。(4)視覺冗余人眼視覺分辨能力的限制使有些信息是不必要的。2)、人眼視覺限制(1)亮度辨別閾值當(dāng)景物的亮度在背景亮度的基礎(chǔ)上增加很少時(shí)，人眼是辨別不出來的，只有當(dāng)亮度增加到某一數(shù)值時(shí)，人眼才能感覺亮度有變化。人眼剛剛能察覺亮度變化的值稱為亮度辨別閾值(2)視覺閾值視覺閾值是指干擾或失真剛好可以被察覺的門限值，低于它就察覺不出來，高于它才能看得出來，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。(3)空間分辨力空間分辨力是指對一幅圖像相鄰像素的灰度和細(xì)節(jié)的分辨力，視覺對于不同圖像內(nèi)容的分辨力不同。對于靜止圖像或變化緩慢的圖像，在適當(dāng)?shù)牧炼认?，視覺具有較高的空間分辨力；而對于活動(dòng)圖像，視覺的空間分辨力減低，并隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的增大而迅速下降。(4)掩蓋效應(yīng)“掩蓋效應(yīng)”是指人眼對圖像中量化誤差的敏感程度，與圖像信號變化的劇烈程度有關(guān)。人眼對圖像中誤差的辨別能力受“掩蓋效應(yīng)”的影響，亮度變化越劇烈，在輪廓和邊沿處的量化誤差越容易被掩蓋；相反則越容易被察覺。2、圖像編碼技術(shù)(1)基于圖像信源統(tǒng)計(jì)特性的壓縮方法(2)基于人眼視覺特性的壓縮方法有預(yù)測編碼、變換編碼、矢量量化編碼、子帶-小波編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼等。有方向?yàn)V波圖像編碼和圖像輪廓-紋理編碼法等。(3)基于圖像景物特征的壓縮方法有分形編碼法和模型編碼法等。1)預(yù)測編碼減小空間和時(shí)間冗余信息的編碼方法取樣序列量化后的序列預(yù)測值:預(yù)測系數(shù)量化后的預(yù)測誤差僅對預(yù)測誤差編碼，碼率將下降預(yù)測誤差線性預(yù)測以前各點(diǎn)量化值的線性組合DPCM編碼采用線性預(yù)測，由于減小了信號的動(dòng)態(tài)范圍，使編碼后的碼率下降，但編碼的方法將決定壓縮的程度。(1)預(yù)測誤差的統(tǒng)計(jì)特性預(yù)測統(tǒng)計(jì)誤差的概率分布集中在0附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，近似滿足Laplace分布實(shí)驗(yàn)表明：用8bit量化，分層數(shù)為M=256，預(yù)測誤差的絕對值在16~18以下的像素占(80%~90%)以上。(1)非均勻量化編碼對幅值小的范圍，量化間距??；對大幅值的范圍，量化間距大。非均勻量化用5位編碼可達(dá)到均勻量化8位編碼的效果。(2)可變字長編碼用均勻量化編碼，對出現(xiàn)概率大的小差值信號的編碼位數(shù)n??；對出現(xiàn)概率小的大差值信號的編碼位數(shù)n大。編碼位數(shù)n隨信號出現(xiàn)的概率而變化，取Pi是第i個(gè)數(shù)字信號出現(xiàn)的概率，C是負(fù)常數(shù)。平均碼長：2)變換編碼編碼原理：將圖像中的像素按區(qū)域分成一些包括MN個(gè)像素的許多方塊，這些像素點(diǎn)的取樣值構(gòu)成一個(gè)矩陣。將數(shù)值矩陣進(jìn)行正交變換，將變換后的數(shù)值進(jìn)行編碼后再發(fā)送出去。在變換后，對幅度大的部分用高位數(shù)編碼，對幅度小的部分用低位數(shù)編碼，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，平均字長和總碼長都會(huì)下降。3)其他壓縮碼率的措施(1)、亞奈奎斯特取樣fs=2fm稱為奈奎斯特頻率，大于此頻率的取樣稱為奈奎斯特取樣。在取樣時(shí)若小于此頻率，將產(chǎn)生頻譜混疊失真。在特殊情況下，如果頻譜混疊可以用特殊的濾波器分開(如亮度信號的頻譜交錯(cuò))，則取樣頻率可以小于奈奎斯特頻率由于取樣頻率降低，編碼數(shù)據(jù)率也隨之降低，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)壓縮的目的。(2)、同步信號的編碼在電視信號的逆程中，只有同步信號和消隱信號、色同步信號。由于信息量很少，沒有必要對波形進(jìn)行取樣編碼，也不必逐場逐行地傳送這些信息。每行只要用20~30bit傳送定時(shí)信號，每場只要在1~2行中傳送色同步信號。§7-3電視信號的數(shù)字處理7.3.1概述數(shù)字信號處理的特點(diǎn)容易進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)信號的放大、衰減、疊加、限幅、箝位等。容易進(jìn)行存儲(chǔ)和延時(shí)，信號的延時(shí)可以完全由外部定時(shí)信號來確定，有很好的精度，無失真。能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像的各