视频信号数字化

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无损编码模式指的是数据经编码处理后，数据信息没 有任何损失，经解码处理可以完全恢复原来的数据。 典型的例子是计算机软件的压缩处理，如ZIP、RAR 等。
CD系统中为了达到误码纠正的目的，采用了CIRC交 叉交织纠错编码。信号记录前对每帧24个音频数据 进行C2编码和C1编码，附加4个C2纠错字节(Q纠错 码)和4个C1纠错字节(P纠错码)，重放时经纠错解码 可以将大多数误码纠正过来。
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纠错原理示意图
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A3 纠错技术基础
一、1、误码产生的原因：
当发送端发“1”，接收端收到“0”；或当发射端发“0”，接收 端却收到“1”。这种收发码不一致的情况叫误码。
误码率：也用来衡量数字系统正确传送信号的可靠程度，指码 元或符号（可以是二进制，也可以是M进制）被传错的概率
误码产生的原因很多，包括噪声和脉冲抖动的影响，工业干扰 和雷电干扰等等。影响误码率大小的因素很多，如信号调制方 式，判别门限值的高低。误码率越小，要求视频信噪比越高。 比如，为了使某数字系统的误码率达到10-9，要求信噪比为 21.6dB左右。
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二、冗余数据的分类
为实现对数据的压缩，必须了解数据中有哪些类型的冗 余。声音和图像信号数据中，比较常见的冗余有：
1．空间冗余 空间冗余是指一幅图像中存在的冗余数据。图像中总 是存在大量有规则的背景或景物，或者说图像的像素 并不是独立的，而是有较强的相关性。例如一幅画面 的背景是一片蔚蓝的天空，其蔚蓝天空的像素组成具 有较强的相关性，我们没有必要将这蔚蓝天空的像素 逐点编码。这种相关性的图像部分，在数字化数据中 就表现为空间冗余。空间冗余是视频图像中常见的一 种冗余。
人们的感知机理由生理－心理特性所决定。充分利用 视觉上的暂留特性、听觉上的掩蔽特性等来去除知觉 冗余，提高编码效率。
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三、数据压缩编码方式
数据压缩处理通常包括编码和解码两个过程。根据解码 后数据与原始数据是否完全一致，可以把数据压缩方 法分成两类：可逆压缩与不可逆压缩。前者在编码时 仅去除冗余数据，解码后能完全恢复原来的数据，其 过程是可逆的；后者在编码时不仅去除了冗余数据， 而且舍去了部分不重要的信息，解码后不能精确恢复 原数据，有一定的失真，其过程是不可逆的。 信号源中常含有各种冗余，对不同性质的冗余常采取 不同的编码方法。
3．前字保持法
这种方法就是保持误码前面的那个数据来代替误码。 这是一种存储操作，因为是重复以前的值。采用前字 保持法的失真很小。
4．前字保持和插补结合法
这种方法可以对两个误码进行补偿，即误码的前一个 数据被保持，用来代替第一个误码，这个数据和第二 个误码后面的一个正确数据的平均值，用来代替第二 个误码。
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2．时间冗余
时间冗余是指电视图像序列中，相邻帧之间存在的冗 余数据。在电视图像序列前后相邻的两幅图像中，其 图像间呈现较强的相关性。即相邻两幅图像的差别很 小，我们可以只对其差别部分进行编码。这种图像间 的相关性，反映为时间冗余。在语音和音乐等音频信 号中，相对于取样数据来说．都是一个连续的过程， 也存在着时间上的相关性，所以也有时间冗余。
U = 0.493 (B – Y)
V = 0.877 (R – Y)
YUV空间相当于对RGB（彩色矩阵）空间做了一个解
相关的线性变化。U和V的比值决定色调，而
(U2+V2)1/2代表颜色的饱和度。
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数字化信号巨大的数据量带来了存储和传输的困难。为 能在较窄频带的设备中传输视频信号，对信号的数据 量进行深入研究，发现在这些大量的数据中，有一些 是带有信息的，有一些则几乎不带什么信息。我们把 这些数据的总量称为数据量．把携带信息那部分的数 据称为信息量，而把不携带信息的那部分数据称为冗 余量。只要把信息量保存和利用起来，就可以恢复原 来的图像信号。因此，在对信号源编码时，总是要力 求压缩冗余量，以提高信号传输与存储的效率。
3．信息熵冗余
信号源所含有的平均信息量称为信息熵。在通常的编 码中，数据量常大于此平均信息量，这种由于编码带 来的冗余称为信息熵冗余(或编码冗余)。
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4．知觉冗余
知觉冗余是指那些处于人们听觉和视觉分辨力以下的 声音和图像信号。若在编码时舍去这些在知觉门限以 下的信号，虽然会使复原信号产生一定的失真，但并 不被人们的知觉所觉察。这种超出人们觉知能力部分 的编码就称之为知觉冗余。
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2．数字信号及其优越性
数字信号只有高电平和低电平两个不同的状态，相应 地．数字电路中只有导通和截止两种状态，因而电路 的工作稳定可靠。
更主要的是数字信号可以用计算机技术来处理，使传统 的电路概念发生了深刻的革命。
数字信号仅有0与l两个不同的状态．传输过程中只要 能区分这两种状态，信号就不会失真。就是说，在传 输时即使遇到干扰或失真，只要仍能区分高电平和低 电平，就可以将信号复原。
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为了便于对数据进行处理，必须将连续信号分组。CD 标准规定，音频信号的L和R声道的各6个取样数据合 编为一组．称为数据帧(又称CD帧)。一个取样数据是 16位．在传输时把它分为高位和低位各8位．即两个 字节，因此一个CD帧有622＝24字节的音频数据。 由于取样频率是44.1kHz，所以数据帧的重复频率为 44.1kHz／6＝7.35kHz。
奇偶检验包括奇检验和偶检验。奇检验就是当数据码 中1的个数为奇数时其校验位为0，否则为1。偶检验 就是当数据码中1的个数为偶数时，其校验位为0，否 则为1。
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奇偶检验法只能判定1位误码，对于两个以上的误码是 无法判定的；而且只能判定有无误码，无法确定误码 的位置。
采用纵横奇偶检验法。每个字最后附上奇偶检验位Pl、 P2、P3、…Pm，这就是横向奇偶检验字。将每一列 作为一个新的字，其后也附上奇偶检验位Q1、Q2、 Q3…、Qm，这就是纵向奇偶检验字。当某一位出现 误码时，必然反映在横向奇偶位和纵向奇偶位上。出 错的横向奇偶检验位和出错的纵向奇偶检验位的交叉 点处，便是误码所在的位置。误码的位置确定后，纠 正是很容易的，只要将该码取反即可。另外规定，如 果误码所在地是在奇偶检验位上，则认为原字码无错 误。
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YUV
每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分 量信号，而且亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互 独立的，每一种变换使用的参数都是为了适应某种类 型的显示设备。
YUV模型用于PAL制式的电视系统，Y表示亮度，UV并 非任何单词的缩写。
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
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模拟系统中的噪声与失真等影响是积累的，模拟信号经 过多次处理后，信号质量会明显变劣。为了克服模拟 信号在传输过程中由于受到系统质量指标的影响而造 成的信号变形和失真，并对信号进行更有效的处理与 保存，必须对模拟信号进行数字化处理，即通常说的 模／数转换(A/D转换)。
另外，为了能淮确重放信号和实现重放控制，还在数
据帧里插入纠错码、控制码、同步码以及其他工作数 据。
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二、纠错码
数字信号能辨认出原来的数字0或1，就能恢复原来 的数字信号，但是，如果信号丢失或出错，仍然会 造成失真。丢失和出错的信号称为误码。数字信号 在记录和读取过程中不可避免地产生误码，其影响 比模拟信号更严重。
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模拟变数字：取样、量化、保持、编码 激光唱片系统的取样频率是44.1千赫率.每一个取样点
由十六位二进制来表示
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A2 数字信号的编码
一、音频数据码
模拟信号经A/D转换，形成只有1和0组成的二进制码。 这些由l和0组成的数码不能直接用于传输或记录．因 为音频信号在低频时可以低到20Hz，甚至更低。若变 换成数字信号，就会出现连续很长的1；当输入零信 号时，出现连续很长的0。这样，一段时间内信号的 大小就没有变化，这种情况数字处理电路很难识别信 号。为了避免发生这种现象，不直接记录A/D转换后 的音频数字信号，而是将音频数字信号通过调制变换 成一种容易记录和读取的波形。经过调制的音频信号 称为音频数据码。
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交织法示意图 ：
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分组延迟型交织法 ：
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交叉交织法就是给交织之前和交织之后的不同字 组都分别加上纠错码。
交叉交织编码器框图 ：
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A4、误码补偿
里德索罗门交叉交织码具有很强的纠错能力，但是仍会 有超出其纠错能力的误码。对于这些无法纠正的误码， 必须采取一些补救措施，以达到和原信号近似的状态， 避免形成有害噪声。
根据误码的前后关系，计算出误码原近似值的方法叫做 误码补偿。误码补偿是使误码尽量接近原码的一种近 似方法，和纠错是不同的概念。下面介绍几种常用的 误码补偿方法。
1．无声法 这种方法是使误码处变成无声，误码处置零。粗糙的 补偿方法，一般不用。
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2．线性插补法
这种方法用误码前后两个(或多个)正确数据的平均值来 代替误码。这是较精确的误码补偿方法。
纵横奇偶检验法可以纠正单个随机误码，对连续误码 是无能为力的。
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纵横奇偶检验法：
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三、交叉交织法
在一般数字系统中，解决连续误码的方法常用交叉交织 法。交叉交织法的功能是将连续误码分散开，变成容 易纠错的随机误码。
交织法就是记录时改变数字信号的顺序，重放时再按原 来的顺序重排，前者称为交织，后者称为去交织。具 体做法就是把数字信号按时间顺序分组，再使各组延 迟一定的时间，然后调换顺序(即交织)重新组合，将 这种交织处理后的数字信号记录在光盘上。这样一来， 重放时如果在交织过的信号中出现了连续误码，但经 去交织处理后，数字信号的排列顺序被还原．同时误 码被分散开来，连续误码变成了随机误码，这样就容 易纠错了。
2．误码的类型
(1)随机误码 只有一位出错的误码叫随机误码，有时也把大于1 位但比较短的误码叫作随机误码。
(2)连续误码 连续误码又称群误码。长度长，纠错比较困难
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二、奇偶检验
将误码校正为正确的码字称为纠错，其基本方法是采用 奇偶检验码来检测误码所在。码的奇偶性就是指码中 1的个数是奇数还是偶数。奇偶检验就是在每个字节 的末尾时加一位校验位。使数据码中1的个数为奇数 或偶数。经过存储或传输后，再求一次奇偶位，与原 来的奇偶位相比较，若不一致、则表示有错。
数字信号及视频信Baidu Nhomakorabea数字化
A1数字信号及其优越性 A2数字信号的编码 A3纠错技术基础 A4误码补偿 A5数据压缩技术 A6视频信号数字化
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A1 数字信号及其优越性
1．模拟信号
模拟信号的特点是信号幅度随时间连续变化。对模 拟信号的处理通常包括放大、调制、变频、解调、 换能等。模拟信号在处理过程中，常会由于电路系 统指标不良而产生失真。如传输线路频带不足导致 波形失真，处理电路动态范围不够造成限幅失真， 放大器的线性不良产生非线性失真，传输系统内部 产生的噪声使信噪比降低等。
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A5 数据压缩技术
一、视频信号的数据量 模拟信号转换为数字信号后，会带来巨大的数据 量．要求数字处理设备有很高的传输速率。若数字化 信号的取样频率为fs，量化位数为N，则其数字信号 的传输速率(或称码率)R＝fsN。此即为信号在系统中 每秒传送的码位数(简写为bps)。 彩色数字电视规定Y：U：V的分量编码方式，其取样 频率分别为13.5／6.75／6.75MHz，每一取样值以8bit 量化．则一路彩色电视图像信号的码率为： R＝(13.5十6.75+6.75)MHz 8bit＝216Mbps