視頻與編碼標(biāo)準(zhǔn)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,第6章 視頻與編碼標(biāo)準(zhǔn),本章先了解電視技術(shù)的歷史與發(fā)展，列出各種彩色電視制式，簡介數(shù)字電視和高清電視的概念與現(xiàn)狀；再講解視頻信號的數(shù)字化，重點(diǎn)介紹視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),,6.1電視,,一．簡史、二．彩色電視、三．高清晰數(shù)字電視,,6.2 視頻與編碼,,一．視頻、二．視頻信號的數(shù)字化、三．視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)概述、四．MPEG-1低分辨率數(shù)字視頻編碼、五．MPEG-2高分辨率數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、六．MPEG-4視聽對象編碼、七．MPEG-7多媒體內(nèi)容描述接口、八．MPEG-21多媒體框架,,1,,,6.1電視,

2、電視(television遠(yuǎn)視)與動畫一樣也是利用人的視覺滯留原理工作的,,早期是黑白電視無線廣播,,后來是模擬彩色電視的無線廣播、衛(wèi)星廣播和有線電視廣播,,現(xiàn)在正處于高清晰數(shù)字電視廣播的發(fā)展階段,,即：,,黑白電視TV,?,模擬彩色電視CTV(無線,?,衛(wèi)星,?,有線),?數(shù)字電視DTV?,高清晰電視HDTV,,2,,,一．簡史,1．電視技術(shù)的發(fā)展,,系統(tǒng)：黑白電視,?,彩色電視,?,數(shù)字高清晰電視,,顯示：陰極射線管CRT,?,液晶LCD/等離子PDP、背投/前投,?薄膜電視OLED、表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器SED,,存儲播放：錄像帶/機(jī)VCR,?,VCD,?,DVD,?EVD/藍(lán)光碟Blu

3、-ray Disc/HD DVD,,,3,,,2．電視技術(shù)的發(fā)展歷史,1884年德國工程師P.G. Nipkow發(fā)明螺盤旋轉(zhuǎn)掃描器，用光電池把圖像的系列光點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，實現(xiàn)了最原始的電視傳輸和顯示,,1897年陰極射線管(CRT = Cathode-Ray Tube)問世，后來出現(xiàn)儀器示波管,,1923年美籍俄羅斯人（美國兩院院士）V.K. Zworykin發(fā)明電視光電攝像管,,1925年美國人C.F. Jenkins和1926年英國人J.L. Baird相繼實現(xiàn)影像粗糙的機(jī)械掃描系統(tǒng),,1930年P(guān).J.范思沃恩發(fā)明電子掃描系統(tǒng),,1930年RCA公司改進(jìn)電子束顯像管,,4,,,1931年

4、V.K. Zworykin發(fā)明電視顯像管,,1937年/1939年英國/美國開始黑白電視廣播,,1940年代末美國發(fā)明共用天線電視系統(tǒng)，后來逐步發(fā)展為有線電視（電纜電視cable television）,,1949年美國無線電公司研制成功蔭罩式彩色顯像管,,1952年美國提出NTSC彩色電視制式,,1954年美國正式開始彩色電視廣播,,1958年中國開始黑白電視廣播,,1963年聯(lián)邦德國提出PAL彩色電視制式,,1964年美國無線電公司發(fā)現(xiàn)液晶光電效應(yīng)，后來發(fā)展成液晶顯示器(LCD = Liquid Crystal Display),,1966年美國人D.L.比澤和H.G.斯洛托夫發(fā)明等離子顯

5、示器PDP(plasma display panel),,5,,,1966年法國提出SECAM彩色電視制式,,1970年代初中國開始彩色電視廣播，采用PAL-D制式,,1972年日本廣播協(xié)會研究所提出模擬高清晰度電視HDTV的MUSE方案,,1974年中國開始在高層建筑中安裝和使用共用天線電視系統(tǒng),,1979年柯達(dá)公司Rochester實驗室的鄧青云發(fā)明小分子 OLED(Organic Light Emitting Diode有機(jī)發(fā)光二極管/有機(jī)電激發(fā)光顯示器) 薄膜電視，1987年英國劍橋大學(xué)博士生Jeremy Burroughes證明大分子的聚合物也有場致發(fā)光效應(yīng)，即聚合物OLED,,19

6、80年代中國開始在單位安裝電纜電視,,1988年漢城奧運(yùn)會采用MUSE的HDTV轉(zhuǎn)播,,6,,,1991年日本正式開始MUSE的HDTV廣播,,1993年歐洲開始制定數(shù)字電視廣播DVB標(biāo)準(zhǔn),,1994年中國國務(wù)院成立了由11個有關(guān)部委組成的數(shù)字HDTV研究開發(fā)小組,,1995年美國通過ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn),,1997年中國CCTV進(jìn)行HDTV廣播試驗,,1999年CCTV用HDTV實況轉(zhuǎn)播50周年國慶,,1999年開始研究，2004年9月14日日本的佳能與東芝宣布將共同生產(chǎn)SED (Surface-Conduction Electron-emitter Display表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器),

7、,7,,,二．彩色電視,,8,,,2．彩色電視制式,目前世界上現(xiàn)行的模擬彩色電視制式有三種：NTSC制、PAL制和SECAM制,,NTSC(National Television Systems Committee國家電視系統(tǒng)委員會)彩色電視制是1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會定義的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為正交平衡調(diào)幅制，1954年開始廣播。美國、加拿大等大部分西半球國家，以及日本、韓國、菲律賓等國和中國的臺灣采用這種制式,,由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點(diǎn)，因此西德于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line相位逐行交變)制彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為逐行倒相正

8、交平衡調(diào)幅制，1967年開始廣播。德國、英國等一些西歐國家，以及中國、朝鮮等國家采用這種制式。,,9,,,法國1957年起制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire順序顏色傳送與存儲)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為順序傳送彩色與存儲制，1967年開始廣播。法國、蘇聯(lián)及東歐國家采用這種制式。世界上約有65個地區(qū)和國家使用這種制式,,NTSC制、PAL制和SECAM制都是與黑白電視兼容制制式，即黑白電視機(jī)能接收彩色電視廣播，顯示的是黑白圖像；而彩色電視機(jī)也能接收黑白電視廣播，顯示的也是黑白圖像,,為了既能實現(xiàn)兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統(tǒng)應(yīng)滿足下列幾方

9、面的要求：,,(1) 必需采用與黑白電視相同的一些基本參數(shù)，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號、圖像載頻、伴音載頻等等,,(2) 需要將攝像機(jī)輸出的三基色信號轉(zhuǎn)換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，并將它們組合成一個彩色全電視信號進(jìn)行傳送。在接收端，彩色電視機(jī)將彩色全電視信號重新轉(zhuǎn)換成三個基色信號，在顯象管上重現(xiàn)發(fā)送端的彩色圖像,,10,,,彩色電視制式,(寬:高 = 4:3、隔行掃描),,11,,,3. 電視掃描和同步,隔行掃描與逐行掃描,,掃描有隔行掃描(interlaced scanning)和逐行掃描(line by line scan),,為了防止對畫面的閃爍感，黑白

10、電視和彩色電視都采用隔行掃描,,計算機(jī)顯示器和數(shù)字電視一般都采用逐行掃描,,12,,,圖像的光柵掃描,(a) 逐行掃描,(b) 隔行掃描,,13,,,隔行與逐行掃描方式的差別,在逐行掃描中，電子束從顯示屏的左上角一行接一行地掃到右下角，在顯示屏上掃一遍就顯示一幅完整的圖像，如上圖(a)所示,,在隔行掃描中，電子束掃完第1行后回到第3行開始的位置接著掃，然后在第5、7、……，行上掃，直到最后一行。奇數(shù)行掃完后接著掃偶數(shù)行，這樣就完成了一幀(frame)的掃描，如上圖(b)所示。由此可以看到，隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：一部分是由奇數(shù)行組成，稱奇數(shù)場，另一部分是由偶數(shù)行組成，稱為偶數(shù)場，兩場合

11、起來組成一幀。因此在隔行掃描中，無論是攝像機(jī)還是顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像,,每秒鐘掃描多少行稱為行頻,f,H,；每秒鐘掃描多少場稱為場頻,f,f,；每秒掃描多少幀稱幀頻,f,F,。,f,f,和,f,F,是兩個不同的概念,,14,,,隔行掃描的行數(shù)必是奇數(shù),在隔行掃描中，掃描的行數(shù)必須是奇數(shù),,如前所述，一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數(shù)的一半，第二場掃描總行數(shù)的另一半,,隔行掃描要求第一場結(jié)束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個原因，才要求總的行數(shù)必須是奇數(shù)。,,

12、15,,,PAL制電視的掃描特性,PAL電視制的主要掃描特性是：,,(1) 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀),,(2) 寬高比(aspect ratio)：4:3,,(3) 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場,,(4) 顏色模型：YUV,,每一場的312.5行掃描中，有25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數(shù)每場只有287.5行，因此每幀只有575行有圖像顯示,,16,,,NTSC制的掃描特性,NTSC彩色電視制的主要特性是：,,(1) 525行/幀, 30幀/秒(29.97 fps,33.37 ms/frame),,(2) 寬高比：4:3,,(3) 隔行掃描，一幀分成

13、2場(field)，262.5線/場,,(4) 顏色模型：YIQ,,在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)，實際傳送圖像的行數(shù)為480行。(480*4/3 = 640，所以VGA = 640*480),,17,,,SECAM制的掃描特性,SECAM制式與PAL制類似,,其差別是SECAM中的色度信號是頻率調(diào)制(FM)，而且它的兩個色差信號：紅色差(R‘-Y’)和藍(lán)色差(B‘-Y’)信號是按行的順序傳輸?shù)?,圖像格式為4:3，625線,,50 Hz，6 MHz電視信號帶寬，總帶寬8 MHz,,18,,,彩色電視國際標(biāo)準(zhǔn),,19,,,4．彩色電視的顏色體系,根據(jù)三

14、基色的基本原理，任何一種顏色都可以用R、G、B三個彩色分量按一定的比例混合得到，但要精確地復(fù)顯自然景物中的彩色確是相當(dāng)困難的,,值得慶幸的是，科學(xué)家們對人的彩色視覺特性經(jīng)過長期研究后發(fā)現(xiàn)，在重顯自然景物彩色過程中，并不一定要恢復(fù)原景物輻射的所有光波成分，而重要的是獲得與原景物相同的彩色感覺,,20,,,彩色圖像重現(xiàn)過程,下圖說明用彩色攝像機(jī)攝取景物時，如何把自然景物的彩色分解為R、G、B分量，以及如何重顯自然景物彩色的過程,,,,,21,,,彩色電視的YC,1,C,2,彩色表示法,按照色度學(xué)的基本原理，用R、G、B三基色的各種線性組合可以構(gòu)造出各種不同的彩色空間來表示景物的顏色,,各種不同的彩

15、色空間在不同的應(yīng)用中也許會比原始的RGB彩色空間具有更有用的特性，更有效且更經(jīng)濟(jì),,在彩色電視中，用Y、C,1,、C,2,彩色表示法分別表示亮度信號和兩個色差信號，C,1,、C,2,的含義與具體的應(yīng)用有關(guān)：,,在NTSC彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示I、Q兩個色差信號；,,在PAL彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示U、V兩個色差信號；,,在SECAM彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示Db、Dr兩個色差信號；,,在CCIR 601數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，C,1,、C,2,分別表示Cb、Cr兩個色差信號,,所謂色差(chromatism)是指基色信號中的三個分量信號(即R、G、B)與

16、亮度信號之差,,22,,,YC,1,C,2,彩色表示法的優(yōu)點(diǎn),在彩色電視中，使用Y、C,1,、C,2,有兩個重要優(yōu)點(diǎn)：,,①Y和C,1,、C,2,是獨(dú)立的，因此彩色電視和黑白電視可以同時使用，Y分量可由黑白電視接收機(jī)直接使用而不需做任何進(jìn)一步的處理,,②可以利用人的視覺特性來節(jié)省信號的帶寬和功率，通過選擇合適的顏色模型，可以使C,1,、C,2,的帶寬明顯低于Y的帶寬，而又不明顯影響重顯彩色圖像的觀看,,因此，為了滿足兼容性的要求和達(dá)到壓縮信號的目的，彩色電視系統(tǒng)選擇了一個亮度信號和兩個色差信號，而不直接選擇三個基色信號進(jìn)行發(fā)送和接收,,23,,,三．高清晰數(shù)字電視,1．概述,最開始的電視機(jī)只有

17、9或14英寸，5、6百條掃描線就足夠了，可后來電視機(jī)越做越大：18、20、25、29、34、39英寸，甚至42、50和63英寸或更大（等離子電視和背投電視），但電視信號卻仍然只有5、6百線，讓人難以接受 (VHR/VCD：200多線、S-VHS：320線、Laser Disc：420線、DVD：576線),,高清晰度電視(HDTV = High-Definition TeleVision)是指圖像質(zhì)量大于1000線（似16mm電影）、環(huán)繞立體聲、寬高比為16:9或5:3（似寬銀幕電影）的電視（普通電視的圖像質(zhì)量只有5百多線、單聲道或立體聲、寬高比為4:3）,,HDTV的掃描線數(shù)是普通彩色電視的

18、2倍左右，加上寬高比增加，所以總信息量(像素數(shù))為普通彩電的5倍左右：[(16/9)或(5/3)*(2x),2,] / [(4/3)x,2,] = 16/3(≈5.33)或5,,24,,,高清晰度電視與普通彩色電視的比較,,25,,,HDTV的發(fā)展,最早的HDTV是日本研究與實現(xiàn)的，但主要為模擬系統(tǒng)。后來美國和歐洲相繼研究和制定了全數(shù)字化的HDTV方案，日本也只好隨大流而改用數(shù)字電視DTV (Digital TV),,許多國家的政府為了促進(jìn)HDTV的使用，都制定了強(qiáng)制性的停播模擬電視的時間表，但一直遭到想保護(hù)原有投資的各大電視公司的消極抵制，進(jìn)展十分緩慢,,中國為了申請2000年奧運(yùn)會，也積極

19、開始HDTV的研制，后來由于申請失敗，放慢了研制的步伐。但為了2008年的北京奧運(yùn)會，中國政府會再一次加大投入，加快研制和推廣步伐的,,26,,,數(shù)字電視的優(yōu)越性,DTV的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：,,1）一個PAL制式頻道可以傳輸8~10套壓縮后的標(biāo)準(zhǔn)分辨率DTV信號，頻道增加了，有條件的可開通四五百套節(jié)目，還可以加密保護(hù),,2）圖像更清晰，音質(zhì)更高，觀眾可以通過機(jī)頂盒在普通電視機(jī)上欣賞到DVD視頻效果、CD音頻效果的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目,,3）功能巨大豐富，數(shù)字電視除了提供現(xiàn)有的 電視廣播節(jié)目外，還能提供許多新業(yè)務(wù) ，如視頻點(diǎn)播、上網(wǎng)瀏覽和其他信息服務(wù),,27,,,2．HDTV方案,1）日本ISDB,

20、,,1972年日本廣播協(xié)會(NHK)研究所提出MUSE(Multi Sub-Nyquist Sampling Encoding多重奈奎斯特取樣編碼)的HDTV（在日本叫Hi-vision）方案，1980年代開發(fā)了全套HDTV設(shè)備，1987年試驗成功，1988年轉(zhuǎn)播漢城奧運(yùn)會，1991年開始每天8小時的正式試播,,由于MUSE主要采用的是模擬方法，占用的頻帶寬，與全數(shù)字化的發(fā)展趨勢相悖，所以于1997年3月決定改為數(shù)字系統(tǒng)ISDB(Integrated-Services Digital Broadcasting集成業(yè)務(wù)數(shù)字廣播),,28,,,ISDB的主要技術(shù)特點(diǎn)是：,,信源碼與系統(tǒng)碼——視頻、

21、音頻及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)位流復(fù)用編碼，均采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn),,信道編碼調(diào)制——地面?zhèn)鬏敃r，信道內(nèi)碼為卷積碼、外碼為RS，采用OFDM調(diào)制,,日本政府計劃2000年試播、2003年東京開播、2006年全國開播、2010年停播模擬廣播，用十年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉(zhuǎn)換過程,,1995年NHK又著手開發(fā)2000~3000線（似35~70mm電影）的超清晰電視UDTV (Ultra Definition TV)，得到日本100多家公司的支持,,29,,,2）美國ATSC,1983年在美國成立了一個自愿研究數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的非營利國際組織——先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會(,ATSC,= Advanced Televisio

22、n Systems Committee),,1987年11月美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC = Federal Communications Commission)成立管理先進(jìn)電視(ATV = Advanced Television)業(yè)務(wù)的ACATS(Advisory Committee on ATV Service先進(jìn)電視業(yè)務(wù)咨詢委員會),,1988年9月共提出了24種ATV方案，ACATS從其中選出6種,,1990年5月美國GI公司發(fā)布全數(shù)字HDTV傳輸制式DigiCipher(數(shù)字密碼)，引起轟動,,30,,,1993年淘汰了兩種模擬方案EDTV和MUSE，只剩下4種全數(shù)字方案,,1993

23、年5月FCC成立了由這5個方案的提出者(GI、Zenith、AT&T、Thomson、Sarnoff)參加的HDTV大聯(lián)盟(GA = Grand Alliance),,1994年4/12月發(fā)表GA HDTV規(guī)范1.0/2.0,,1995年4月通過ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)作為美國ATV廣播標(biāo)準(zhǔn),,,美國政府計劃1997年試播（1998年11月已有23個城市正式開播）、2006年停播模擬廣播，用9年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉(zhuǎn)換過程,,31,,,ATSC的主要技術(shù)特點(diǎn),為了適應(yīng)消費(fèi)電子、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，GA HDTV中引入了互操作性和可擴(kuò)展性，使得HDTV成為信息高速公路上的多媒體終端。其主要技術(shù)特

24、點(diǎn)有：,,數(shù)字圖像壓縮技術(shù)——MPEG-2的子集,,傳輸格式——與ATM兼容,,掃描格式——與計算機(jī)兼容（方形像素、逐行掃描、寬高比固定）,,傳輸調(diào)制——采用8VSB方式,,伴音——5.1環(huán)繞聲系統(tǒng)(以Dollby AC-3為備有系統(tǒng)),,32,,,3）歐洲D(zhuǎn)VB,1983年歐洲推出新的電視制式——MAC (Multiplexed Analogue Components多元模擬成分),,1986年提出HDTV的HD-MAC，并于1992年冬季奧運(yùn)會上首次使用,,在美國的影響下，1993年9月歐洲制定了全數(shù)字的HDTV方案——,DVB,(Digital Video Broadcasting數(shù)字視

25、頻廣播)。它也是基于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，采用Musicam環(huán)繞聲和AC-3環(huán)繞聲,,1998年10月1日英國開始DVB廣播,,33,,,4）臺灣HDTV,1997年確定HDTV方案~美國,,1999年中試播,,2001年底開播,,2006年停模擬廣播,,計劃用7年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉(zhuǎn)換過程,,34,,,5）中國HDTV,1994年中國國務(wù)院成立了由11個有關(guān)部委組成的數(shù)字HDTV研究開發(fā)小組,,1996年國家科委將HDTV列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程項目（戰(zhàn)略研究、八五攻關(guān)、樣機(jī)研制）,,1997年7/11月CCTV-長城試驗成功/建成閉路電視系統(tǒng),,1998年9月在CCTV試播,,1999年

26、10月CCTV用HDTV實況轉(zhuǎn)播50周年國慶,,,中國計劃1998年試播、2005年1/4數(shù)字化、2015年停模擬廣播，用17年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉(zhuǎn)換過程,,35,,,方案與標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定,中國的HDTV的信源編碼采用的上海交大提出的基于MPEG-2的方案（1920*1152）(5:3),,積極參加研究的單位有：HDTV總體組、CCTV、清華-賽格高技術(shù)研究中心、康佳、TCL、海信、夏華-天津大學(xué)、創(chuàng)維-華中科技大學(xué)等,,衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)最先確立，隨后有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)也確立，現(xiàn)在就剩最后一個、也是最重要的地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)還未確立,,地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有清華大學(xué)和上海交通大學(xué)兩個方案，由于有巨大商業(yè)利益

27、，競爭異常激烈，前者勝出的可能性較大,,地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)原計劃2003年底定，后又說2004年底/2005年初定，現(xiàn)在看來要拖到2006年了,,36,,,中國的數(shù)字電視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其制定單位,信道傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),,衛(wèi)星傳輸,,有線傳輸（浙江大學(xué)）,,地面?zhèn)鬏敚ㄇ迦A大學(xué)、上海交通大學(xué)）,,信源編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（AVS工作組）,,數(shù)據(jù)與命令格式（系統(tǒng)）,,視頻編碼,,音頻編碼,,用戶與安全管理標(biāo)準(zhǔn)（信息產(chǎn)業(yè)部第三所）,,付費(fèi)管理,,加密與解密,,37,,,有線電視向數(shù)字化過渡時間表,2003年6月中旬，國家廣電總局發(fā)布了《我國有線電視向數(shù)字化過渡時間表》：,,一、地域劃分,,除北京、天津、上海、重慶四個直轄

28、市外，分東部、中部、西部三個地區(qū),,東部地區(qū)包括廣東、福建、江蘇、浙江、山東。,,中部地區(qū)包括湖南、湖北、海南、四川、安徽、江西、廣西、河南、河北、山西、陜西、遼寧、吉林、黑龍江。,,西部地區(qū)包括新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、云南、貴州,,二、時間劃分,,分2005年、2008年、2010年、2015年四個階段,,38,,,三、過渡計劃,,第一階段：到2005年，直轄市、東部地區(qū)地(市)以上城市、中部地區(qū)省會市和部分地(市)級城市、西部地區(qū)部分省會市的有線電視完成向數(shù)字化過渡,,第二階段：到2008年，東部地區(qū)縣以上城市、中部地區(qū)地(市)級城市和大部分縣級城市、西部地區(qū)部分地(市)級以

29、上城市和少數(shù)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,第三階段：到2010年，中部地區(qū)縣級城市、西部地區(qū)大部分縣以上城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,第四階段：到2015年，西部地區(qū)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,,上海電視臺已于2001.1.1開始試播數(shù)字高清晰度電視節(jié)目，北京電視臺于2003.9.1開始試播，深圳電視臺于2003.10.8試播高清頻道，廣州電視臺也于2003.8開始試播,,39,,,6.2 視頻與編碼,本節(jié)先給出視頻的基本概念、視頻卡與視頻處理，再介紹模擬視頻信號數(shù)字化的方法，重點(diǎn)介紹各種視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用,,一．視頻,,二．視頻信號的數(shù)字化,,三．視頻編

30、碼標(biāo)準(zhǔn)概述,,四．MPEG-1低分辨率數(shù)字視頻編碼,,五．MPEG-2高分辨率數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn),,六．MPEG-4視聽對象編碼,,七．MPEG-7多媒體內(nèi)容描述接口,,八．MPEG-21多媒體框架,,40,,,一．視頻,本小節(jié)先給出視頻的基本概念，然后簡單介紹視頻卡、視頻處理的最基本內(nèi)容及常用的視頻文件格式,,1．概念,,2．視頻卡,,3．視頻信息處理,,4．視頻文件格式,,41,,,1．概念,視頻(video)是與電視有關(guān)的各種設(shè)備、產(chǎn)品和信息等，包括錄像設(shè)備和技術(shù)，錄像制品，如錄相帶、視頻光盤VCD/DVD等,,人們所收看的電視信號，實際上包括了視頻和音頻兩個部分。這里的視頻是指電視畫面的

31、圖像信息，而不包含電視中伴音,,多媒體中所說的視頻主要指組成電視畫面的系列圖像信息,,42,,,2．視頻卡,似音頻有聲卡，視頻也有視頻卡(video card)，可以進(jìn)行視頻信號的采集、處理和播放，包括視頻信號的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換,,1）功能,,視頻卡一般有如下基本功能：,,匯集視頻源——如TV音像源、錄像機(jī)VCR、攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)DV、激光視盤機(jī)LVDP等,,硬件數(shù)字化——包括實時壓縮,,支持編輯——如修整、縮放,,播放——在顯示器上開窗或全屏（疊加）播放,,43,,,2）分類,視頻捕獲/轉(zhuǎn)換卡——模擬視頻信號,?,數(shù)字視頻信號,?,存儲在計算機(jī)中/在顯示器上播放,,視頻回放卡（解壓卡/電影卡

32、）——將存儲在計算機(jī)磁盤或光盤上的視頻信號在顯示器上播放（早期286/386PC機(jī)需要）,,電視卡——帶高頻頭，可將計算機(jī)（的顯示器）變成一臺電視機(jī)，能收看電視節(jié)目,,集成卡：,,常見——顯卡+圖形加速卡(+TV口)(包含視頻回放卡功能),,多媒體——視頻I/O+視頻采集(+視頻壓縮),,= 電視卡 + 視頻捕獲/轉(zhuǎn)換卡,,44,,,視頻卡例,ATI于2004年初推出的HDTV Wonder TV，是市場上第一個HDTV電視卡產(chǎn)品：,,45,,,3．視頻信息處理,視頻信息處理：采集,?,編輯,?,應(yīng)用,,1）采集,,D/A (壓縮),,視頻信息——>數(shù)字視頻信號——>數(shù)據(jù)

33、存盤,,視頻捕獲卡,,2）編輯,,編輯軟件：,,Microsoft的Video for Windows（AVI播放）,,Microsoft的Windows Media服務(wù)器/編碼器（ASF生成）/Player播放器（AVI/ASF播放）,,Apple的QuikTime（MOV播放）,,Adobe的Premiere,,Asymetrix的DVP(Digital Video Producter),,46,,,3）應(yīng)用,視頻播放：,,全屏實時模擬信號源播放,,全屏數(shù)字化視頻信號播放,,窗口數(shù)字化視頻信號播放,,47,,,4．視頻文件格式,常用的視頻文件格式有：,,AVI = Audio/Video

34、Interleaved音頻/視頻交錯（存儲），MS&IBM&Intel Win,,MOV = Movie電影，Apple MacOS/Win,,rm/rv = RealMedia/RealVideo實媒體/實視頻，RealNetworks Win/Unix/Linux,,ASF = Advanced Stream Format先進(jìn)流格式，MS Win,,MPG = MPEG運(yùn)動圖像專家組，ISO&IEC Win/MacOS/Unix/Linux,,DAT = DATA數(shù)據(jù)，VCD的視頻數(shù)據(jù)文件,,48,,,二．視頻信號的數(shù)字化,數(shù)字視頻的優(yōu)點(diǎn)：,,可用計算機(jī)來處理和播放視頻信號,,可直接進(jìn)行隨

35、機(jī)存儲使視頻的檢索變得很方便,,復(fù)制數(shù)字視頻和在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字視頻都不會造成質(zhì)量下降,,可以采用各種數(shù)字信號的數(shù)據(jù)壓縮方法進(jìn)行視頻壓縮,,很容易進(jìn)行非線性電視編輯,,49,,,1．?dāng)?shù)字化的方法,數(shù)字電視系統(tǒng)用彩色分量來表示圖像數(shù)據(jù)（如用YCbCr，YUV，YIQ，YDbDr或RGB彩色分量），視頻數(shù)字化指對彩色空間的每一個分量進(jìn)行數(shù)字化,,視頻數(shù)字化常用的方法有兩種：,,(1) 先分離后數(shù)字化：先從復(fù)合彩色視頻中分離出彩色分量YCbCr，YUV，YIQ ，YDbDr或RGB，然后用三個A/D轉(zhuǎn)換器分別對它們數(shù)字化,,(2)先數(shù)字化再分離：首先用一個高速A/D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化，然

36、后在數(shù)字域中進(jìn)行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數(shù)據(jù),,50,,,2．?dāng)?shù)字化標(biāo)準(zhǔn),1982年CCIR (International Radio Consultative Committee國際無線電咨詢委員會)制定了彩色視頻數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，稱為CCIR 601標(biāo)準(zhǔn),,CCIR 601現(xiàn)改稱為ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)(601-5:1995.10.)，其中,,ITU=International Telecommunication Union(聯(lián)合國)國際電信聯(lián)盟,,R=Radiocommunication Sector無線電部,,BT=Broadcasting servi

37、ce (television)廣播服務(wù)(電視),,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了彩色視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像時使用的采樣頻率，RGB和YCbCr兩個彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等,,51,,,1）彩色空間之間的轉(zhuǎn)換,用8位二進(jìn)制數(shù)表示BT.601的Y‘CbCr和R’G‘B’，而R‘G’B‘顏色空間使用相同數(shù)值范圍[0, 219]的分量信號,,R'G'B'和Y'CbCr兩個彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系用下式表示：,,Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B + 16,,Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128,,Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B

38、) + 128,,52,,,2）采樣頻率,CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的視頻采樣頻率（這個采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的視頻信號采樣）,,對PAL制、SECAM制，采樣頻率,,f,s,= N(像素/行)×625(行/幀)×25(幀/秒) = 13.5 (MHz), N = 864,,對NTSC制，采樣頻率,,f,s,= N(像素/行)×525(行/幀)×29.97(幀/秒) = 13.5 (MHz), N = 858,,其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目（人為規(guī)定，湊成相等）,,53,,,3）有效顯示分辨率,對PAL制和SECAM制的亮度信號，每一條掃描行采樣8

39、64個樣本,,對NTSC制的亮度信號，每一條掃描行采樣858個樣本,,對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720 (= 864 – 144 = 858 - 138)個,,每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)如下圖所示,,54,,,ITU-R BT.601的亮度采樣結(jié)構(gòu),,55,,,4）ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)摘要,ITU-R BT.601用于對隔行掃描視頻進(jìn)行數(shù)字化，對NTSC和PAL制彩色電視的采樣頻率和有效顯示分辨率都作了規(guī)定,,ITU-R BT.601推薦使用4∶2∶2的彩色視頻采樣格式。使用這種采樣格式時，Y用13.5 MHz的采樣頻率，Cr和Cb用6.75 MHz的采樣頻率。采樣時，采樣頻率

40、信號要與場同步和行同步信號同步,,下表給出了ITU-R BT.601推薦的采樣格式、編碼參數(shù)和采樣頻率,,56,,,彩色電視數(shù)字化參數(shù)摘要,,57,,,5）CIF、QCIF和SQCIF,為了既可用625行的視頻又可用525行的視頻，CCITT規(guī)定了多種分辨率的圖像采樣格式：,,公用中分辨率格式(CIF=Common Intermediate Format),,1/4公用中分辨率格式(QCIF=Quarter-CIF),,子1/4公用中分辨率格式(SQCIF=Sub-QCIF),,具體規(guī)格如下表所示,,58,,,CIF、QCIF和SQCIF圖像格式參數(shù),,59,,,CIF格式的特性,(1) 視頻

41、的空間分辨率為家用錄像系統(tǒng)(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288,,(2) 使用非隔行掃描(non-interlaced scan),,(3) 使用NTSC幀速率，視頻的最大幀速率為30 000/1001≈29.97幅/秒,,(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288線,,(5) 對亮度和兩個色差信號(Y、Cb和Cr)分量分別進(jìn)行編碼，它們的取值范圍同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16,,60,,,3．圖像子采樣概要,如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣

42、(subsampling),,在彩色圖像壓縮技術(shù)中，最簡便的圖像壓縮技術(shù)就是圖像子采樣了,,子采樣是利用人的視覺系統(tǒng)如下兩個特性來壓縮彩色電視信號的：,,一是人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號去掉一些而使人不察覺,,二是人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺,,61,,,子采樣格式的種類,試驗表明，使用下面介紹的幾種子采樣格式，人的視覺系統(tǒng)對采樣前后顯示的圖像質(zhì)量沒有感到有明顯差別：,,(1) 4:4:4 這種采樣格式不是子采樣格式，它是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、

43、4個紅色差Cr樣本和4個藍(lán)色差Cb樣本，這就相當(dāng)于每個像素用3個樣本表示,,(2) 4:2:2 這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、2個紅色差Cr樣本和2個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示,,(3) 4:1:1 這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示,,(4) 4:2:0 這種子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點(diǎn)上取2個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示,,62,,,4種子采樣格式的彩色圖像

44、YCbCr樣本空間位置,,63,,,4:4:4子采樣格式,4:2:2子采樣格式,4:1:1子采樣格式,MPEG-1使用的4:2:0子采樣格式,MPEG-2使用的4:2:0子采樣格式,,64,,,4．視頻的數(shù)據(jù)率,按照奈奎斯特(Nyquist)采樣理論，模擬電視信號經(jīng)過采樣(把連續(xù)的時空信號變成離散的時空信號)和量化(把連續(xù)的幅度變成離散的幅度信號)之后，數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)量大得驚人,,當(dāng)前的存儲器和網(wǎng)絡(luò)都還沒有足夠的能力支持這種數(shù)據(jù)傳輸率，因此需要對數(shù)字電視信號進(jìn)行壓縮,,65,,,1）ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率,使用4:2:2的采樣格式，亮度信號Y的采樣頻率選擇為13.5 MHz /

45、s，而色差信號Cr和Cb的采樣頻率選擇為6.75 MHz/s，在傳輸數(shù)字電視信號通道上的數(shù)據(jù)傳輸率就達(dá)到為,270 Mb/s,，即,,亮度(Y):,,858樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈135兆比特/秒(NTSC),,864樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈135兆比特/秒(PAL),,Cr (R-Y):,,429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(NTSC),,429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(PAL),,Cb (B-Y):,,429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣

46、本≈68兆比特/秒(NTSC),,429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(PAL),,總計: 27兆樣本/秒×10比特/樣本 = 270兆比特/秒,,66,,,有效圖像的數(shù)據(jù)傳輸率,實際上，在熒光屏上顯示出來的有效圖像的數(shù)據(jù)傳輸率并沒有那么高,,亮度(Y):,,720×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC),,720×576×25×10≈104 Mb/s (PAL),,色差(Cr，Cb):,,2×360×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC),,2×360×576×25×10≈104 Mb/s (PAL),,總計:　～ 207 Mb/s

47、,,如果每個樣本的采樣精度由10比特降為8比特，彩色數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就降為,166 Mb/s,,67,,,2）VCD視頻數(shù)據(jù)率的估算,使用VCD(Video-CD)來存儲數(shù)字電視，它的數(shù)據(jù)傳輸率(1.4112 Mb/s)中分配給電視信號的為1.15 Mb/s，這就意味MPEG電視編碼器的輸出數(shù)據(jù)率要達(dá)到,1.15 Mb/s,,顯而易見，如果存儲166 Mb/s的數(shù)字電視信號就需要對它進(jìn)行高度壓縮，壓縮比高達(dá)166/1.15 ≈ 144:1,,MPEG-1視頻壓縮技術(shù)不能達(dá)到這樣高的壓縮比。為此首先把NTSC和PAL數(shù)字電視轉(zhuǎn)換成公用中分辨率格式CIF的數(shù)字電視，這種格式相當(dāng)于VHS(V

48、ideo Home System)的質(zhì)量，于是彩色數(shù)字電視的數(shù)據(jù)傳輸率就減小到,30Mb/s,：,,352×240×30×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (NTSC),,352×288×25×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (PAL)。,,把這種彩色電視信號存儲到CD盤上所需要的壓縮比為：30/1.15 ≈,26:1,。這就是MPEG-1技術(shù)所能獲得的壓縮比,,68,,,3）DVD視頻數(shù)據(jù)率的估算,根據(jù)當(dāng)前成熟的壓縮技術(shù)，視頻的數(shù)據(jù)率壓縮成平均為3.5 Mb/s ～ 4.7 Mb/s時非專家難于區(qū)分視頻在壓縮前后的之間差別,,如果使用DVD-Video存儲器來存儲數(shù)字電視，4.7 GB的單面單

49、層DVD盤要存放133分鐘的電視節(jié)目，按照數(shù)字電視信號的平均數(shù)據(jù)傳輸率為,4.1Mb/s,來計算，壓縮比要達(dá)到：166/4.10 ≈ 40:1,,如果視頻的子采樣使用4:2:0格式，每個樣本的精度為8比特，數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就減小到,124Mb/s,，即,,720×480×30×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (NTSC),,720×576×25×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (PAL),,使用DVD-Video來存儲數(shù)字視頻所需要的壓縮比為：124/4.1 ≈,30:1,,,69,,,5．音頻視頻交互文件格式,音頻視頻交互文件格式(The Audio/Video Interlea

50、ved File Format)（*.AVI）是Microsoft為Windows設(shè)計的多媒體文件格式RIFF(The Resource Interchange File Format,資源交換文件格式)中的一種（另一種常用的為波形音頻文件格式*.WAV）,,RIFF由文件頭、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識及若干塊(chunk)組成，塊中可含多級子塊,,70,,,AVI文件的組成結(jié)構(gòu),文件頭（“RIFF”+文件長度+“AVI ”）3*4B(12B),,格式列表塊頭（“LIST”+塊長度+“hdr1”）3*4B(12B),,主頭塊（“avih”+塊長度+MainAVIHeader結(jié)構(gòu)）2*4B+56B(64B),

51、,流列表塊頭（“LIST”+塊長度+“str1”）3*4B(12B),,流頭塊（“strh”+塊長度+AVIStreamHeader結(jié)構(gòu)）2*4B+56B(64B),,流格式塊（“strf”+塊長度+BITMAPINFO/WAVEFORMATEX即 PCMWAVEFORMAT結(jié)構(gòu)）2*4B+48B/18B,,[流附加頭數(shù)據(jù)塊（“strd”+塊長度+壓縮驅(qū)動程序信息）2*4B+nB],,... ...（可有若干[一般為2個或1個]流列表塊）,,[垃圾塊（“JUNK”+塊長度+塊數(shù)據(jù)[用于對齊或排隊]）2*4B+nB],,數(shù)據(jù)列表塊頭（“LIST”+塊長度+“movi”）3*4B(12B),,

52、[記錄列表塊頭（“LIST”+塊長度+“rec”）3*4B(12B)],,流數(shù)據(jù)子塊（“##wb”/“##db”/“##dc”/“##pc”+塊長度+塊數(shù)據(jù)）2*4B+nB,,... ...（可有若干流數(shù)據(jù)子塊）,,[索引塊（“idx1”+塊長度+若干AVIINDEXENTRY結(jié)構(gòu)）2*4B+n*16B],,71,,,其中：,,##可為00或01，分別對應(yīng)第1/2個流列表塊所描述的流,,wb(wave bytes)表示波形音頻數(shù)據(jù),,db(DIB bytes)表示未壓縮視頻數(shù)據(jù),,dc(DIB compression)表示壓縮視頻數(shù)據(jù),,pc(pallette changes)表示改變調(diào)色板的

53、數(shù)據(jù),,,具體文件格式參見Word文件P26~27,,72,,,作業(yè),1．（選做）實現(xiàn)無壓縮AVI文件的解碼和播放。,,73,,,復(fù)習(xí)思考題,電視廣播經(jīng)歷了那幾個發(fā)展階段？,,給出電視顯示技術(shù)的發(fā)展過程。,,世界上現(xiàn)行的模擬彩色電視制式有哪些？它們分別是什么國家在什么時候制定的？使用范圍怎樣？,,給出各種彩色電視制式的掃描參數(shù)。,,為什么模擬電視要隔行掃描？為什么它們的掃描行數(shù)必須是奇數(shù)？,,彩色電視采用的是什么顏色表示法？有什么優(yōu)點(diǎn)？,,給出HDTV的英文原文和中文譯文。,,74,,,HDTV與普通彩電的主要區(qū)別有哪些？(HDTV定義),,HDTV的掃描線數(shù)是普通彩色電視的多少倍？總信息量(

54、像素數(shù))又是多少倍？,,HDTV一定是數(shù)字的嗎（舉例說明之）？數(shù)字電視有哪些好處？,,給出日美歐及中國的HDTV的方案的名稱與實施轉(zhuǎn)換時間。,,現(xiàn)行的各種HDTV方案有一個什么共同點(diǎn)？(源編碼),,中國HDTV標(biāo)準(zhǔn)的最高圖像分辨率與寬高比是多少？現(xiàn)在還有哪個部分未標(biāo)準(zhǔn)化？,,視頻與電視有什么區(qū)別？,,視頻卡有哪些功能？如何分類？,,視頻信息處理主要包括哪些部分？,,75,,,常見的視頻文件格式有哪些？,,數(shù)字視頻有哪些優(yōu)點(diǎn)？,,模擬彩電的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)及其代號是什么？解釋其中字母縮寫的含義。,,該標(biāo)準(zhǔn)采用的是什么顏色空間？各個分量的含義是什么？,,該標(biāo)準(zhǔn)推薦的子采樣是什么格式？MPEG-1/2的子采樣格式有什么相同和不同？,,該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化參數(shù)(有效掃描參數(shù))是多少？,,給出CIF的中英文含義與掃描參數(shù)。QCIF及SQCIF與它是什么關(guān)系？,,標(biāo)準(zhǔn)的采樣數(shù)據(jù)率是多少？有效的采樣數(shù)據(jù)率又是多少？,,76,,,MPEG-1(VCD)的掃描參數(shù)與采樣數(shù)據(jù)率是多少？數(shù)據(jù)傳輸率與壓縮比各是多少？,,MPEG-2(DVD)的掃描參數(shù)與采樣數(shù)據(jù)率是多少？數(shù)據(jù)傳輸率與壓縮比各是多少？,,給出AVI的中英文含義與用處。,,77,,,