數(shù)字視頻信號(hào)源的編碼器和解碼器研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　數(shù)字視頻/音頻壓縮編碼是數(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>

2、<p>　　數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和成熟已使數(shù)字高清晰度電視（HDTV）成為現(xiàn)實(shí)。高清晰度電視是新一代電視，其掃描線在1000行以上，每行1920個(gè)像素，寬高比為16:9，較常規(guī)電視更符合人們的視覺(jué)特性，使圖像質(zhì)量與35mm首映電影相當(dāng)。但是由于像素?cái)?shù)大幅度增加，使本來(lái)數(shù)碼位就較高的二進(jìn)制編碼形成極大的編碼數(shù)據(jù)，使HDTV的信息量可達(dá)常規(guī)電視的5倍以上，傳輸時(shí)占用頻帶寬，存儲(chǔ)時(shí)占用媒體容量大，特別是對(duì)計(jì)算量最為龐大的運(yùn)動(dòng)估算的運(yùn)動(dòng)算

3、法來(lái)說(shuō)，編碼器無(wú)疑要有非常高的處理速度，這樣給實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大困難。因此，必須對(duì)HDTV圖像進(jìn)行壓縮編碼。本文主要針對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)源的編碼器和解碼器的研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞：視頻/音頻壓縮編碼技術(shù) ，編碼器，譯碼器</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況及其基本結(jié)構(gòu)1&

4、lt;/p><p>　　1.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況1</p><p>　　1.2數(shù)字電視的基本組成3</p><p>　　2視頻壓縮編碼的方法3</p><p>　　2.1莫爾斯碼與信源編碼4</p><p>　　2.2差值脈沖編碼4</p><p>　　2.3預(yù)測(cè)編碼基本原理4&l

5、t;/p><p>　　2.4游程長(zhǎng)度編碼6</p><p>　　2.5霍夫曼編碼7</p><p>　　2.6運(yùn)動(dòng)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼8</p><p>　　3 MPEG-2編碼器原理10</p><p>　　3.1 MPEG-2的編碼方式10</p><p>　　3.2 PAL解碼器13

6、</p><p>　　3.3 MPEG-2視頻編碼器14</p><p>　　4 MPEG-2解碼器原理15</p><p>　　4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.2 MPEG-2解碼16</p><p><b>　　總 結(jié)17</b></p><

7、p><b>　　致 謝18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p>　　1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況及其基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況</p><p>　　數(shù)字電視是高科技的產(chǎn)物，數(shù)字電視是指電視節(jié)目的采集、制作、編輯、播出、

8、傳輸、接收的全過(guò)程都采用數(shù)字技術(shù)。與模擬電視相比，數(shù)字電視在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)： </p><p>　　(1)、清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字電視信號(hào)在傳輸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)噪聲積累效應(yīng)，幾乎完全不受噪聲干擾，電視信號(hào)的強(qiáng)度衰減與失真度很低，電視畫(huà)面十分逼近演播室水平。數(shù)字電視的音頻效果很好，支持五聲道的杜比數(shù)碼（AC-3）5.1環(huán)繞立體聲家庭影院服務(wù)； </p><p>　　

9、(2)、數(shù)字頻道數(shù)成倍增加?；诂F(xiàn)有模擬電視頻道，可同時(shí)傳輸6-8套DVD質(zhì)量或15-18套VCD質(zhì)量的數(shù)字電視節(jié)目。如全部采用數(shù)字電視技術(shù)傳輸，可同時(shí)傳送大約200套DVD質(zhì)量或500多套VCD質(zhì)量的電視節(jié)目。電視頻道資源利用率高，可完全滿足用戶(hù)自由收看電視節(jié)目的個(gè)性化要求； </p><p>　　(3)、數(shù)字業(yè)務(wù)功能極大拓展。隨著有線電視傳輸和用戶(hù)接收的數(shù)字化，以前模擬方式無(wú)法提供的服務(wù)都將成為可能，如電視網(wǎng)

10、站、交互電視、股票行情與分析、視頻點(diǎn)播等，電視互動(dòng)數(shù)字新業(yè)務(wù)的開(kāi)展將變得更加容易； </p><p>　　(4)、數(shù)字電視信號(hào)容易加密，保密性好，便于采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理。總之，數(shù)字電視替代模擬電視的趨勢(shì)是現(xiàn)代科技發(fā)展的必然結(jié)果。 </p><p>　　數(shù)字電視在我國(guó)具有強(qiáng)大的國(guó)家、政府支持和重視優(yōu)勢(shì)，就廣播電視行業(yè)發(fā)展而言，數(shù)字電視技術(shù)為滿足人民群眾日益增長(zhǎng)的精神文化需求提供強(qiáng)有力的技術(shù)

11、和市場(chǎng)基礎(chǔ)，為廣播電視事業(yè)的大繁榮大發(fā)展帶來(lái)了歷史良機(jī)，因此受到廣電行業(yè)的高度重視和大力推進(jìn)，并取得快速的發(fā)展。截止到2008年，全國(guó)有線數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換城市超過(guò)100個(gè)，其中33個(gè)城市實(shí)現(xiàn)全市用戶(hù)數(shù)字化整轉(zhuǎn)，全國(guó)數(shù)字電視用戶(hù)已達(dá)4450萬(wàn)戶(hù)。 </p><p>　　圖1.1顯示我國(guó)數(shù)字電視用戶(hù)在2003-2008年間的快速發(fā)展規(guī)模和占全國(guó)電視用戶(hù)量的比例，5年用戶(hù)增長(zhǎng)了158.9倍，比例增長(zhǎng)了13個(gè)百分點(diǎn)。圖1

12、.2、表1.1則給出了華北等六個(gè)地區(qū)2007-2008兩年的數(shù)字電視用戶(hù)及在本地區(qū)所占</p><p>　　圖1.1 2003-2008年全國(guó)數(shù)字電視用戶(hù)規(guī)模和所占比例圖</p><p>　　比例的發(fā)展情況，其中華北地區(qū)發(fā)展的最快提高了12.9個(gè)百分點(diǎn)，西北地區(qū)提高了11.7個(gè)百分點(diǎn)，最少的東北地區(qū)也提高了4個(gè)百分點(diǎn)。另?yè)?jù)國(guó)內(nèi)In-Stat和絡(luò)達(dá)咨詢(xún)的研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到2009年底我國(guó)數(shù)字電

13、視規(guī)模將達(dá)8522萬(wàn)戶(hù)，2010年將達(dá)到1.0284億戶(hù)，2011年將達(dá)到1.1165億戶(hù)，2012年將達(dá)到1.1606億戶(hù)。</p><p>　　圖1.2 2007年與2008年不同地區(qū)數(shù)字電視用戶(hù)所占比例</p><p>　　雖然我國(guó)數(shù)字電視在發(fā)展上具備很多優(yōu)勢(shì)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)字電視整體上仍然處在發(fā)展的初期階段，尚存在很多的問(wèn)題。概括的說(shuō)，有廣電體制方面因素，條塊分割、性質(zhì)單

14、一，既難統(tǒng)一規(guī)劃、布局與實(shí)施，又難以引入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)；有政策指導(dǎo)方面的因素，地域差異經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡導(dǎo)致受眾需求差別大而難以指導(dǎo)；有技術(shù)方面的缺乏配套齊全、規(guī)范和可操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因素；有市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方面投、融資、運(yùn)行成本高，難以短期盈利的因素；也有運(yùn)營(yíng)模式、產(chǎn)業(yè)規(guī)范、業(yè)務(wù)性質(zhì)等等因素形成的問(wèn)題。應(yīng)該說(shuō)我國(guó)數(shù)字電視的發(fā)展是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，只要我們按照科學(xué)規(guī)律辦事，充分發(fā)揮中國(guó)特色社會(huì)主義的體制優(yōu)勢(shì)、行業(yè)優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，汲取發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展數(shù)字電視

15、所遇到的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，就一定能推動(dòng)我國(guó)數(shù)字電視的大發(fā)展。</p><p>　　表1.1 2007年與2008年不同地區(qū)數(shù)字電視用戶(hù)所占比較</p><p>　　1.2數(shù)字電視的基本組成</p><p>　　交互式數(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><p>　　數(shù)字前端系統(tǒng)通常劃分為信源處理

16、、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>　　2視頻壓縮編碼的方法</p><p>　　壓縮編碼

17、的方法有幾十種之多，并在編碼過(guò)程中涉及較深的的數(shù)學(xué)里理論基礎(chǔ)問(wèn)題，在此僅介紹幾種常用的壓縮編碼方法。</p><p>　　2.1 莫爾斯碼與信源編碼</p><p>　　莫爾斯碼即電報(bào)碼，其精華之處在于用短碼來(lái)表示常出現(xiàn)的英文字母，用長(zhǎng)碼來(lái)表示不常出現(xiàn)的字母，以減小碼率。</p><p><b>　　2.2差值脈沖編碼</b></p>

18、;<p>　　其原理框圖見(jiàn)圖2.1(a)。發(fā)端將當(dāng)前樣值和前一樣值相減所得差值經(jīng)量化后進(jìn)行傳輸，收端將收到的差值與前一個(gè)樣值相加得到當(dāng)前樣值。在這個(gè)原理圖中，輸出的當(dāng)前樣值是輸出的前一樣值加上收到的差值，由于在當(dāng)前差值中包括當(dāng)前的量化誤差，而輸出的前一樣值又包括前一樣值的量化誤差，這就造成了量化誤差的積累。因此實(shí)用電路為圖2.1(b)。這時(shí)輸入當(dāng)前樣值不是與輸入的前一樣值相減，而是與輸出的前一樣值相減，因此在差值中已經(jīng)包含

19、了前一樣值的量化誤差的負(fù)值，在與輸出的前一個(gè)樣值相加時(shí)，這部分量化誤差被抵消，只剩下當(dāng)前的量化誤差，這就避免了量化誤差的積累。</p><p>　　圖2.1差值脈沖編碼</p><p>　　2.3 預(yù)測(cè)編碼基本原理</p><p>　　由于語(yǔ)音信號(hào)的相鄰抽樣點(diǎn)之間有一定的幅度關(guān)聯(lián)性，所以，可根據(jù)以前時(shí)刻的樣值來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)時(shí)刻的樣值，只要傳預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之差，而不需要每個(gè)

20、樣值都傳輸。這種方法就是預(yù)測(cè)編碼。</p><p>　　語(yǔ)音信號(hào)的樣值可分為可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)兩部分。可預(yù)測(cè)部分(相關(guān)部分)是由過(guò)去的一些權(quán)值加權(quán)后得到的；不可預(yù)測(cè)的部分(非相關(guān)部分)可看成是預(yù)測(cè)誤差。這樣，在數(shù)字通信中，就不用直接傳送原始話音信號(hào)序列，而只傳送差值序列。因?yàn)椴钪敌蛄械男畔⒖梢源嬖夹蛄兄械挠行畔?，而差值信?hào)的能量遠(yuǎn)小于原樣值，就可以使量化電平數(shù)減少，從而大大地壓縮數(shù)碼率。在接收端，只要把差值序

21、列疊加到預(yù)測(cè)序列上，就可以恢復(fù)原始序列。</p><p>　　圖2.2給出了差值脈碼調(diào)制(DPCM)系統(tǒng)原理框圖。圖中輸入樣值信號(hào)，接收端重建信號(hào)為，是輸入信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)的差值，為量化后的差值，是經(jīng)編碼后輸出的數(shù)字碼。</p><p>　　圖2.2DPCM原理方框圖</p><p>　　編碼器中的預(yù)測(cè)器與解碼器中的預(yù)測(cè)器完全相同。因此，在無(wú)傳輸誤碼的情況下，解碼器輸

22、出的重建信號(hào)和編碼器的完全相同。DPCM的總量化誤差定義為輸入信號(hào)與解碼器輸出的重建信號(hào)的差值。即有</p><p>　　由上式可知，在這種DPCM系統(tǒng)中，總量化誤差只和差值信號(hào)的量化誤差有關(guān)。圖2.3說(shuō)明了預(yù)測(cè)的原理。</p><p>　　圖2.3 DPCM預(yù)測(cè)原理</p><p>　　由圖2.3可見(jiàn)，預(yù)測(cè)值跟蹤輸入信號(hào)抽樣值變化。DPCM的方框圖如圖2.3中，它

23、是典型的線性預(yù)測(cè)方式。</p><p>　　設(shè)原始信號(hào)序列為，其中是序列中現(xiàn)在的樣值，而是的前個(gè)樣值。若選用的前N個(gè)樣值來(lái)預(yù)測(cè)，并用表示預(yù)測(cè)值，則</p><p>　　其中，j為任意整數(shù)。為預(yù)測(cè)系數(shù)或加權(quán)系數(shù)，為預(yù)測(cè)階數(shù)。由上式可見(jiàn)，線性預(yù)測(cè)中，第n個(gè)預(yù)測(cè)值是過(guò)去N個(gè)樣值的線性組合。</p><p>　　2.4 游程長(zhǎng)度編碼</p><p>

24、　　讀出數(shù)據(jù)和表示數(shù)據(jù)的方式也是減少碼率的一個(gè)重要因素。讀出的方式可以有多種選擇 ，如水平逐行讀出、垂直逐列讀出、之字型讀出和交替讀出等，其中之字型讀出(Zig－Zag) 是最常用的一種。由于經(jīng)DCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此之字型讀出實(shí)際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的，這樣一來(lái)就為游程長(zhǎng)度編碼(Runleng th Encoding)創(chuàng)造了條件。所謂游程長(zhǎng)度編碼是指一個(gè)碼可同時(shí)表示碼的值和前面幾個(gè)零，這樣

25、就可以把之字型讀出的優(yōu)點(diǎn)顯示出來(lái)了。因?yàn)橹中妥x出在大多數(shù)情況下出現(xiàn)連零的機(jī) 會(huì)比較多，尤其在最后，如果都是零，在讀到最后一個(gè)數(shù)后只要給出“塊結(jié)束”(EOB)碼,就可以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。</p><p>　　游程長(zhǎng)度指的是由字構(gòu)成的數(shù)據(jù)流中各個(gè)字符連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)而形成字符串的長(zhǎng)度?；镜挠纬叹幋a就是在數(shù)據(jù)流中直接用三個(gè)字符來(lái)給出上述三種信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。</p><p&

26、gt;　　圖2.4基本游程長(zhǎng)度編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)</p><p>　　CS表示有一個(gè)字符串在此位置，X代表構(gòu)成串的字符，SC代表串的長(zhǎng)度。游程編碼和哈夫曼編碼等屬于統(tǒng)計(jì)編碼。</p><p><b>　　2.5霍夫曼編碼</b></p><p>　　霍夫曼編碼是可變字長(zhǎng)編碼(VLC)的一種。Huffman于1952年提出一種編碼方法，該方法完全依據(jù)字

27、符出現(xiàn)概率來(lái)構(gòu)造異字頭的平均長(zhǎng)度最短的碼字，有時(shí)稱(chēng)之為最佳編碼，一般就叫作Huffman編碼。下面引證一個(gè)定理，該定理保證了按字符出現(xiàn)概率分配碼長(zhǎng)，可使平均碼長(zhǎng)最短。</p><p>　　定理：在變字長(zhǎng)編碼中，如果碼字長(zhǎng)度嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)符號(hào)出現(xiàn)的概率大小逆序排列，則其平均碼字長(zhǎng)度為最小。</p><p>　　現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明上述定理的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。設(shè)將信源符號(hào)按出現(xiàn)的概率大小順序排列為 ：

28、</p><p>　　給概率最小的兩個(gè)符號(hào)a6與a7分別指定為“1”與“0”，然后將它們的概率相加再與原來(lái)的 a1~a5組合并重新排序成新的原為：</p><p>　　對(duì)a5與a6′分別指定“1”與“0”后，再作概率相加并重新按概率排序得U″：（0.26 0.20 0.19 0.18 0.17）…直到最后得 U″″：（0.61 0.39）分別給以“0”，“1”為止，如圖2.5所示。<

29、/p><p>　　霍夫曼編碼的具體方法：先按出現(xiàn)的概率大小排隊(duì)，把兩個(gè)最小的概率相加，作為新的概率 和剩余的概率重新排隊(duì)，再把最小的兩個(gè)概率相加，再重新排隊(duì)，直到最后變成1。每次相 加時(shí)都將“0”和“1”賦與相加的兩個(gè)概率，讀出時(shí)由該符號(hào)開(kāi)始一直走到最后的“1”， 將路線上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的順序排好，就是該符號(hào)的霍夫曼編碼。 </p><p>　　圖2.5霍夫曼編碼過(guò)程&

30、lt;/p><p>　　例如2.5所示a7從左至右，由U至U″″，其碼字為0000；a6按踐線將所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的順序排好，其碼字為0001…用霍夫曼編碼所得的平均比特率為：Σ碼長(zhǎng)×出現(xiàn)概率；上例為：0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72 bit；可以算

31、出本例的信源熵為2.61bit，二者已經(jīng)是很接近了。</p><p>　　2.6 運(yùn)動(dòng)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼</p><p>　　這是一種幀間編碼的方法，其原理是利用幀間的空間相關(guān)性，減小空間冗余度。幀間編碼為什么可以減小冗余度，這是因?yàn)閮蓭g有很大的相似性。如果將前后兩幀相減 (移動(dòng)物體作相應(yīng)位移)得到的誤差作編碼所需比特要比幀內(nèi)編碼所需的比特少，幀間差集中在零附近，可以用短的碼字傳送。

32、實(shí)現(xiàn)幀間編碼的方法是運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。用圖2.6來(lái)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程。</p><p>　　圖2.6運(yùn)動(dòng)處理過(guò)程</p><p>　　當(dāng)前幀在過(guò)去幀的窗口中尋找匹配部分，從中找到運(yùn)動(dòng)矢量；根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量，將過(guò)去幀位移，求得對(duì)當(dāng)前幀的估計(jì)；將這個(gè)估計(jì)和當(dāng)前幀相減，求得估計(jì)的誤差值；將運(yùn)動(dòng)矢量和估計(jì)的誤差值送到接收端去。接收端根據(jù)收到的運(yùn)動(dòng)矢量將過(guò)去幀作位移(也就是對(duì)當(dāng)前幀的估計(jì))，再加上接收到的誤

33、差值，就是當(dāng)前幀了。</p><p>　　圖2.7宏塊在上一幀搜索范圍內(nèi)尋找匹配</p><p>　　圖2.8運(yùn)動(dòng)估計(jì)的全局搜索塊匹配</p><p>　　圖2.8運(yùn)動(dòng)估計(jì)的全局搜索塊匹配實(shí)際上，在做運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，是以16×16的塊(稱(chēng)宏塊)逐個(gè)進(jìn)行的，如圖2.7所示，這是將當(dāng)前幀劃分為N×N(16×16)的塊。對(duì)每一塊在過(guò)去幀

34、中范圍為的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，以求得最優(yōu)匹配，從而得到運(yùn)動(dòng)矢量的估值(dx,dy)。衡量匹配好壞的準(zhǔn)則可以是均方誤差最小準(zhǔn)則。搜索方法可以是全局搜索法，即對(duì)搜索范圍內(nèi)的每一點(diǎn)都計(jì)算均方誤差，選最小值即對(duì)應(yīng)最優(yōu)匹配，如圖2.8所示。</p><p>　　3 MPEG-2編碼器原理</p><p>　　3.1 MPEG-2的編碼方式</p><p>　　MPEG-2有三種編

35、碼方式：幀內(nèi)壓縮編碼方式, 見(jiàn)圖3.1；幀間壓縮編碼方式，見(jiàn)圖3.2；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式, 見(jiàn)圖3.3。</p><p>　　圖3.1幀內(nèi)壓縮編碼方式</p><p>　　壓縮就是將視頻信號(hào)中冗余減少的過(guò)程,首先必須識(shí)別每個(gè)視頻場(chǎng)和幀中的冗余，這主要包括空間與時(shí)間上的冗余。去除視頻信號(hào)空間冗余可通過(guò)DCT變換來(lái)完成，DCT變換是一個(gè)無(wú)信號(hào)損失的雙向數(shù)學(xué)過(guò)程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成

36、重現(xiàn)空間分布所需的頻率帶寬。變換所得到的系數(shù)值既可以代表不斷增加的更高的垂直和水平空間頻率，也可以代表不同的水平和垂直空間頻率組合。視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)DCT變換后，較高的空間頻率系數(shù)會(huì)變得非常細(xì)小，而據(jù)人眼的視覺(jué)特性，較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來(lái)表示，或者完全去掉而不影響圖像質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保持信號(hào)的可逆性和無(wú)損性，常常采用更多的比特來(lái)表示DCT系數(shù)。去除視頻信號(hào)時(shí)間冗余，可使用有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)來(lái)完成。對(duì)于活動(dòng)圖像多數(shù)情況下只是

37、其中的很少一部分圖像在運(yùn)動(dòng)，即使有大范圍的活動(dòng)部分，前后幀盡管有很大區(qū)別，但移動(dòng)物體本身大多數(shù)情況下是相同的。因此只需要找到圖像中某一部分運(yùn)動(dòng)了多少就可以在前一幀找到相應(yīng)圖像的內(nèi)容，這個(gè)查找過(guò)程稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)估值，其表達(dá)方式是運(yùn)動(dòng)矢量；而把前一幀相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分補(bǔ)過(guò)來(lái)，得到其剩余的不同部分的過(guò)程稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。就這樣，采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以有效地去除視頻信號(hào)</p><p>　　為了達(dá)到減少數(shù)據(jù)的目的，MPEG-2將4：2：2轉(zhuǎn)

38、換成4：2：0，并且通過(guò)量化，將代表每一個(gè)系數(shù)的比特?cái)?shù)目減少。一般使用11比特來(lái)代表DCT系數(shù)，對(duì)于其他系數(shù)則采用較小的比特?cái)?shù)目。每一個(gè)或每組宏塊都有不同的量化刻度，對(duì)每個(gè)宏塊采用不同的量化因數(shù)，使只含幀內(nèi)壓縮的MPEG能提供比同樣圖像質(zhì)量的M-JPEG多出10%—20%的壓縮效果。而相對(duì)于原來(lái)的DCT系數(shù)的數(shù)據(jù)，量化表及被量化的系數(shù)數(shù)據(jù)量要小得多。</p><p>　　圖3.2幀間壓縮編碼方式</p>

39、;<p>　　在量化過(guò)程后，無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮是通過(guò)可變長(zhǎng)度編碼VLC和游程長(zhǎng)度編碼RLC實(shí)現(xiàn)的。VLC是在數(shù)據(jù)內(nèi)尋找共同的圖案或字符，采用較小數(shù)量的比特為經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼，而用較多數(shù)量的比特為較少出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行編碼。RLC是用一個(gè)字符代表一串一定數(shù)目的零?？偟哪康闹挥幸粋€(gè)，減少數(shù)據(jù)量。</p><p>　　量化表控制是一個(gè)決定如何量化DCT系數(shù)的過(guò)程；輸出緩存可維持?jǐn)?shù)據(jù)流，并提供量化器的控制，從而

40、限制或維持?jǐn)?shù)據(jù)流在一個(gè)一定的水平。在實(shí)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)壓縮數(shù)據(jù)被錄像機(jī)記錄時(shí)，需要提供一個(gè)持續(xù)不變的比特率，以使機(jī)械部分以穩(wěn)定的速率旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)。而對(duì)于硬盤(pán)記錄來(lái)說(shuō)，又需要一個(gè)可變速的比特率。通常，一個(gè)可變速比特率是提供一個(gè)持續(xù)不變質(zhì)量水平的較好選擇。</p><p>　　圖3.3幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式</p><p>　　幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進(jìn)行，是一個(gè)無(wú)損過(guò)程。在圖3.4中，在

41、參考幀幀存中有一副完全解析度，完整數(shù)據(jù)的前一副圖像。在預(yù)測(cè)幀幀存中擁有一個(gè)根據(jù)前一幀和運(yùn)動(dòng)矢量所建立的預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀。輸出是預(yù)測(cè)的當(dāng)前幀與實(shí)際當(dāng)前幀相減后的差值。若沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或其他變化，當(dāng)前幀便可得到完美的預(yù)測(cè)，差分幀輸出為 0（極易壓縮）。當(dāng)前一幀和后一幀有點(diǎn)不同時(shí)，差分幀仍有少量數(shù)據(jù)需要壓縮。采用幀內(nèi)壓縮編碼形成的圖像稱(chēng)為I幀，形成過(guò)程見(jiàn)圖3.3；采用幀內(nèi)及幀間壓縮編碼形成的圖像稱(chēng)為B幀和P幀。P 幀為前向預(yù)測(cè)幀，是以前一個(gè)I 幀為預(yù)測(cè)

42、幀進(jìn)行編碼的。在I 幀和P 幀中間可以插入若干個(gè)B 幀，B 幀是從相鄰的最近的I 幀或P 幀作雙向預(yù)測(cè)進(jìn)行編碼的。形成P幀時(shí)參考幀幀存只要求存儲(chǔ)一幀圖象，而形成B幀時(shí)，參考幀幀存則需存儲(chǔ)前后兩幀圖象。由三種相互間有預(yù)測(cè)與生成關(guān)系的不同的幀數(shù)據(jù)，I 幀 P幀 B幀數(shù)據(jù)按照不同的組合組成圖像組（GOP），再加上序列起始碼和序列頭等數(shù)據(jù)組成圖像序列或ES，ES再打包成PES；PES再按188byte的固定長(zhǎng)度加上各種參數(shù)組成傳送碼流TS。&l

43、t;/p><p><b>　　3.2PAL解碼器</b></p><p>　　主要功能是對(duì)輸入的PAL復(fù)合信號(hào)進(jìn)行解碼,輸出 YCbCr分量信號(hào)(4:2:2) 。PAL解碼器質(zhì)量對(duì)整個(gè)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)有非常重要的作用,并將影響最終的圖像質(zhì)量,在設(shè)計(jì)時(shí)常采用8倍色度負(fù)載波對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣, 用數(shù)字梳狀濾波器完成亮色分離。同時(shí)為了避免視頻信源的抖動(dòng)影響后面的壓縮處理

44、部分,在PAL解碼器與前處理模塊之間有一幀的幀存進(jìn)行信號(hào)隔離。</p><p>　　前處理模塊該模塊原理如圖3.4所示。主要功能：<1> 給PAL解碼器和I幀編碼器提供像素接口控制信號(hào),其參數(shù)受CPU控制。<2> 對(duì)PAL解碼器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行必要的限幅,使其滿足CCIR 601的要求(Y:16-235,C:16-240),并對(duì)Cb和Cr信號(hào)做扣心(Coring)處理。<3>

45、 提供D1接口,可和數(shù)字視頻設(shè)備直接相連。<4> 在ES碼流的目標(biāo)碼率較低時(shí)(如低于3Mbps),啟動(dòng)1個(gè)16階的濾波器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波,使其頻帶限制在3.5MHz左右,以降低解碼恢復(fù)的圖像中的塊效應(yīng)。<5> 產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波視頻測(cè)試信號(hào),在CPU的控制下和輸入信號(hào)進(jìn)行切換。另外，為了適應(yīng)不同的碼組長(zhǎng)度可使用截短的RS碼，例如DVB和GA。GA采用RS（207，187，10），即分組碼符號(hào)長(zhǎng)度為207個(gè)，187

46、個(gè)信號(hào)符號(hào)，可檢出207-187=20個(gè)錯(cuò)，可糾正（207-187）÷2=10個(gè)錯(cuò)。該碼就是從RS（255，235，10）碼截短而得到的，實(shí)際上可以看成255個(gè)符號(hào)中除207個(gè)有具體的值外，剩余的48個(gè)符號(hào)全部添零，可以用同樣的電路進(jìn)行編解碼。</p><p>　　在DVCPRO、DVCAM、Digital-S格式中視、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)碼組為RS（85.77）碼，檢錯(cuò)能力為85-77=8byte，糾錯(cuò)能力為

47、（85-77）÷2=4byte。視頻數(shù)據(jù)的外碼組為RS（149.138），在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)能糾錯(cuò)149-138=11byte。音頻的外碼組為RS（14.9）碼，在內(nèi)碼組指出錯(cuò)誤位置時(shí)14byte中有不多于14-9=5byte的錯(cuò)誤都能得到糾正。而B(niǎo)etacam SX的視頻內(nèi)碼組為RS（124.112）外碼組為RS（64.50），聲音的內(nèi)碼組為RS（124.112）外碼組為RS（14.6），其外碼組的糾錯(cuò)能力明顯高于其它格

48、式，加上磁跡寬度又比其它格式寬了許多，即使一個(gè)GOP中有兩根磁跡丟失，誤碼校正仍可正常進(jìn)行，其誤碼校正數(shù)據(jù)塊的組成如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.4前處理模塊該模塊</p><p>　　3.3 MPEG-2視頻編碼器</p><p>　　上文我們已從理論上對(duì)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的概述, 下面就以一個(gè)實(shí)例剖析一下MPEG-2視頻編碼器的物理實(shí)現(xiàn). 該

49、編碼器可完成MPEG-2 MP@ML的壓縮,對(duì)CCIR 601 PAL制(720*576 像素/幀, 25幀/s)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)恒定比特率傳輸模式(CBR)處理.整個(gè)編碼系統(tǒng)如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5視頻編碼硬件原理圖</p><p>　　4 MPEG-2解碼器原理</p><p>　　4.1 視頻基本碼流結(jié)構(gòu)</p><p&g

50、t;　　如圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)所示：</p><p>　　圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)</p><p>　　a、在視頻序列層中，序列頭給了我們圖像的尺寸、寬高比、幀頻和比特率等數(shù)據(jù)，后面的序列擴(kuò)展碼給出了型級(jí)、逐行隔行和色度格式（4:2:0、4:2:2）等信息。</p><p>　　b.在圖像組層中，GOP頭中給出了時(shí)間碼和緊跟在幀后的B圖像的預(yù)測(cè)特性等信息。<

51、;/p><p>　　c.在圖層中，圖像頭中給出了時(shí)間參考信息、圖像編碼類(lèi)型和VBV延時(shí)等信息。圖像頭后面的圖像擴(kuò)展碼給出了運(yùn)動(dòng)圖像、圖像結(jié)構(gòu)、量化因子類(lèi)型和可變長(zhǎng)編碼VLC等信息。</p><p>　　d.在像條層中，像條頭給出了像條垂直位置、量化因子碼等信息。</p><p>　　e.在宏塊層中，宏塊類(lèi)型編碼給出了宏塊屬性、運(yùn)動(dòng)矢量等信息。</p>&l

52、t;p>　　f.最后一層是像塊層，給出了像塊的DCT系數(shù)。</p><p>　　可見(jiàn)，視頻基本碼流中包含了供接收端正確解碼的信息。</p><p>　　4.2 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解碼方框圖如圖4.2所示</p><p>　　由圖4.2可見(jiàn)，接收到的碼流經(jīng)過(guò)TS

53、流解復(fù)用和視/音頻PES包解復(fù)用后輸出視頻基本流（ES）和運(yùn)動(dòng)矢量（MV）。ES經(jīng)反量化（IQ）和反DCT（IDCT）后輸出重建的宏塊差值△MB。</p><p>　　解碼框圖中沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)估計(jì)電路，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)器中讀出匹配宏塊MB0，在加法器中與宏塊差值△MB相加，還原出相應(yīng)的P、B圖像塊。</p><p>　　在幀重排內(nèi)得到一組GOP解

54、碼圖像后，重排成編碼時(shí)輸入顯示圖像的原始序列。由于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)，</p><p><b>　　圖4.2解碼器框圖</b></p><p>　　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>　　MPEG-2解碼與編碼電路不是一一對(duì)應(yīng)的，編碼復(fù)雜，解碼簡(jiǎn)單。因?yàn)?，解碼所需

55、要的許多參數(shù)和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值和量化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行了。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)這次數(shù)字視頻信號(hào)源的編碼器和解碼器的研究的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了許多知識(shí)，不僅給我開(kāi)闊了思路，而且還讓我認(rèn)識(shí)到了自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)知識(shí)的不足。</p><p>　　在這次課

56、程設(shè)計(jì)當(dāng)中我碰到了許多問(wèn)題，我曾經(jīng)接觸過(guò)這方面的書(shū)籍和實(shí)物，也對(duì)其有一些簡(jiǎn)單的了解。但是卻不知道具體的工作原理，當(dāng)我拿到課程設(shè)計(jì)的題名后完全不知道該怎么辦好，在指導(dǎo)老師董雪峰的悉心指導(dǎo)下，我明白了其中的道理，于此同時(shí)我通過(guò)大量地閱讀和查閱相關(guān)的資料，最終此次課程設(shè)計(jì)才得以完成。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我懂得了在以后的學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中要不斷地完善自我、努力上進(jìn)、刻苦鉆研力爭(zhēng)在電子信息行業(yè)有一個(gè)好的發(fā)展

57、和結(jié)果。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是自己在大學(xué)中的一段經(jīng)歷，從設(shè)計(jì)之初的無(wú)從下手到設(shè)計(jì)工作的圓滿完成，期間遇到了諸多的問(wèn)題和困難。但在董老師的細(xì)心指導(dǎo)和幫助下，通過(guò)自己的努力，最終這些問(wèn)題與困難都得到了圓滿解決。使我可以按時(shí)課程設(shè)計(jì)并使自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與綜合能力都得到了相應(yīng)的提高。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，董老師在百忙中對(duì)我的設(shè)

58、計(jì)進(jìn)行了指導(dǎo)。他首先細(xì)致地為我解題；當(dāng)我迷茫于眾多的資料時(shí)，又為我提綱挈領(lǐng)、梳理脈絡(luò)，使我確立了本文的框架。感謝董老師對(duì)我的課程設(shè)計(jì)不厭其煩的悉心指導(dǎo)。在課程設(shè)計(jì)寫(xiě)作當(dāng)中中，每次都能恰逢其時(shí)地得到董老師的親切指點(diǎn)。從框架的完善，到內(nèi)容的擴(kuò)充；從行文的用語(yǔ)到格式的規(guī)范；董老師都嚴(yán)格要求，力求完美。而且我還從董老師那里學(xué)到了嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)、認(rèn)真的工作態(tài)度和極強(qiáng)的敬業(yè)精神。我再次為董老師的耐心付出表示感謝。</p><p>

59、;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 蔣秀華.現(xiàn)代電視機(jī)原理[M]. 北京高等教育出版社，2008. </p><p>　　2. 李海霞.電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M]. 鄭州黃河科技學(xué)院，2008. </p><p>　　3. 裴昌辛.電視原理與

60、現(xiàn)代電視系統(tǒng)[M]. 西安.西安電子科技大學(xué)出版，1997. </p><p>　　4. 趙堅(jiān)勇.電視原理與接收技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　5. 劉達(dá).數(shù)字電視技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007. </p><p>　　6. 解玉琢.MPEG-2運(yùn)動(dòng)圖