数字电视与高清晰度电视

(3) 编码位数和排列 亮度信号和色差信号分别规一化为0～1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： Y＝0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B； (B-Y)＝-0.169R-0.331G+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 (B-Y) (B-Y) 只对亮度 样点上。对亮度色度 Y Y
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。fS＝4 fSC的另 一好处是因fS/2与fm间有较大间隔，可以降低模拟低通滤波器和数 字滤波器的设计难度。（但码率高）
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 ①选定原则 ·fS应大于最高频率（Y：5.8～6MHz，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重合或有固定的位置关系。 ② 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
6．3．2变换编码 将图像中的像素按区域分成一些包括M×N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,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 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 亮度 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。
6．2 电视信号的编码 6．2．1 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(为 采样转换频率)。
6．3 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+2×6.35)×8＝216Mb/s，即便是 采用1.5b/Hz的高效数字调制，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： ① 空间冗余：相邻象素/行 变化小； ② 时间冗余：相邻帧变化小，具有相关性； ③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 ④ 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
第六章 数字电视与高清晰度电视
6．1数字电视概述 6．1．1 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，常常对数字电视信号进行 压缩编码后再传输或存储。 5．1．2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 。
信号都采样
(R-Y) Y (R-Y) Y
信号采样
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fS ＝32kHz。对于20kHz信号，取 样频率可取fS＝48kHz。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85～90dB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n＝11、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。
S 满量程量化信噪比： N rms
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γ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50～60dB。 ② 全信号编码时的数据速率 以PAL制 fS＝4 fSC、n = 8(8位A/D转换)为例，总数据速率约为 4×4.43×8=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) 编码位数 ① 量化信噪比 对于经过γ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个量化层， 每个量化层高为2-n。由于均匀分布，量化误差的均方根值：
N rms 2 2 n 2n 12 12
20 lg 2 n 12 6n 10 .8 (dB)
f f S 4 f SC 283 4 3 f H 4 V 2 4 4 1135 f H f H 1135 fH 625 625
4 4 f f S 4 fSC 283 4 3 f H 4 V 1135 f H f H 1135 fH 625 625 2
6．3．1 预测编码 中*人**和国 → 中华人民共和国 基本含义： 从已知信号推测未来信 号。 待编码取 样序列 目标： 预测值 减小空间和时间冗余 。 量化后数 在图像预测编码中， 字序列 人们力求根据图像或信息所 存在的相关性，推测未来图 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。 N ˆ 1．预测编码的原理 ˆ en xn xn xn ai xn i i 1 差分脉码调制(DPCM) 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。
(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：360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。

(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；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。