数码视讯编码复用技术

北京数码视讯科技股份有限公司北京数码视讯科技股份有限公司2017.02.21数字电视系统概述传输码流及其复用技术目录数字电视编码技术模拟电视系统的特点模拟电视系统的特点 模拟电视系统模拟电视系统：在电视信号的制作处理、控制调节、记录重放、调制解调、传输转播、接收显示等过程中，图像信号和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴上连续变化的模拟信号。 模拟电视的缺点：首先模拟电视的缺点：首先是传输过程中产生的噪声及信号衰减，使长距离传输的信噪比恶化，图像清晰度越来越受到损伤而降低；其次其次在发送传输设备中，放大器的非线性积累使图像对比度产生越来越大的畸变；另外另外,模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难等。 1.2 数字电视的概念和优势 数字电视是指包括节目摄制、编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统，也可以说数字电视是在信源、信道、信宿三个方面全面实现数字化和数字处理的电视系统。 1.2 1.2 数字电视的概念和优点数字电视的概念和优点(1)抗干扰能力强、无噪声积累。(2)便于加密处理。 (3)便于存储、处理和交换。 (4)频谱资源利用率高(5)节省发送功率，覆盖范围广(6)设备便于集成化、微型化。 (7)便于构成综合业务数字网。 1.31.3数字电视设备和技术数字电视设备和技术数字电视是一个大系统，从横向来说由以下四个方面组成：数字电视节目制作的设备主要有：数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑机、数字字幕机和非线性编辑系统等；数字信号处理的技术有：压缩编码和解码技术、数据加扰和解扰、加密和解密技术等；信号传输的方式有：地面无线传输、有线(光缆)传输、卫星广播等；用于显示的设备有：阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、投影显示(包括前投、背投)等。显示器是最终体现数字电视效果或魅力的产品。 从纵向来说，是物理层传输协议、中间件标准、信息表述、信息使用、内容保护等一系列技术的综合应用。1.41.4数字电视系统结构数字电视系统结构（1）信源编码：设法减少原始数字视频、音频和各种辅助数据流的比特率。（2）复用：将数字化的数据流分割成许多信息包，并标识各种信息包及类型，将视频数据流、音频数据流和辅助数据流复用成一个单一的复用数据流。1.41.4数字电视系统结构数字电视系统结构（3）信道编码和调制：信道编解码是负责传输误码的检测和校正的环节，调制解调是负责信号变换和频带搬移的环节；（4）传输信道：可以是广播电视系统（如地面、卫星或有线电视广播系统），也可以是电信网络系统，或存储媒介（如磁盘、光盘等）；（5）接收机：包括解调、信道解码、解复用、视频、音频和各种辅助数据流的解码和终端显示等。1.41.4数字电视系统结构数字电视系统结构1.51.5数字数字电视的主要功能电视的主要功能免费基本数字电视业务按频道付费的数字电视业务（PPC等）VOD视频点播业务按次/时间付费的数字电视业务（IPPV、IPPT等）增强电视节目（EPG、电视广告等）数据广播业务其它业务（音乐、游戏、远程教育、双向互动业务）1.61.6数字数字电视产业的发展趋势电视产业的发展趋势 随着HDTV技术、双向交互式数字电视技术、IPTV技术、移动电视与手机电视技术在数字电视领域的应用，目前的数字电视产业技术上可以实现以下功能： 标准清晰度电视和高清晰度电视 单向广播、双向交互 固定接收、移动接收和手持接收有线数字电视有线数字电视卫星数字电视地面数字电视数字电视系统概述传输码流及其复用技术目录数字电视编码技术数字电视编码技术数字电视编码技术 1、模拟信号与数字信号的区别2、视频信号的数字化3、数字电视的信源编码4、音频信号的数字化5、编码器原理模拟信号的特点模拟信号的特点 模拟信号的特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。图22(a)所示的信号是模拟信号， 其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。图22(b)所示的信号是对图(a)所 示的模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号，由于其波形在时间上是离散的， 它又叫离散信号。但此信号的幅度仍然是连续的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。数字信号的特点 图2是数字信号，其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。 图2(a)是二进码，每一个码元只取两个幅值(0，A)：图(b)是四进码，每个码元取四 (3、1、1、3)中的一个。这种幅度是离散的信号称数字信号。 模拟信号数字化 模拟信号的数字化过程称为脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation） PCM的三个步骤是：1.1. 抽样抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。2.2. 量化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。3.3. 编码编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。 这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号。2.2.3 2.2.3 抽样抽样 把模拟信号变成数字信号时，先用一个周期为T的窄脉冲流对模拟信号幅度进行抽取, 把时间上连续变化的模拟信号变成时间上离散的信号。 打个比方：气温是逐渐变化的，每时每刻都在变化，因而它是随时间连续变化的模拟量。但观测气温不必每分每秒都测量，隔一定时间测一点画在坐标图上，连一条线，就表示了气温的变化。如果时间间隔合适，这条线的形状与连续不间断测量的曲线形状会基本吻合，即，用离散量可以表示连续的模拟量。这种间隔测量的方式，叫做在连续变化的模拟量上的取样。这是把模拟信号数字化的第一步。 2.2.42.2.4量化量化 量化：将抽样的样值变为幅度上离散的有限个二进制信号。 抽样使时间上连续的信号变为离散信号，量化又使幅度上的连续变为离散。图中Q代表量化间距；n, n+1，代表量化电平的级序。例如，n指的位置表示量化电平为nQ。 量化间距都相等，称为均匀量化或线性量化。 量化后的样值电平与原来的模拟信号电平之间有误差，称为量化误差。 量化过程是一个有损处理过程，会引入量化失真，在重构图像上增加块效应。量化2.2视频信号数字化1.各种电视信号的格式和简介2.视频基本流结构3.采样4.量化2.3.1数字视频信号压缩的必要性电视信号数字化后易与计算机结合,因而有很多优点，如方便存储和复制、信号处理多样化、提高信号质量和抗干扰能力强。问题：数据量大，要求大容量存储器，传输数据率高 技术参数标清电视SDTV高清电视HDTV分辨率每帧576有效行每行720有效像素每帧1080有效行每行1920有效像素宽高比4/316/9扫描方式50场/秒隔行扫描信号源标准：50场/秒隔行扫描;制作和交换：24帧/秒逐行扫描图像码率（不压缩）270Mbps取样频率 X 量化比特数 = 13.5MHz X 10bit = 135Mbps 2个色差信号的码率为2 X 6.75MHz X 10bit = 135Mbps SDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 135Mbps + 135Mbps = 270Mbps1.5Gbps亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数 = 74.25MHz X 10bit = 742.5Mbps 2个色差信号的码率为 X 37.125MHz X 10bit = 742.5Mbps HDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 742.5Mbps+742.5Mbps= 1485Mbps必要性必要性必要性必要性结论：要使数字电视信号适合于实际存储和传输，必须压缩数据量，降低传输数据码率前提：压缩后图象质量保证满足要求。 数字视频信号压缩的可行性视频数据压缩的可行性来自两个方面：一是视频信号中存在大量冗余度可供压缩，并且这种冗余度在解码后还可无失真地恢复；二是利用人的视觉特性，在不被主观视觉察觉的容限内，通过减少表示信号的精度，以一定的客观失真换取数据压缩。2.3数字电视的信源编码1.数字视频信号压缩的必要性和可行性2.数字视频编码方式3.基本的图像压缩编码技术2.3.22.3.2压缩编码方法压缩编码方法 1) 利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩 电视图象中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同，具有时间相关性，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。 2) 利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩 一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。 3)利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩 对经常出现的数据用短码组表，对不经常出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。从而实现与统计冗余有关的压缩。 4)利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩 人眼的视觉特性：对亮度信号比对色度信号敏感；对低频信号比对高频信号敏感；对静止图象比对运动图象敏感；对图象中水平和垂直线条比对斜线条敏感； 包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。 压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。 2.3.22.3.2压缩编码方法压缩编码方法2.2.22.2.2视频基本流结构视频基本流结构 视 频 基 本 码 流 ( E S ) 分 成 6 个 层 次 ： 视 频 序 列 层(Sequence)，图像组层（GOP），图像层，像条层，宏块层，像块层 视频序列实际上是节目的随机进入点；而GOP则是一组I、P、B帧构成，但是头一帧总是I帧；图像（或帧）是编码处理的单位；像条是用于同步的单位；宏块是运动补偿处理的单位；像块则是DCT处理单位。 图像组 88 图像组 宏块条宏块 块图像组图像视频序列视频基本码流视频基本码流ESES层次结构层次结构2.3.32.3.3 基本的图像压缩技术基本的图像压缩技术 预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制 DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。 这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测）。利用象素的相关性还可进一步减小差值。运动预测运动预测I 帧B 帧P 帧全帧编码利用I帧的运动矢量对球编码只有运动被编码球取自I帧和P帧（双向）膝取自P帧变换编码变换编码-DCT-DCT变换变换 变换编码的基本思想是把空间域描写的图象变换到一个正交的变换域简单描写。通过变换达到降低相关性(冗余度)的目的。 DCT变换(Discrete Cosine Transform)是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。DCT是先将整体图像分成NN 像素块，然后对NN 像素块逐一进行DCT变换（时域到频域的变换，利用频谱的特性传输图像信息）。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受的。DCTDCT变换变换90 blocks ( 720 pixels )72 blocks ( 576 pixels ) 8 pixels1 DCT blockY signal in one frame8 pixelsDCTDCT分块分块8 88 8亮度块的亮度块的DCTDCT变换、量化例变换、量化例88亮度块的DCT反变换、反量化处理例922 -150-25-5-6-12-6-1-208-10624133-29312-32-1-20-191-3-633320-5-4212000-4651421-11-24-1143010230-3-1DCT52100000000000000000000000000000000000000000000000000000000-158-4-100100DCTDCT变换实例 之字形扫描是从左上角开始，沿之字形路径扫描到右下角，将量化后的二维系数转换为一维数据序列，以便后面进行熵编码。 优点：大多数图象信号的DCT系数从左上角到右下角，由低频到高频排列，因此采用之字形扫描得到的一维数据序列中，会出现很多连零的数据，有利于游程编码。尤其在序列最后，如果都是零，可用专门符号结束，或记为EOB。之字形（Zig-Zig）扫描231-74-12-1-1-2-10-102-5101000-137000000-400-100000-1-1000000-11000000000000000000000Zig-zag 扫描231-74-12-1-1-2-10-102-5101000-137000000-400-100000-1-1000000-11000000000000000000000EOB ( End Of Block )EOBEOB is transmitted instead of zeros1.音频信号的特点2.采样和量化3.音频压缩的必要性4.音频压缩的可行性2.4音频信号数字化数字音频信号特点数字音频信号特点 在数字传输时，声音信号数字化也包括取样、量化和编码。 由于声音信号的带宽、动态范围及信杂比的要求等与图像信号相比有很大的区别-它能感觉极小的声音失真，而且又能接受极大地动态范围，所以声音信号的取样频率标准及量化电平数均与图像信号不同。一般大于图像信号的量化比特。采样采样1、采样频率选择原则也是根据取样定理，即=Fs2Fm。 演播室内的高保真音频信号演播室内的高保真音频信号FmFm一般为一般为20kHz20kHz， 传输用或普通音频信号传输用或普通音频信号FmFm一般为一般为15kHz15kHz。为了防止取样频谱混叠，通常取样频率选为：Fs=(2.1-2.5)Fm。2、由于人耳对声音强度比较敏感，因此音频信号量化常取16或32比特（视频信号一般10比特量化）。音频压缩的必要性立体声的频带从20 Hz20 kHz，取样频率48 kHz，至少1 6 bit线性量化，这样一套立体声的数码率高达1.536 Mbs。为此必须采用最新的压缩技术，压缩到256 kbs，甚至更低。一般的波形编码仅仅依靠去掉波形中的冗余度是不可能达到如此高的压缩程度的。 音频信号压缩的可行性音频信号压缩的可行性1.阈值特性 ：听觉阈值电平，低于该电平的音频信号听不到，因此可以忽略掉。2.掩蔽效应（较强的声音掩蔽了另一个较弱的声音的存在。一个强声音之前或之后或附近频率的弱声音也被掩蔽掉。3.听觉阈值特性，人对2-4KHz范围的声音信号最敏感，幅度很低的信号都被听到；而在低频区和高频去，能被人听到的信号幅度高得多。这样可以讲听觉阈值以下的点评可以去掉，而不影响听觉效果。编码器原理编码器原理数字电视系统概述传输码流及其复用技术目录数字电视编码技术第3章 传输码流、复用技术1、MPEG-2中的码流2、MPEG-2中的节目信息3、码流的复用3.1 MPEG 2中的码流 在数字电视中，所有的信息和信号(包括视频、音频、文字、图片等)，经过编码后都变成了数据。 码流（Data Rate），是指音、视频文件在单位时间内使用的数据流量，它是音、视频编码中画面质量控制中最重要的部分。 MPEG2码流是指用MPEG2编码器产生的音、视频码流，在MPEG2码流中设置了固定标志比特位、同步类型、数据包起始码等，这样解码器就可能正确地解释MPEG2码流。 数字电视码流主要有基本码流(ES)、打包基本码流(PES)、节目码流(PS)与传输码流(TS)，这几种码流既不相同，又相互关联。MPEG 2中的码流 MPEG-2标准的系统部分定义了一套系统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，使之便于存贮和传输。 系统层中的信息流通方式如下： 首先，数据从视频、音频编码器而来，称为基本码流(ES)，然后，ES被分别打包，形成两个打包的基本码流(PES)， 再后，PES被复接成一个节目码流(PS)和一个传输码流(TS)， MPEG-2系统简化结构视频PES音频PES系统规定的扩展PS复用TS复用节目 码流PS传送 码流TS打 包 器打 包 器视频 编码视频 数据音频 数据音频 编码视频ES音频ESMPEG 2中的码流 每一个TS包必须只包含从一个PES包来的数据。PES包头必须在TS包的包头后适配域后面。TS码流由于采用了固定长度的包结构，当传输误码破坏了某一个TS包的同步信息时，接收机可在固定的位置检测它后面 包中的同步信息，从而恢复同步。而PS由于长度是变化的，一旦某PS包的同步信息丢失，接收机无法同步下一包的同步位置，就会造成失步，导致严重的信息丢失。所以PS用于误码比较小的演播室内的传输或存贮媒介，适合交互式多媒体应用。而TS适合于有噪声或介质损耗的环境中存储或传输。TS用在广播系统和长距离网络中。3.2 MPEG 2中的节目信息节目专用信息（PSI）业务信息（SI）PSI 数字电视机顶盒或者卫星接收机中为了找到需要的码流，识别不同的业务信息，在TS流中必须加入一些引导信息，为此，在MPEG-2中，专门定义了PSI(Program Specific Information)信息，其作用是从一个携带多个节目的某一个TS流中正确找到特定的节目。 TS流中有两种标识符，一种是包标识符，一种是表标识符。具有相同PID的不同信息表由表标识符TABLE ID来区分，在接收端通过查这些特定的PID来找到它们。 PSI表包括节目关联表（PAT）、条件接收表（CAT）、节目映射表（PMT）和网络信息表（NIT）组成，这些表在复用时通过复用器插入到TS流中，并用特定的PID（包标识符）进行标识。PSI 当机顶盒、解码器、卫星接收机要接收某一个指定节目时，PSI表首先从节目关联表（PAT）中取得这个节目的节目映射表（PMT）的PID值，然后从TS流中找出与此PID值相对应的节目映射表（PMT），从这个节目映射表中获得构成这个节目的基本码流的PID值，根据这个PID值滤出相应的视频、音频和数据等基本码流，解码后复原为原始信号。 SI SI包括业务描述表（SDT）、事件信息表（EIT）、时间和日期表（TDT）、时间偏移表（TOT）、业务群关联表（BAT）和运行状态表（RST）、填充表（ST）、选择信息表（SIT）、间断信息表（DIT）等表信息。SI中的各表在实际使用中并不都需要传送，其中SDT、EIT、TDT是必需传送的，其它表则按照需要进行选择传送。 SI 由于系统通常存在多个TS流，为了引导数字电视用户能在TS流中快速地找出自己需要的业务， DVB对MPEG-2的PSI进行了扩充，在PSI四个表的基础上再增加了九个表，形成SI(Service Information)。SI是对整个系统所有TS流的描述，在符合MPEG-2 (13818-1)的TS传输流中插入DVB标准定义的业务信息(Service Information，SI)，使机顶盒(Set-Top-Box)的综合接收解码器(IRD)可以从TS流中提取出节目提供商播出节目的列表和播出参数， 以直观的形式显示给数字电视用户，使得用户可以方便地接收、选择数字电视节目。 每个表所对应的每个表所对应的PIDPID值如下表：值如下表：表表PIDPID值值PATPAT0X00000X0000CATCAT0X00010X0001PMTPMT0X00020X0002NITNIT0X00100X0010SDTSDT、BATBAT0X00110X0011EITEIT0X00120X0012TDTTDT、TOTTOT0X00140X0014PSI/SIPSI/SI3.3码流的复用 所谓复用，是使多路信号共享一条物理信道。例如，一个载波频道可以载运6 套节目，首先要在未调制前将六套节目的传输码流按时分复用的方法复用到一起。时分复用（TDM），是把传输通路分成若干个时间段（时隙），每段时隙分配给一套节目或一个特定的码流。在分配的这段时隙内，节目唯一的占有整个频带，各节目周期的轮流占用。3.3码流的复用3.3码流的复用 完成复用功能的设备叫复用器。 复用器可以把多路单节目传输流（SPTS），按时分复用成一路多节目传输流（MPTS )。 数字电视前端将根据自己的节目总体规划选择所需节目，同时插入本地的PSI/SI表和私有数据等。为此，选择复用器必须有PID过滤，PID映射、PCR校正、PSI/SI提取、插入、修改等功能，并支持私有描述符的插入和编辑功能。并为处理高码率的输入信号，必须有较大的缓冲区，包括视频、音频和系统缓冲区，从而避免信号的溢入溢出。复用器复用器编码器TSTSTSTS复用器复用器的功能：将多个TS流合成一路TS流。TS流的形式可以是ASI、DS3、E3等复用器适配器Copyright Beijing Sumavision Technologies CO. 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