数字电视体系及有线数字电视传输技术(二)

H.264编码简介 H.264标准可分为三档： 1、基本档次（其简单版本，应用面广）； 2、主要档次（采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施， 可用于SDTV、HDTV和DVD等）； 3、扩展档次（可用于各种网络的视频流传输）。 H.264的优势： 1、在相同的恢复图像质量条件下，比H.263和MPEG-4节约了近50％ 的码率， 2、对网络传输具有更好的支持功能： a）它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输， 支持网络中视频的流媒体传输；具有较强的抗误码特性，可适应丢包 率高、干扰严重的无线信道中的视频传输； b）支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像 质量； c）能适应于不同网络
2．MPEG-4标准的构成 1 ） 多 媒 体 传 送 整 体 框 架 （ DMIF ， The Dellivery Multimedia Integration Framework）。DMIF主要解决交互网络中、广播环境 下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过传输多路合成比 特信息来建 立客户端和 服务器端的 握手和传输 。通过DMIF， MPEG-4可以建立起具有特殊品质服务(QoS)的信道和面向每个基 本流的带宽。 2）数据平面。MPEG-4中的数据平面可以分为两部分：传输关系 部分和媒体关系部分。为了使基本流和AV对象在同一场景中出现， MPEG4引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT）的概念。OD 传输与特殊AV对象相关的基本流的信息流图。桌面把每一个流与 一个CAT（Channel Assosiation Tag）相连，CAT可实现该流的顺 利传输。 3）缓冲区管理和实时识别。MPEG-4定义了一个系统解码模式 （SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的 解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理， 可以更好地利用有限的缓冲区空间。
节目时钟基准（PCR）：
仅应用在MPEG-2中。 PCR用在传送码流（TS）中（如像SCR被用在MPEG-1的系统码流中一样）， 由于每个节目均有其本身的时钟基准，故包含多个节目的传送码流（TS），对每 个节目各有其本身的PCR域值。
MPEG-2编/解码器接口
MPEG-2数据信号的三种接口：同步并行接口（SPI） 同步串行接口（SSI） 异步串行接口（ASI） 三种接口连接的设备：QPSK解调器、QAM调制器、复用器、解复用器、 电信网络适配器。 三种接口采用的传送包结构：204/188
HD-SDI高清晰度串行数字分量接口:
HDTV使用符合SMPTE292M标准的串行数字分量接口传输数字分量电
视信号及其内嵌的多路数字音频信号,其取样频率为国为74.25MHz,量化电平 10bits,码率为1485Mbps。使用75ΩBNC连接器和75Ω同轴电缆，用8281电 缆时最大传输距离100米。
6) H.264
1999年开始制定，2004年年底发布 H.264建立在块匹配混合编码基础上，采取一系列高效压缩编码技术的开 放式标准 新标准 H.264在H.263与MPEG-4基础上的性能提升，必将对视频移动通信， 视频流服务，HDTV等领域的IP视频传输和存储产生极其深远的影响 在相同的SNR下，平均码流H.264比MPEG-4降低41%，比H.263降低52%， 比MPEG-2降低67%（一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps)
异步串行接口（ASI）：
应用：ASI仅用于点对点链路。
ASI协议结构：三层结构，
第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器、传输速率。 物理接口有LED驱动的多模光纤和同轴电缆两种。 光纤连接器符合IEC874-14的SC型连接器，
同轴电缆连接器为BNC型。
基本传输速率定义为270Mb/s（传输信道速率）。 第1层为数据编码层：规定串行编码规则、专用字符及差错控制。编码采用 8B/10B传输码；差错校验由无效传输码点和“游程”不等性来实现；专用字符 定义为编码数据字节未用的附加码点。 第2层为MPEG-2层：定义传送包同步、传送包格式、传送包定时。由 MPEG-2标准规定。
PES起始码
码流ID
PES包长
PEFra Baidu bibliotek头
填充比特
PES包数据
10
PES加扰控制
PES优先级
数据对称指示
版权
原始还是复制
7个标志
PES头数据长度
自选区
PTS DTS
ESCR
ES码率
DSM特殊模式
附加的复制信
PES CRC
PES扩展
5个标志 自选区
PES私用数据
包头区
节目包顺序计数
P-STD缓存
PES扩展区
PES包结构
TS的结构及其产生框图
PES经过复用再打成188比特的固定长度包 便形成TS流或TS包。TS流是各传输系统之间的 连接形式，是传输设备间的基本接口。其结构 如图示。 TS由带有一个或多个独立时基的一个或多 个节目组合而成，注意：TS不是由节目码流PS 构成，而由PES复接而成。
每一个打包在TS中的PES都伴有一个包标识符(PID)。一个特定节 目的所有TS包不管它是视频、音频还是数据，都能借助于它们的PID 从复合的码流中提取出来。一个或几个节目被加进（复接）TS中，也 可被提取（解复用）出来。 一个TS中的每一个节目关联到一个独立的时钟。TS侧重于传输方面 的结构和说明，如加入同步、说明有无差错、有无加扰等。其中包的 识别对解码有着重要作用，是识别码流和信息的标签。产生TS的结构 图和产生TS分接和解码框图亦如下。
5）MPEG – 4标准 • 1993年提出，2000年公布为国际标准。 • 与MPEG – 1 和MPEG – 2 有很大不同，它更基于内容的交互 性， 高的压缩率和灵活多样的存取模式。目前主要用于流媒体。
MPEG-4主要是针对多媒体交互应用等通信领域。MPEG-4试图达到 两个目标：一是低比特率下的多媒体通信； 二是多工业的多媒体通信的综合。 据此目标，MPEG-4引入AV对象（Audio/Visaul Objects），使得 更多的交互操作成为可能。 1．AV对象（AVO）：AV对象的基本单位是原始“AV对象”，它们 可能是一个没有背景的说话的人，也可能是这个人的语音或一段 背景音乐等。它具有高效编码、高效存储与传播及可交互操作的 特性。在MPEG-4中，AV对象有着重要的地位。MPEG-4对AV对 象的操作主要有： (1)采用AV对象来表示听觉、视觉或者视听组合内容。 (2)允许组合已有的AV对象来生成复合的AV对象，并由此生成 AV场景。 (3)允许对AV对象的数据灵活地多路合成与同步，以便选择合适 的网络来传输这些AV对象数据。 (4)允许接收端的用户在AV场景中对AV对象进行交互操作。 (5)MPEG-4支持AV对象知识产权与保护。
同步串行接口（SSI）：
同步串行是指以不同速率的串行输出方式，其传输速率与数据速率相等。
应用：几条链路级联的多级传输链路。
SSI协议结构：三层结构， 第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器。 第1层为数据编码层：规定与传输媒介无关的编码处理，保证全透明地进行 串行或解串行处理。 第2层为传送协议层：符合MPEG-2标准。
串行数据接口SDI SDI信号指符合ITU-R BT601建议的数字视频信号。 我国已将该建议等同为国家标准GB/T17953-2000， 其中规定了比特并行和比特串行两种接口信号格式。 对SDI信号而言，它是一种10bits字长的复用数据流， 以27MS/s的符号率传送，即它的传输速率为 270Mb/s。 SDI的取样采用4 ：2：2格式，传送顺序为Cb、Y、 Cr、Y、Cb、Y。
MPEG-1为解码器制定了两个时钟：系统时钟基准（SCR）
显示时间标记（PTS） MPEG-2为解码器制定了三个时钟：系统时钟基准（SCR） 显示时间标记（PTS）
节目时钟基准（PCR）
系统时钟基准（SCR）： 90KHz，即一天24小时中产生7.8x10E9个时钟。 为保持SCR对视音频的一致性， MPEG视频及音频编码器至少每0.7s（最小 值）将SCR插入到MPEG的码流中。 在接收端的系统解码器中SCR被提取出来，再分别送到视频、音频解码器中。 视频及音频解码器使用由系统解码器送来的SCR值刷新它们的内部时钟。从而与 发送端的编码器同步。
4）音频编码。MPEG-4的优越之处在于，它不仅支持自 然声音，而且支持合成声音。MPEG-4的音频部分将音频 的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象 特征。 5）视频编码。与音频编码类似，MPEG-4也支持对自然和 合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动 画和人面部表情动画等。 6）场景描述。MPEG-4提供了一系列工具，用于组成场景 中的一组对象。一些必要的合成信息就组成了场景描述， 这 些 场 景 描 述 以 二 进 制 格 式 BIFS （ Binary Format for Scene description）表示，BIFS与AV对象一同传输、编码。 场景描述主要用于描述各AV对象在一具体AV场景坐标下， 如何组织与同步等问题。同时还有AV对象与AV场景的知 识产权保护等问题。MPEG4为我们提供了丰富的AV场景。
3.应用前景：
MPEG4的应用前景将是非常广阔的。它的出现将对以下各方 面产生较大的推动作用： 数字电视； 动态图象； 万维网（WWW）； 实时多媒体监控； 低比特率下的移动多媒体通信； 用于内容存储和检索多媒系统； Internet/Intranet上的视频流与可视游戏； 基于面部表情模拟的虚拟会议； DVD上的交互多媒体应用； 基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用； 演播电视等。
PES包1

PES包i
PES包n
系统头 起始码
头长
速率界限
音频界限 固定的 CSPS
标
志 视频频带 音频锁定 视频锁定 N环

码流 标志 11 P-STD缓 冲限标尺 P-STD缓 冲范围界限

节目码流PS的组成
MPEG-2的同步
MPEG算法提供一定的定时方法，保证视音频的同步。
视频ES 视频编码器 1 打包器
视频PES 节目时钟参考信息 音频PES TS 复 接 器
系统时钟 音频ES 1
音频编码器 1 视频编码器 n 系统时钟 n 音频编码器n
打包器
打包器
打包器
产生TS的结构方框图
包头
包1
包头
包2
包头
包n
MPEG 节目和编码
包头起始
01
SCR
节目复接速率
系统头
188字节 包头 净荷 包头 净荷 包头 净荷
同步 8
传送有误 1
起始指示 1
传送优先级 1
PID 13
加扰控制 2
自适应区 2
连续计数 4
自适应区 n1
净荷
自适应区
不连续性指示
随机接入指示
ES流优先级
5个标志
自选区
填充比特
PCR
OPCR
拼接倒计数
传送私有
自适应区扩展
48
48
8
8+n3
8+n4
传输流TS的组成
同步并行接口（SPI）
应用：用于数据速率可变的并行传输系统，主要用于设备较多的环境。
同步：数据传输通过MPEG-2传输流中的字节时钟来同步。 传输链路：传输输送链路采用LVDS（低压差分驱动）、25针D型超小 型连接器。 信号格式：SPI信号是将时钟、数据和同步信号并行传输，即8个数据 位、1个MPEG-2包同步（PSYNC）信号、1个数据有效（DVALID） 信号，一共10bits一起并行传输。所有信号均与时钟信号同步，且以非 归零码（NRZ）形式编码。 时钟信号频率 fp = fu/8（包长为188字节）； fp =（204/188） fu / 8 fp （包长为204节）。 fu对应于MPEG-2传送层的有用比特率Ru ，时钟信号频率 fp<=13.5MHz。
PES的结构及其产生框图
视频基本码流(ES)经打包器输出的是打包的基本码 流(PES)，它是编码器与解码器的直接连接形式。通 常PES包的长度固定，视频一般一个帧一个PES包，音 频不超过64k比特。PES包，其结构示于附图 由图可见，它侧重于编、解码的控制，包括版权说 明（是原始的节目还是复制节目），加入解码时间和 显示时间的时间标志，表达时间印记和显示时间印记 PTS和DTS，说明数字存储媒体(DSM)的特殊模式等。
显示时间标记（PTS）：
是与视频及音频显示单元有关的编码器系统时钟的样本，显示单元是一个解 码的视频或音频时间序列。 PTS代表了视频图像被显示的时间或音频时间序列的起始回放时间。 编码器至少每0.7s（最小值）将SCR插入一个PTS到MPEG码流中。 PTS用于通知解码器何时显示一个已解码的图像帧，由于一个PES包对应一帧 图像，因此每个PES包中均应设定与该图像帧对应的PTS值。