视频信号数字化课件

*,*,页,单击此处输入文本,单击此处编辑母版标题样式,A6,视频信号数字化,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,A5,数据压缩技术,A4,误码补偿,数字信号及视频信号数字化,2024/11/16,1,页,A6视频信号数字化A1数字信号及其优越性A2数字信号的编码A,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。,2024/11/16,2,A1 数字信号及其优越性 1模拟信号2023/9/172,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,),。,2024/11/16,3,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,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。,2024/11/16,4,2数字信号及其优越性2023/9/174,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,2024/11/16,5,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,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,。,2024/11/16,6,A2 数字信号的编码,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,6,2,2,24,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,。,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,。,2024/11/16,7,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,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。,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,。,2024/11/16,8,二、纠错码 数字信号能辨认出原来的数字0或1，就能恢复,纠错原理示意图,2024/11/16,9,纠错原理示意图 2023/9/179,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。,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,2024/11/16,10,A3 纠错技术基础 一、1、误码产生的原因：2023/9,二、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。,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,。,2024/11/16,11,二、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,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。,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。,2024/11/16,12,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；,纵横奇偶检验法,：,2024/11/16,13,纵横奇偶检验法：2023/9/1713,三、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。,2024/11/16,14,三、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,交织法示意图,：,2024/11/16,15,交织法示意图：2023/9/1715,分组延迟型交织法,：,2024/11/16,16,分组延迟型交织法：2023/9/1716,交,叉,交织编码器框图,：,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。,2024/11/16,17,交叉交织编码器框图：交叉交织法就是给交织之前和交织之后的不,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。,2024/11/16,18,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,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。,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。,2024/11/16,19,2线性插补法2023/9/1719,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,f,s,，量化位数为,N,，则其数字信号的传输速率,(,或称码率,),R,f,s,N,。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,2024/11/16,20,A5 数据压缩技术一、视频信号的数据量2023/9/17,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,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,(U,2,+V,2,),1/2,代表颜色的饱和度。,YUV,返回,2024/11/16,21,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,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。,2024/11/16,22,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,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。,2024/11/16,23,二、冗余数