電視機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　視頻壓縮的目標(biāo)是在盡可能保證視覺(jué)效果的前提下減少視頻數(shù)據(jù)率。因此編碼是要消除數(shù)據(jù)中冗余部分。視頻壓縮比一般指壓縮后的數(shù)據(jù)量與壓縮前的數(shù)據(jù)量之比。由于視頻是連續(xù)的靜態(tài)圖像，因此其壓縮編碼算法與靜態(tài)圖像的壓縮編碼算法有某些共同之處，但是運(yùn)動(dòng)的視頻還有其自身的特性，因此在壓縮時(shí)還應(yīng)考慮其運(yùn)動(dòng)特性才能達(dá)到高壓縮的目標(biāo)。</p&g

2、t;<p>　　數(shù)字視頻壓縮編碼是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，主要解決電視信號(hào)數(shù)字化后所帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)量如何能夠有效地存儲(chǔ)和傳輸?shù)膯?wèn)題。近20年來(lái)，視頻/音頻壓縮編碼技術(shù)一直處于快速發(fā)展之中，新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代視頻/音頻壓縮編碼技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以在保持較好圖像質(zhì)量前提下，達(dá)到較高的壓縮比。</p><p>　　數(shù)字視頻壓縮機(jī)理主要來(lái)源于數(shù)字視頻數(shù)據(jù)中存在大量的數(shù)據(jù)冗余而且人眼的視

3、覺(jué)系統(tǒng)特性也會(huì)帶來(lái)較大的冗余，所以本設(shè)計(jì)將以冗余信息為依據(jù)，對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字視頻，編碼，解碼</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 數(shù)字電視的發(fā)展1</p>

4、;<p>　　1.2 數(shù)字電視的特點(diǎn)及組成2</p><p>　　2 數(shù)字視頻壓縮編碼3</p><p>　　2.1 視頻壓縮編碼的基本概念3</p><p>　　2.2視頻壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)4</p><p>　　2.3視頻壓縮編碼的方法5</p><p>　　2.3.1 預(yù)測(cè)編碼5</p

5、><p>　　2.2.2 正交變換編碼6</p><p>　　2.2.3 變字長(zhǎng)編碼7</p><p>　　3 信號(hào)源編碼器與解碼器9</p><p>　　3.1 編碼器設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1.1 MPEG-2編碼簡(jiǎn)述9</p><p>　　3.1.2 I、B、P幀編碼10&

6、lt;/p><p>　　3.1.3 MPEG-2編碼器工作原理11</p><p>　　3.2 解碼器設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.1 視頻基本碼流結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.2.2 MPEG-2解碼14</p><p><b>　　總 結(jié)16</b></p>

7、<p><b>　　致 謝17</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 數(shù)字電視的發(fā)展</p><p>　　數(shù)字電視系統(tǒng)(Digatle Television)就是電視信

8、號(hào)的拍攝、編輯、發(fā)射、傳輸、接收、處理顯示等全過(guò)程都使用數(shù)字技術(shù)的電視系統(tǒng)，數(shù)字電是未來(lái)家庭的數(shù)字多媒體處理和顯示終端。數(shù)字電視是一個(gè)大家庭，按照清晰度分為：高清晰度數(shù)字電視HDTV(HighDefinitionrrv)增強(qiáng)清晰度數(shù)字電視EDTV、標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視SDTV和普通清晰度數(shù)字電視PDTV。HDT是目前數(shù)字電視的最高級(jí)別，不同清晰度級(jí)別的數(shù)字電視之間具有向下兼容性，高端產(chǎn)品可以兼容低端產(chǎn)品。</p><p

9、>　　數(shù)字電視的圖像格式主要有兩種：高清晰度電視和標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視，其名稱(chēng)均包含著相應(yīng)的技術(shù)要求。它是是現(xiàn)代文明的一個(gè)重要標(biāo)志。在與人們工作生活密切相關(guān)的電腦、手機(jī)和電視三大信息平臺(tái)中，電腦和手機(jī)已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，為人們帶來(lái)了多姿多彩的資訊和娛樂(lè)服務(wù)，也為相關(guān)企業(yè)帶來(lái)了巨額利潤(rùn)。數(shù)字電視將帶來(lái)數(shù)字生活方式的又一場(chǎng)驚天動(dòng)地的革命。其中高清晰度電視的含義主要包括：</p><p>　?。?）圖像取樣格式不低

10、于1920×1080i(隔行)或1280×720P(逐行)，圖像水平清晰度大于700線(xiàn)，重放效果相當(dāng)于16nun電影膠片圖像質(zhì)量水平。</p><p>　?。?）圖像幅型比為16：9，彩色顯像管蔭罩節(jié)距應(yīng)小于0．6ram(以81cm彩色顯像管為例)。</p><p>　　（3）圖像、伴音信號(hào)傳輸方式為數(shù)字方式，并采用國(guó)際通用的數(shù)字電視信號(hào)壓縮、編碼、調(diào)制、解調(diào)方式。&l

11、t;/p><p>　?。?）聲音信號(hào)為獨(dú)立多聲道環(huán)繞立體聲。</p><p>　?。?）具有符合高清晰度顯示的掃描格式或行掃描頻率達(dá)28KHz以上。</p><p>　?。?）具備足夠的視頻信號(hào)帶寬，要求達(dá)到30MHz以上。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視的含義主要包括：</p><p>　?。?）圖像取樣格式為720

12、×576i，圖像水平清晰度大于500線(xiàn)，重放效果相當(dāng)于DVD激光視盤(pán)機(jī)的質(zhì)量水平。</p><p>　?。?）圖像幅型比為4：3(即傳統(tǒng)CRT型彩色電視幅型比)。</p><p>　　（3）圖像、伴音信號(hào)編碼傳輸方式為數(shù)字方式，并采用國(guó)際通用的數(shù)字電視信號(hào)壓縮、編碼、調(diào)制、解調(diào)方式。</p><p>　?。?）聲音信號(hào)為獨(dú)立多聲道環(huán)繞立體聲，目前暫以雙聲道

13、為主。目前，我國(guó)各個(gè)省、市、自治區(qū)試播數(shù)字電視節(jié)目只在個(gè)別有線(xiàn)電視網(wǎng)內(nèi)試播。試播的電視節(jié)目，大多為標(biāo)清晰度電視節(jié)目，其清晰度、圖像質(zhì)量、伴音質(zhì)量與DVD激光視盤(pán)機(jī)相同。因此，只在有試播任務(wù)的有線(xiàn)電視網(wǎng)內(nèi)才能收看數(shù)字電視節(jié)目。</p><p>　　1.2 數(shù)字電視的特點(diǎn)及組成</p><p>　　數(shù)字電視系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)字前端系統(tǒng)、雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)終端系統(tǒng)。</p>&l

14、t;p>　　其數(shù)字前端系統(tǒng)通常劃分為信源處理、信息處理和傳輸處理三部分，完成節(jié)目的數(shù)字化、加擾、授權(quán)和認(rèn)證等功能；雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)衛(wèi)星、Cable、地面發(fā)射、MMDS等方式將節(jié)目傳送到用戶(hù)家中，回傳可采用HFC回傳通道、PSTN和其它網(wǎng)絡(luò)；用戶(hù)終端系統(tǒng)采用機(jī)頂盒（STB）收看數(shù)字電視節(jié)目或?qū)崿F(xiàn)交互式功能，如收看付費(fèi)電視、實(shí)現(xiàn)Internet瀏覽、遠(yuǎn)程教育等。</p><p>　　因?yàn)閭鹘y(tǒng)模擬電視傳送的圖

15、像信號(hào)和聲音信號(hào)是連續(xù)變化的電壓和電流，圖像的亮暗變化、聲音的大小都是以連續(xù)變化的電壓、電流大小來(lái)表征，而數(shù)字電視傳送的是不連續(xù)的“0”“1”脈沖信號(hào)，傳輸時(shí)首先要把連續(xù)變化的模擬信號(hào)經(jīng)取樣、量化、壓縮編碼后，變?yōu)椴贿B續(xù)的二進(jìn)制脈沖信號(hào)，其中包含著圖像亮暗和聲音大小的信息。所以數(shù)字電視具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　①數(shù)字電視信號(hào)的噪波、失真與信號(hào)連續(xù)處理的次數(shù)無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生噪波、失真的累積。同時(shí)，數(shù)字

16、電視信號(hào)很容易實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，抗干擾能力強(qiáng)，圖像、伴音信號(hào)傳輸質(zhì)量很高。標(biāo)準(zhǔn)清晰度的數(shù)字電視(SDTV)，圖像的清晰程度即達(dá)到DVD水平，伴音也達(dá)到環(huán)繞立體聲效果。</p><p>　?、跀?shù)字電視信號(hào)很容易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、控制與處理，存儲(chǔ)時(shí)間與信號(hào)特性無(wú)關(guān)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)字特技效果。例如凍結(jié)、放大、縮小、快放、慢放等特技處理。</p><p>　　③數(shù)字電視信號(hào)可以合理利用頻譜資源。在一個(gè)8MHz的

17、模擬電視頻道內(nèi)，可以傳送一套頻譜達(dá)27MHz的高清晰度電視節(jié)目或傳送46套頻譜為6MHz的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目。也就是說(shuō)，在現(xiàn)行750MHz的有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)中，傳送模擬電視最多只能容納70—80套節(jié)目，而用于傳送數(shù)字電視，節(jié)目容量可以超過(guò)500套，大大提高了用戶(hù)對(duì)電視節(jié)目多樣化、高質(zhì)量的需求。</p><p>　?、軘?shù)字電視信號(hào)很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加密、解密，便于實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目的條件接收。例如：付費(fèi)電視、專(zhuān)用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送等

18、。</p><p>　?、輸?shù)字電視系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可分級(jí)性和可操作性，便于實(shí)現(xiàn)各種交互式多媒體應(yīng)用，能夠?yàn)橛脩?hù)提供多元化資訊和數(shù)字增值服務(wù)。例如：視頻點(diǎn)播(VOD)、股市行情實(shí)時(shí)查詢(xún)及交易、互聯(lián)網(wǎng)接人、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電子郵件、網(wǎng)上購(gòu)物等。</p><p>　?、迶?shù)字電視系統(tǒng)可以傳輸多聲道環(huán)繞立體聲伴音信號(hào)，提高了聲音信號(hào)的立體感、空間環(huán)繞感，使收聽(tīng)者有身臨其境的視聽(tīng)效果。數(shù)字電視系統(tǒng)的音頻信

19、號(hào)信噪比高、失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、頻響寬，是高質(zhì)量的電視伴音。</p><p>　　2 數(shù)字視頻壓縮編碼</p><p>　　2.1 視頻壓縮編碼的基本概念</p><p>　　視頻壓縮的目標(biāo)是在盡可能保證視覺(jué)效果的前提下減少視頻數(shù)據(jù)率。由于視頻是連續(xù)的靜態(tài)圖像，因此其壓縮編碼算法與靜態(tài)圖像的壓縮編碼算法有某些共同之處，但是運(yùn)動(dòng)的視頻還有其自身的特性，因此在壓縮時(shí)還應(yīng)

20、考慮其運(yùn)動(dòng)特性才能達(dá)到高壓縮的目標(biāo)。在視頻壓縮中常需用到以下的一些基本概念：</p><p>　　（1）有損和無(wú)損壓縮:</p><p>　　在視頻壓縮中有損（Lossy ）和無(wú)損（Lossless）的概念與靜態(tài)圖像中基本類(lèi)似。無(wú)損壓縮也即壓縮前和解壓縮后的數(shù)據(jù)完全一致。多數(shù)的無(wú)損壓縮都采用RLE行程編碼算法。有損壓縮意味著解壓縮后的數(shù)據(jù)與壓縮前的數(shù)據(jù)不一致。在壓縮的過(guò)程中要丟失一些人眼和

21、人耳所不敏感的圖像或音頻信息,而且丟失的信息不可恢復(fù)。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮,這樣才能達(dá)到低數(shù)據(jù)率的目標(biāo)。丟失的數(shù)據(jù)率與壓縮比有關(guān),壓縮比越小，丟失的數(shù)據(jù)越多,解壓縮后的效果一般越差。此外,某些有損壓縮算法采用多次重復(fù)壓縮的方式,這樣還會(huì)引起額外的數(shù)據(jù)丟失。</p><p>　?。?）幀內(nèi)和幀間壓縮:</p><p>　　幀內(nèi)（Intraframe）壓縮也稱(chēng)為空間壓縮（Spat

22、ial compression）。當(dāng)壓縮一幀圖像時(shí)，僅考慮本幀的數(shù)據(jù)而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實(shí)際上與靜態(tài)圖像壓縮類(lèi)似。幀內(nèi)一般采用有損壓縮算法，由于幀內(nèi)壓縮時(shí)各個(gè)幀之間沒(méi)有相互關(guān)系，所以壓縮后的視頻數(shù)據(jù)仍可以以幀為單位進(jìn)行編輯。幀內(nèi)壓縮一般達(dá)不到很高的壓縮。采用幀間（Interframe）壓縮是基于許多視頻或動(dòng)畫(huà)的連續(xù)前后兩幀具有很大的相關(guān)性，或者說(shuō)前后兩幀信息變化很小的特點(diǎn)。也即連續(xù)的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息,根據(jù)這一特性

23、，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進(jìn)一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱(chēng)為時(shí)間壓縮（Temporal compression），它通過(guò)比較時(shí)間軸上不同幀之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。幀間壓縮一般是無(wú)損的。幀差值（Frame differencing）算法是一種典型的時(shí)間壓縮法，它通過(guò)比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減少數(shù)據(jù)量。</p><p>　　（3）對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)編碼:</p&g

24、t;<p>　　對(duì)稱(chēng)性（symmetric）是壓縮編碼的一個(gè)關(guān)鍵特征。對(duì)稱(chēng)意味著壓縮和解壓縮占用相同的計(jì)算處理能力和時(shí)間，對(duì)稱(chēng)算法適合于實(shí)時(shí)壓縮和傳送視頻，如視頻會(huì)議應(yīng)用就以采用對(duì)稱(chēng)的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其它多媒體應(yīng)用中，一般是把視頻預(yù)先壓縮處理好，爾后再播放,因此可以采用不對(duì)稱(chēng)（asymmetric）編碼。不對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)意味著壓縮時(shí)需要花費(fèi)大量的處理能力和時(shí)間，而解壓縮時(shí)則能較好地實(shí)時(shí)回放，也即以不同的速度進(jìn)

25、行壓縮和解壓縮。一般地說(shuō),壓縮一段視頻的時(shí)間比回放（解壓縮）該視頻的時(shí)間要多得多。例如，壓縮一段三分鐘的視頻片斷可能需要10多分鐘的時(shí)間，而該片斷實(shí)時(shí)回放時(shí)間只有三分鐘。</p><p>　　2.2視頻壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)主要由ITU-T和ISO/IEC開(kāi)發(fā)。前者已經(jīng)發(fā)布了視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)H.261、 H.262、 H.263，并且準(zhǔn)備進(jìn)行遠(yuǎn)期編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263L的

26、開(kāi)發(fā)，以期望獲得更大的編碼效率。ISO/IEC的標(biāo)準(zhǔn)系列包括：</p><p>　?、費(fèi)PEG-1(1988～1992)，可以提供最高達(dá)1.5Mbps的數(shù)字視頻，只支持逐行掃描。</p><p>　?、贛PEG-2(1990～1994)，支持的帶寬范圍從2Mbps到超過(guò)20Mbps，MPEG-2后向兼容MPEG-1，但增加了對(duì)隔行掃描的支持，并有更大的伸縮性和靈活性。</p>

27、<p>　?、跰PEG-4(1994～1998)，支持逐行掃描和隔行掃描，是基于視頻對(duì)象的編碼標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)象識(shí)別提供了空間的可伸縮性。 </p><p>　?、躆PEG-7(1996～2000)，是多媒體內(nèi)容描述接口，與前述標(biāo)準(zhǔn)集中在音頻/視頻內(nèi)容的編碼和表示不同，它集中在對(duì)多媒體內(nèi)容的描述。 除了上述通用標(biāo)準(zhǔn)外，還存在很多專(zhuān)用格式，比較流行的有：C-Cube的M-JPEG、Intel的IVI(tm

28、)(Indeo Video Interactive)、Apple的QuickTime(tm)、Microsoft的 Media Player(tm)和RealNetworks的RealPlayer(tm)。</p><p>　　2.3視頻壓縮編碼的方法</p><p>　　2.3.1 預(yù)測(cè)編碼</p><p>　　預(yù)測(cè)編碼是通過(guò)消去統(tǒng)計(jì)相關(guān)冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的重要手

29、段之一，它建立在現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)和控制論的理論基礎(chǔ)上。由于電視圖像信號(hào)無(wú)論在空間域或時(shí)間域都存在很大的相關(guān)性，而且這些相關(guān)性使信源的條件熵大為降低。如何消去這些 冗余，使各像素之間得統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性是預(yù)測(cè)編碼的首要任務(wù)。通過(guò)預(yù)測(cè)編碼，配合后邊的量化器與熵編碼器，可以有效地消除冗余，達(dá)到壓縮數(shù)碼率的目的。 </p><p>　　預(yù)測(cè)編碼的基本方法是先利用某種數(shù)學(xué)模式對(duì)以前已知的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得出一個(gè)與當(dāng)前實(shí)際傳送值相接近的

30、預(yù)測(cè) 值，進(jìn)而把實(shí)際要傳送的數(shù)值減去預(yù)測(cè)值，得到一個(gè)誤差值，將這個(gè)誤差值編碼后傳送出去，故預(yù)測(cè)編碼也稱(chēng)差值編碼或Δ編碼。預(yù)測(cè)編碼的關(guān)鍵是如何選用一種數(shù)學(xué)模式，使運(yùn)算出的預(yù)測(cè)值盡可能與當(dāng)前實(shí)際值相接近。但無(wú)論怎樣，要做到預(yù)測(cè)值與當(dāng)前值總是相等是不可能的。盡管如此，預(yù)測(cè)值越接近將要發(fā)出的實(shí)際值，其差值越小，而且小差值出現(xiàn)的概率也越高，通過(guò)熵編碼后整個(gè)傳送系統(tǒng)的效率也越高，即壓縮效果越好。 如下圖1所示為預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)框圖。</p>

31、<p>　　假設(shè)輸入樣值為Xn(即代表tn時(shí)刻的樣值),預(yù)測(cè)值為^nx（即代表tn時(shí)刻之前根據(jù)相關(guān)樣值x1、x2……xn-16所預(yù)測(cè)的樣值），令en為xn與^nx的差值信號(hào)，即</p><p><b>　　en=xn—^nx</b></p><p>　　又令enˊ為en量化之后的輸出信號(hào)。若量化誤差為Δx,則有</p><p>&

32、lt;b>　　enˊ=xn+Δx</b></p><p>　　收信端輸出的信號(hào)樣值為xnˊ，得到</p><p>　　xnˊ=enˊ+^nx=en+Δx+^nx==^nx+Δx+^nx=xn+Δx</p><p>　　式中，Δx為量化器產(chǎn)生的量化誤差，若不考慮量化器的影響，則有xnˊ=xn即表示收信端信號(hào)與發(fā)信端信號(hào)完全相同，為信息保持型編碼解碼器

33、。應(yīng)當(dāng)指出，發(fā)信端收信端所用的預(yù)測(cè)器組成形式是完全相同的，而且所有參與預(yù)測(cè)的相關(guān)樣值都是以前發(fā)出的并被保留在發(fā)、收兩端預(yù)測(cè)寄存器中的樣值，它們也是完全相同的，因而產(chǎn)生的預(yù)測(cè)值x也完全相同。所謂當(dāng)前值，對(duì)發(fā)信端而言是指已經(jīng)輸入和即將發(fā)出的樣值；對(duì)收信端而言則是指將要收到的未來(lái)值。在滿(mǎn)足信息保持的條件下，兩者應(yīng)完全相同。</p><p>　　2.2.2 正交變換編碼</p><p>　　變換編

34、碼是指先對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種函數(shù)變換，從一種信號(hào)（空間）變換到另一種（空間），然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼。如將時(shí)域信號(hào)變換到頻域，因?yàn)槁曇?、圖像大部分信號(hào)都是低頻信號(hào)，在頻域中信號(hào)的能量較集中，再進(jìn)行采樣、編碼，那么可以肯定能夠壓縮數(shù)據(jù)。變換編碼系統(tǒng)中壓縮數(shù)據(jù)有變換、變換域采樣和量化三個(gè)步驟。變換本身并不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，它只把信號(hào)映射到另一個(gè)域，使信號(hào)在變換域里容易進(jìn)行壓縮，變換后的樣值更獨(dú)立和有序。這樣，量化操作通過(guò)比特分配可以有效地壓縮數(shù)據(jù)。在變

35、換編碼系統(tǒng)中，用于量化一組變換樣值的比特總數(shù)是固定的，它總是小于對(duì)所有變換樣值用固定長(zhǎng)度均勻量化進(jìn)行編碼所需的總數(shù)，所以量化使數(shù)據(jù)得到壓縮，是變換編碼中不可缺少的一步。在對(duì)量化后的變換樣值進(jìn)行比特分配時(shí)，要考慮使整個(gè)量化失真最小。變換編碼是一種間接編碼方法。它是將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)上的正交變換后，得到一系列的變換系數(shù)，再對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化、編碼、傳輸。</p><p>　　目前常用的正交變換有：傅立葉 (Fouri

36、es)變換、沃爾什(Walsh)變換、哈爾(Haar)變換、斜(Slant)變換、余弦變換、正弦變換、K-L(Karhunen-Loeve)變換等。如下圖2所示為變換編碼系統(tǒng)框圖。 　</p><p>　　圖2 變換編碼系統(tǒng)框圖</p><p>　　其中常用的是離散余弦變換（DCT）,二維離散余弦變換的正反變換核相同，即</p><p>　　(u=1,2,…M-1;

37、 v=1,2,…N-1)</p><p>　　對(duì)應(yīng)離散余弦變換為：</p><p>　　(u=1,2,…M-1; v=1,2,…N-1)</p><p><b>　　離散余弦逆變換為：</b></p><p>　　(x=1,2,…M-1; y=1,2,…N-1)</p><p>　　二維離散

38、余弦變換的變換核是可分離的，因而可通過(guò)兩次一維變換實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維變換。</p><p>　　2.2.3 變字長(zhǎng)編碼</p><p>　　變字長(zhǎng)編碼（VLC）是將輸入的待編碼的符號(hào)映射成一系列可變字長(zhǎng)的碼字，并且根據(jù)符號(hào)發(fā)送概率的不同而分配以不同的碼長(zhǎng)的碼字，對(duì)于出項(xiàng)概率大的符號(hào)給以短碼，對(duì)于概率小的符號(hào)給你長(zhǎng)碼，通過(guò)大量的編碼后，平均碼長(zhǎng)小于按其他方法編碼得到的平均碼長(zhǎng)，可以使總碼率降低，達(dá)

39、到去除數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)冗余，壓縮碼率的目的。VLC編碼的方法有很多，如哈夫曼編碼，游程編碼，算術(shù)編碼等。其中哈夫曼編碼是在數(shù)字電視壓縮編碼中常用的一種高效，簡(jiǎn)單的方法，下面以Huffman為例介紹。</p><p>　　哈夫曼編碼是常用的無(wú)損編碼方法，廣泛應(yīng)用于圖像壓縮技術(shù)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的基準(zhǔn)模式采用的就是哈夫曼編碼。哈夫曼編碼是不定長(zhǎng)編碼，即代表各元素的碼字長(zhǎng)度不等。該編碼是基于不同符號(hào)的概率分布，對(duì)出現(xiàn)次數(shù)較多的

40、符號(hào)（碼值）賦予較短的代碼（碼字），對(duì)出現(xiàn)次數(shù)較少的符號(hào)賦予較長(zhǎng)的代碼。在這里舉個(gè)例子說(shuō)明如何生成哈夫曼。假設(shè)對(duì)由1、2、3、4、5、6、7、8八個(gè)數(shù)字組成的原信息進(jìn)行哈夫曼編碼。首先應(yīng)對(duì)信息中各數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出各數(shù)字出現(xiàn)的相對(duì)概率。假設(shè)各數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)及概率如表1所示。</p><p>　　表1 數(shù)字該量表        

41、;                         </p><p>　　則根據(jù)表一生成的哈夫曼樹(shù)如圖3所示。</p><p>　　圖3 哈夫曼樹(shù)結(jié)構(gòu)圖

42、</p><p>　　具體過(guò)程是這樣的，先將所有數(shù)字排成一行構(gòu)成8個(gè)最底層節(jié)點(diǎn)。首先將這些節(jié)點(diǎn)中最小兩個(gè)概率值相加：0.05+0.1=0.15,   得到新的節(jié)點(diǎn)，這時(shí)擁有的概率值為0.2, 0.1, 0.1, 0.15, 0.15, 0.15, 0.15。再將兩個(gè)最小的概率值相加得到新的節(jié)點(diǎn)... ... 直到得到根節(jié)點(diǎn)概率為1.0為止。相加時(shí)，對(duì)于概率值相等的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以任意選

43、取。除根節(jié)點(diǎn)外，設(shè)節(jié)點(diǎn)左邊分支為0，右邊分支為1（也可以反過(guò)來(lái)），對(duì)于各值（碼值）的代碼（碼字）就是從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)到底層節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的分支序列。如4的代碼（碼字）為00，6的代碼為111... ...通常4和6等稱(chēng)為碼值，00和111等稱(chēng)為碼字。進(jìn)行壓縮編碼時(shí)，只要將碼值用碼字代替即可。如果概率統(tǒng)計(jì)十分不準(zhǔn)確，則壓縮效率會(huì)很低。甚至起不到壓縮效果。將所有碼值和碼字的關(guān)系整理成一張表，為了整字節(jié)輸出碼字，表中還含有各碼字的長(zhǎng)度。這種表就稱(chēng)為哈

44、夫曼表。本例哈夫曼表如表2所示。</p><p><b>　　表2 哈夫曼表</b></p><p>　　可見(jiàn)Huffman 編碼構(gòu)造出的碼不唯一；Huffman 編碼字長(zhǎng)參差不齊；Huffman編碼在信源編碼概率分布不均勻時(shí)效率高；效率比較均勻時(shí)，效率低，不用Huffman編碼；對(duì)出現(xiàn)頻率較高的碼分配短碼字；對(duì)出現(xiàn)頻率較低的碼分配長(zhǎng)碼字。</p>&l

45、t;p>　　3 信號(hào)源編碼器與解碼器</p><p><b>　　3.1 編碼器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1 MPEG-2編碼簡(jiǎn)述</p><p>　　MPEG是運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組(Moving Picture Experts Group)的簡(jiǎn)稱(chēng)，其實(shí)質(zhì)上的名稱(chēng)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)

46、（JTC）1的第29 分委員會(huì)的第11工作組，即ISO/IEC JTC1/SC29/WG11，成立于1988年。其任務(wù)是制定世界通用的視音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)?，廣播電視數(shù)字化所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)容量、傳輸帶寬、處理能力及頻譜資源利用率提出了不切合實(shí)際的要求，使數(shù)字化難以實(shí)現(xiàn)。為此，該專(zhuān)家組基于幀內(nèi)圖像相鄰像素間及相鄰行間的空間相關(guān)性和相鄰幀間運(yùn)動(dòng)圖像的時(shí)間相關(guān)性，采用壓縮編碼技術(shù)，將那些對(duì)人眼視覺(jué)圖像和人耳聽(tīng)覺(jué)聲音不太重要的東西及冗余成分

47、拋棄，從而縮減了存儲(chǔ)、傳輸和處理的數(shù)據(jù)量，提高了頻譜資源利用率，制定了一系列MPEG標(biāo)準(zhǔn),使數(shù)字化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。其中，MPEG-2是一組用于視音頻壓縮編碼及其數(shù)據(jù)流格式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它定義了編解碼技術(shù)及數(shù)據(jù)流的傳輸協(xié)議；制定了MPEG-2解碼器之間的共同標(biāo)準(zhǔn)（MPEG-2編碼器之間尚無(wú)共同標(biāo)準(zhǔn)）。</p><p>　　MPEG-2視訊原始的主要目標(biāo)是希望在位元率介于4到9Mbit/s間時(shí)，能對(duì)一般標(biāo)準(zhǔn)電視解析度的交

48、錯(cuò)式視訊（Interlaced Video）提供一種新的編碼壓縮方法以得到更好的畫(huà)質(zhì)。然而，MPEG-2的最終目標(biāo)并未僅只于此，它也可以支援如HDTV等更高畫(huà)面解析度的視訊應(yīng)用，以及各種畫(huà)面解析度下的交錯(cuò)式視訊。如同其它MPEG標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2的視訊標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了資料的語(yǔ)義及語(yǔ)法，并未規(guī)定資料編碼及解碼的實(shí)作方法，因此這之間還有不少編解碼技術(shù)空間可以發(fā)揮。一個(gè)簡(jiǎn)單的MPEG-2 Non-scalable視訊編解碼器（Codec），MP

49、EG-2視訊編碼器（Encoder）包含Inter Frame/Field離散馀弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）編碼器、Frame/Field動(dòng)態(tài)估計(jì)及補(bǔ)償器（Motion Estimator and Compensator）、以及可變長(zhǎng)度編碼器（Variable Length Encoder，VLE）。離散馀弦變換編碼器主要是利用空間上的冗馀（Spatial Redundancies），而動(dòng)態(tài)估計(jì)及

50、補(bǔ)償器則是利用時(shí)間上的</p><p>　　MPEG-2采用亮度色度的色彩表示格式，Y表示亮度值（Luminance），Cr及Cb表示色度值（Chrominance），并且從降低色度取樣來(lái)減少訊號(hào)量。MPEG-2中定義了4：2：0、4：2：2及4：4：4采樣格式。4：2：0表示四個(gè)Y取一個(gè)Cr一個(gè)Cb；4：2：2表示四個(gè)Y取兩個(gè)Cr兩個(gè)Cb；而4：4：4表示四個(gè)Y取四個(gè)Cr四個(gè)Cb，即不做任何的采度取樣減少。減少

51、色度采樣可以在盡量降低對(duì)視覺(jué)的影響下達(dá)到較大的資料縮減效果。 </p><p>　　3.1.2 I、B、P幀編碼</p><p>　　MPEG-2定義了三種畫(huà)面壓縮模式，I畫(huà)面、P畫(huà)面、B畫(huà)面?！　?lt;/p><p>　　I畫(huà)面（Intra Coded Pictures）：當(dāng)大區(qū)塊僅使用本身的畫(huà)面資料進(jìn)行空間的冗馀去除，并沒(méi)有參考其他畫(huà)面的資料，我們稱(chēng)為Intra模式

52、大區(qū)塊（Intra Mode Macro-block）。在I畫(huà)面中，所有的大區(qū)塊皆為Intra模式大區(qū)塊。I畫(huà)面可以做為視訊資料流中的索引點(diǎn)，也是提供隨機(jī)存取能力的主要來(lái)源。I畫(huà)面通常在視訊序列或畫(huà)面群組的第一張，解碼時(shí)I畫(huà)面可獨(dú)立解碼，并做為P及B畫(huà)面的參考影像的來(lái)源。由于不須參考其他畫(huà)面，因此無(wú)法得到消除時(shí)間上冗馀的好處，因此壓縮率較差。 　　</p><p>　　P畫(huà)面（Predictive Coded P

53、ictures）：在編碼及解碼時(shí)，會(huì)使用參考畫(huà)面（Reference Picture），這些參考畫(huà)面可為該畫(huà)面前面最近的I畫(huà)面或P畫(huà)面。編碼時(shí)，在P畫(huà)面中的大區(qū)塊，若能在參考畫(huà)面上找到相對(duì)應(yīng)的大區(qū)塊，則用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式做預(yù)測(cè)編碼（Predictive Coding）；若找不到，則以Intra模式做編碼。由于加入消除時(shí)間上冗馀的技術(shù)，因此其編碼效率較高。 　　</p><p>　　B畫(huà)面（Bi-directional

54、ly Predicted Pictures）：在解碼及編碼時(shí)，會(huì)使用到前面及后面兩個(gè)方向參考畫(huà)面的資料。如同 P 畫(huà)面一樣，編碼時(shí)，在B畫(huà)面中的大區(qū)塊，若能在參考畫(huà)面上找到相對(duì)應(yīng)的大區(qū)塊，則用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式做雙向預(yù)測(cè)編碼（Bi-directionally Predictive Coding）；若找不到，則以Intra模式做編碼。B畫(huà)面擁有最高的編碼效率，然畫(huà)質(zhì)最差，故本身不再做為其他預(yù)測(cè)編碼用。 如下圖4所示為I、B、P幀編碼預(yù)測(cè)示意圖。

55、</p><p>　　圖4 I、B、P幀編碼預(yù)測(cè)示意圖</p><p>　　3.1.3 MPEG-2編碼器工作原理</p><p>　　編碼是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容之一，其涉及到MPEG-2視頻流層結(jié)構(gòu)、MPEG-2幀間編碼結(jié)構(gòu)、MPEG-2的類(lèi)與級(jí)、MPEG-2運(yùn)動(dòng)估值等技術(shù)。如下圖5所示為MPEG-2壓縮編碼原理框圖。</p><p>

56、;　　圖5 MPEG-2 壓縮編碼原理框圖</p><p>　　為了提高壓縮比及圖像質(zhì)量，MPEG-2視頻編碼采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)（時(shí)間預(yù)測(cè)+內(nèi)插）消除時(shí)間冗余和不隨時(shí)間變化的圖像細(xì)節(jié)；采用二維DCT（圖像像素+量化傳輸系數(shù)）分解相鄰像素，消除觀眾不可見(jiàn)、不重要的圖像細(xì)節(jié)；采用熵值編碼（已量化參數(shù)+編碼參數(shù)的熵），使bit數(shù)減少到理論上的最小值。MPEG-2：有逐行掃描方式，可以采用基于幀的圖像預(yù)測(cè)；有隔行掃描方式，

57、也可以采用基于場(chǎng)的圖像預(yù)測(cè)。因此，MPEG-2編碼器要對(duì)每個(gè)圖像先判斷是幀模式壓縮還是場(chǎng)模式壓縮。在隔行掃描方式下：運(yùn)動(dòng)少的場(chǎng)景時(shí)，采用基于幀的圖像預(yù)測(cè)，因?yàn)榛趲膱D像兩相鄰行間幾乎沒(méi)有位移，幀內(nèi)相鄰行間相關(guān)性強(qiáng)于場(chǎng)內(nèi)相關(guān)性，從整個(gè)幀中去除的空間冗余度比從個(gè)別場(chǎng)中去除得多；劇烈運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景時(shí)，采用基于場(chǎng)的圖像預(yù)測(cè)，因?yàn)榛趲南噜弮尚虚g存在1場(chǎng)延遲時(shí)間，相鄰行像素間位移較大，幀內(nèi)相鄰行間相關(guān)性會(huì)有較大下降，基于場(chǎng)的圖像兩相鄰行間相關(guān)性強(qiáng)

58、于幀內(nèi)相鄰行間相關(guān)性，在1幀內(nèi)，場(chǎng)間運(yùn)動(dòng)有很多高頻分量，從場(chǎng)間去除的高頻分量比從整個(gè)幀中去除的多。由上述可見(jiàn)，選擇基于幀的圖像預(yù)測(cè)還是基于場(chǎng)的圖像預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是行間相關(guān)性。所以，在進(jìn)行DCT之前，要作幀DCT編</p><p><b>　　3.2 解碼器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1 視頻基本碼流結(jié)構(gòu)</p><p>　　在數(shù)字電視

59、系統(tǒng)中，模擬視音頻信號(hào)按照MPEG-2的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)抽樣、量化及壓縮編碼形成基本碼流ES，基本碼流ES是不分段的連續(xù)碼流。把基本碼流分割成段，并加上相應(yīng)的頭文件打包形成的打包基本碼流PES，PES包和包之間可以是不連續(xù)的。如下圖6所示為視頻基本碼流結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖6 視頻基本碼流結(jié)構(gòu)</p><p>　　在傳輸時(shí)將PES包再分段打成有固定長(zhǎng)度188B的傳送碼流TS或可變長(zhǎng)度的節(jié)

60、目流包（PS包）。PES只是PS轉(zhuǎn)換為T(mén)S或TS轉(zhuǎn)換為PS的中間步驟或橋梁，時(shí)MPEG-2數(shù)據(jù)流互換的邏輯結(jié)構(gòu)。TS和PS這兩種碼流分別適應(yīng)于不同的場(chǎng)合應(yīng)用，節(jié)目流PS適合在相對(duì)出錯(cuò)較少的環(huán)境下使用，其長(zhǎng)度是變化的，而傳送流TS能夠把多個(gè)節(jié)目在基于一個(gè)或多個(gè)時(shí)間標(biāo)識(shí)的基礎(chǔ)上構(gòu)成一個(gè)流，傳送流適合于出錯(cuò)較多的場(chǎng)合下使用。用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)中信息可占用不同的連接線(xiàn)路和簡(jiǎn)單暫存。通過(guò)數(shù)據(jù)包交織把多個(gè)數(shù)據(jù)流復(fù)用成一個(gè)新的數(shù)據(jù)流。便于解碼

61、器按照相應(yīng)順序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行靈活的整理，從而，為數(shù)據(jù)流同步和復(fù)用奠定了基礎(chǔ)。MPEG-2的結(jié)構(gòu)可分為壓縮層和系統(tǒng)層，其中ES屬于壓縮層，PES和TS/PS屬于系統(tǒng)層。在PES層，主要是在PES包頭信息中加入PTS(顯示時(shí)間標(biāo)簽)和DTS（解碼時(shí)間標(biāo)簽）用于視頻、音頻同步。而在TS流中，TS包頭加入了PCR(節(jié)目時(shí)鐘參考)，用于解碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)。在節(jié)目流PS包頭中加入SCR,它的作用與PCR域相似。 ES是編碼視頻數(shù)據(jù)流或音頻數(shù)據(jù)流，每

62、個(gè)ES都由若干個(gè)存取單元（AU）組成，每個(gè)視頻</p><p>　　3.2.2 MPEG-2解碼</p><p>　　MPEG-2解碼是從編碼的比特流中重建圖像幀。MPEG-2解碼方框圖如下圖7所示。</p><p>　　圖7 MPEG-2 解碼框圖</p><p>　　由圖7可知，接收到的碼流經(jīng)過(guò)TS流解復(fù)用和視頻PES包解復(fù)用后輸出視頻基

63、本流ES和運(yùn)動(dòng)矢量MV。ES經(jīng)過(guò)反量化IQ和反DCT后輸出重建的宏塊差值ΔMB。輸入的PES stream先經(jīng)過(guò)PES層的同步和視頻層的同步，然后進(jìn)入前解析過(guò)程，將PES stream頭信息放于PES stream buffer中，將視頻、音頻碼流置于基本流Buffer中.再經(jīng)解析過(guò)程，對(duì)從緩存器中讀出的碼流進(jìn)行解析，分開(kāi)用戶(hù)數(shù)據(jù)(user data)、頭信息，并將編碼數(shù)據(jù)送到IDCT單元等. 解碼電路框圖中沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)估計(jì)電

64、路，它直接用碼流中傳輸來(lái)的運(yùn)動(dòng)矢量(MV)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從幀存儲(chǔ)器中的讀出匹配宏塊MB，在加法器中與宏塊差值ΔMB相加，還原出相應(yīng)的P、B圖像塊。在幀重排內(nèi)得到一組GOP解碼圖像后，重排成編碼時(shí)輸入顯示圖像的原始序列。由于編解碼器中都有幀重排，結(jié)果使顯示圖像比原始圖像產(chǎn)生一定的延時(shí)，相對(duì)于聲音編解碼會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面滯后于聲音，故需要相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。</p><p>　　MPEFG-2中編碼與解碼電路不是一一對(duì)應(yīng)的，編碼

65、復(fù)雜，解碼簡(jiǎn)單，因?yàn)榻獯a所需要的許多參數(shù)如運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值和量化值矩陣等都在傳輸碼流中以規(guī)定的句法元素格式提供給接收端，由解碼器直接使用就可以了。因此，不同廠(chǎng)家可以設(shè)計(jì)出不同特點(diǎn)的編碼器。然而，任何一個(gè)解碼器應(yīng)對(duì)任何編碼器給出的碼流都能正確地解碼。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)此次電視機(jī)課程設(shè)計(jì)使我對(duì)數(shù)字電視的概念有了更清晰的認(rèn)識(shí)，了

66、解了數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況，掌握了數(shù)字電視的基本組成；熟悉了視頻壓縮編碼的各種方法，掌握MPEG-2編碼器原理；尤其對(duì)于MPEG-2的編解碼原理有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，雖然以前上課老師也講述了該部分的內(nèi)容和知識(shí)，但感覺(jué)自己還是迷迷糊糊的，但是這次課程設(shè)計(jì)卻讓收獲頗大，不僅是這塊的知識(shí)，而且對(duì)于整個(gè)數(shù)字電視機(jī)的認(rèn)識(shí)，可以說(shuō)是有了質(zhì)的的飛躍。</p><p>　　誠(chéng)然，在此次課程設(shè)計(jì)中我也遇到了許多問(wèn)題，但是通過(guò)查閱資

67、料我都得到了解決，這為我以后的學(xué)習(xí)工作會(huì)帶來(lái)借鑒，雖然里面的有一些原理我還是不太熟練，沒(méi)有牢牢掌握，但是在今后的學(xué)習(xí)中我會(huì)更加注重這一方面的補(bǔ)充。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　通過(guò)近兩周的努力，終于將電視機(jī)課程設(shè)計(jì)完成了，在完成課程設(shè)計(jì)的這兩周中，xx老師給予了我很大的幫助。她不僅是指導(dǎo)我完成了設(shè)計(jì)，還教會(huì)了我做設(shè)計(jì)的一般步驟、設(shè)計(jì)

68、思想和設(shè)計(jì)方法。尤其是在對(duì)其中涉及到編碼器工作原理時(shí)，她不辭辛勞的給我講解，讓我對(duì)電視機(jī)信號(hào)源的編碼解碼方法有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)學(xué)會(huì)了高效率的查閱資料的方法，使我在很短的時(shí)間就能把握全局，寫(xiě)出設(shè)計(jì)大綱，而且當(dāng)我對(duì)此課程設(shè)計(jì)無(wú)從下手的時(shí)候，xx老師專(zhuān)心地為我講解，為我解決了很多實(shí)際存在的困難和問(wèn)題。她在實(shí)驗(yàn)室里為我們梳理流程，講解原理，使我對(duì)此次的課程設(shè)計(jì)能圓滿(mǎn)完成增添了很多信心，真正的從心理和解決實(shí)際問(wèn)題上為我樹(shù)立了很好的榜樣，我為能有

69、這樣的好老師而感覺(jué)到驕傲，在此我衷心的感謝一直不辭辛勞為我指明方向的xx老師，也要感謝教會(huì)我知識(shí)的學(xué)校為我提供實(shí)踐的場(chǎng)所和實(shí)踐器材。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，不僅使我學(xué)到了很多專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)，也讓我明白了不畏困難、勇于攀登艱難的重要性，這對(duì)我未來(lái)的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生很大的影響。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】 蔣秀華.現(xiàn)代電視機(jī)原理[M

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