Transcript 10 数字图像通信系统
数字图像通信系统 电子信息工程学院 霍炎 [email protected] 第10章 数字图像通信系统 10.1 概述 10.2 数字图像通信原理 10.3 数字传真通信 (自学) 10.4 活动数字图像通信系统 2 10.1 概述 图像通信是一种视觉通信， 已成为当代通信领 域主要手段之一。 图像通信传送和接收的图像信息可以是静止的 或活动的 图像信息可以采用模拟或数字的形式进行传送， 传送和接收数字图像信号的通信系统就是数字 图像通信系统 3 10.1.1图像通信的特点 直观性强 ---图像表示形象直观，易于理解。 数据量大 ---数字图像的数据量比语音要大一个数量级，比文本数 据大两个数量级。 信息确切性好 ---与听觉获取相比，视觉获取的信息内容更容易确认， 不易发生歧义。 4 10.1.2 图像通信的分类 按业务性质分 传真、可视电话、会议电视、图文电视、有线电视、高清晰度 电视和智能用户电报等。 按图像信息内容的运动状态分 静止图像通信 活动图像通信 按采用的传输技术分 模拟图像通信 数字图像通信 5 10.1.3 数字图像通信系统的组成(1/5) 编码器 输 入 设 备 信 源 编 码 器 解码器 信 道 编 码 器 信 道 信 道 解 码 器 信 源 解 码 器 显 示 设 备 6 数字图像通信系统的组成（2/5） 输入设备 输入设备产生静止或活动的图像信号，例如电视 摄像机、录像机、扫描仪、传真扫描头和电子黑 板等都可作为产生图像的输入设备。 7 数字图像通信系统的组成（3/5） 编码器 信源编码器 模拟的图像信号转换为数字信号 压缩图像信号。 信道编码器 将信源编码器输出的比特流转变为适合信道传输的形 式 包括差错控制编码和调制，以及数据打包和传输层控 制等。 8 数字图像通信系统的组成（4/5） 信道 提供让信号通过的通道，同时也会对信号产生 限制和损害 狭义信道为传输媒质 广义信道还包括相关的转换器和设备，因此， 电话网、移动通信网和因特网等网络是广义信 道。 9 数字图像通信系统的组成（5/5） 解码器 解调器、解码器分别是上述编码器和调制器的 逆过程 显示终端 用来显示被复原的图像的设备，可以是电视荧 光屏、液晶显示屏、打印机、图像拷贝机等 10 10.2 数字图像通信原理 模数变换 图像压缩编码 数字传输、宽带接入与交换等关键技术 11 10.2.1图像信号数字化(1/3) 原始图像的数字化包括以下三个过程 空间位置的数字化 --- 采样 幅度值的数字化 --- 量化 编码 12 图像信号数字化(2/3) 空间位置的数字化 本质上就是对连续分布的空间位置进行 抽样，选取有限个位置来表示整幅图像。 在二维空间中，包括垂直和水平两个位 置或方向的数字化。 • 在垂直位置上进行扫描，即用若 干等距离的水平扫描行来表示图 像； • 在水平方向上进行抽样，即按照 一定的间隔选取信号 图像信息的像素点 13 图像信号数字化(3/3) 幅度的数字化 量化：用有限的幅度值来表示连续变化的幅度值 编码 编码使用的码字位数与量化级数有关，量化级数多 固然可以减小量化误差，但是编码时使用的码字位 数也多，占用的传输带宽也越大 14 10.2.2 数字信号的压缩与编码(1/2) 为什么要进行压缩 压缩的必要性： • 数字图像包含巨大的信息量，为了有效地存储和在有 限的信道中传输图像信息，有必要对图像信息进行压 缩 压缩的可能性 图像信息包含有用的信息和无用的多余信息，消除多 余信息可以节约码字，达到数据压缩的目的。 图像通信允许图像编码存在一定失真 15 数字信号的压缩与编码(2/2) 图像压缩的原理和方法 压缩编码：在保证一定的图像质量和满足要求 的前提下，减少原始图像数据量的处理过程 两种基本思路 利用图像固有的统计特性，从原始图像中提取有效的 信息，尽量去除冗余信息，例如减少相邻像素之间、 相邻帧之间的冗余信息 利用人的视觉特性，力图发现人眼是根据哪些关键特 征来识别图像，然后根据这些特征来构造图像模型 16 无失真编码(1/2) 压缩编码时不丢失有效信息，编码后的复原图 像与编码前的原始图像完全相同 两种典型方法：Huffman编码和算术编码 17 Huffman编码方法 Huffman编码是最常用的一种变长编码方法； 核心是用变长的码字来表示不同发生概率的事件 确定表示不同概率事件的码字是关键； 这种码字的特点是：在码字集合中任一码字都不能是其 他码字的字头； 事件 A B C D 发生概率 40% 35% 15% 10% 定长编码 00 01 10 11 Huffman编码方法 编码方法： •将事件按照概率递减排列； •将最小两个概率相加，得到一个新的概率，重复第一步，直到概率和为1（终点）； •对每次组合的上边指定为1，下边为0（也可以相反）； •画出每个事件到终点的路径，路径从终点到事件源点所经过的01码就是编码值； 0 A：40% 1 0 B：35% C：15% D：10% 100% 60% 0 25% 1 1 表示各事件的码字分别是：A-1、B-00、C-010、D-011 19 Huffman编码性能分析 假设：以上事件发生100次； 采用定长编码： 总码长＝每事件码长×100=200； 每事件的码长为2 bit/symbol 采用Huffman编码： 总码长=40*1+35*2+15*3+10*3=185 平均每事件的码长=1.85 bit/symbol 熵的计算 E=-0.4log2(0.4)-0.35log2(0.35)-0.15log2(0.15)-0.1log2(0.1) =1.808 从熵的角度分析：可见变长编码的作用 Huffman编码总结 Huffman编码是变长编码的最常用的一种； 基本方法是先对图像数据扫描一遍，计算出各种像素出 现的概率，按概率的大小指定不同长度的唯一码字，由 此得到一张该图像的Huffman码表。 实际应用中，Huffman编码也常与别的编码方法一起结 合起来使用。如把Huffman编码与增量调制编码结合起 来对图像进行编码，得到的压缩比要比采用单一的编码 方法所得的压缩比高，效果更好。 算术编码 算术编码的特点 不需要Huffman编码的码表，具有自适应能力； 较为复杂； 在JPEG, JBIG中得到应用； 基本原理：也是基于概率分布的一种变长编码 编码前提条件 编码过程中信源符号的概率分布不变； 基本的实现方法 根据信源符号概率分布在0～1之间划分； 对于第一个信源码确定所在区间，接下来的信源码在前面确 定的区间内再进行划分确认；依次进行； 最后对确定的区间所代表的实数进行编码； 算术编码举例 映射到实线的范围为 [0, 1] 概率的排列顺序可以随意，但是解码时必须保持相同的排列顺序 各个符号被分成不同的部分: 1: [0, 0.8): 0, 0.799999…9 2: [0.8, 0.82): 0.8, 0.819999…9 3: [0.82, 1): 0.82, 0.999999…9 算术编码举例 (编码) 编码：输入符号为1321 编码终止: Encode the lower end (0.7712) to signal the end 难点：对于长的符号序列编码时需要很高的精度；只有整个序列都 被处理后才有输出 算术编码举例 (编码的Pseudo Code) low=0.0, high=1.0; while (not EOF) { n = ReadSymbol(); RANGE = HIGH - LOW; HIGH = LOW + RANGE * CDF(n); LOW = LOW + RANGE * CDF(n-1); } output LOW; 此程序中有3个主要参数：low ，high和range，只需知道两个 就可以 CDF是该符号的概率分布函数 算术编码举例 (解码) 缺点: 每一步都需要重新计算所有的门限值 算术编码举例 (一种简单的解码方法) 解码公式 x x low range Huffman和算术编码比较 Huffman Coding: The Retired Champion Arithmetic Coding: The Rising Star 用码字来代替输入的符号 需要概率分布 难以适应变化的统计特性 需要存储码字表 最小码字的长度是1 bit 用一个的浮点数代替完整的输入 自适应编码实现容易 不需要保存和发送码字表 可以实现小于1的码字长度 总体效果：算术编码可以得到更接近熵的编码效果，目前在一些新的图像 编码算法中采用 其他无损编码方法 行程编码（run length code） 基本思路： 用重复数据的行程和一个重复数据来表示所有 的重复数据； 例如：0000111117777777777444444444 可以记做: (4,0)(5,1)(10,7)(9,4) 广泛的应用于： 一般的数字图像压缩； 文件数据压缩； 在传真标准中得到了广泛的应用。 其他无损编码方法 字典编码 也是对重复代码采用替代的方法来表示，目的就是减少数据 冗余； 有两种方法： 第一种方法： 对于后面的重复数据用一个“指针”表示，指向前面的数据 ； LZSS算法就是这样 第二种方法： 对数据创建一个“字典”，用字典中的索引来表示数据； LZW算法 限失真编码 压缩编码后可能造成失真，编码后的复原图像与编码前 的原始图像有差别 预测编码、离散余弦变换 注: A´是A在下一帧的对应点 A´ A´ A 第N帧 B A 第N-1帧 (a)没有运动位移 第N帧 第N-1帧 (b)有运动位移 31 10.2.3 数字图像信号的编码标准 三大系列：H.26x、JPEG和MPEG 三大组织 国际电信联盟远程通信标准化组 ITU-T: ITU for Telecommunication Standardization Sector 国际标准化组织ISO: International Organization for Standardization 国际电工委员会IEC: International Electro-technical Commission 32 H.261标准 第一个视频压缩编码国际标准，由ITU-T颁布，在ISDN 上开展可视电话和会议电视 数据速率为每秒64千比特~192千比特(N64 kbps) 仅支持CIF和QCIF两种图像格式 图像数据被划分为四个层次原始图像即为图像层、块组 层、宏块层、子块层 预测编码与DCT相配合的混合编码方式 33 H.263标准（1/2） H.263核心仍然是DPCM/DCT混合编码，也采用了四层 的分层结构进行编码 与H.261标准不同之处是，H.263做了一些修改或扩充 支持CIF、QCIF和另外三种图像格式，它们的分辨 率分别为QCIF分辨率的一半、4倍和16倍。 预测编码估值精度可以达到半个像素 增加了四种可选项以提高编码效率 采用算术编码代替Huffman编码，编码效率更高。 34 H.263标准（2/2） H.263＋进一步提高了压缩编码性能 支持更多的图像格式类型，允许自定义图像的尺寸 采用更好的编码方法 通过一些技术增强了图像信息在易误码、易丢包的 网络环境下的传输 。 35 JPEG标准 主要用于连续彩色静止图像的数据压缩 以DCT技术为基础，能够提供较好的图像质量和较高的 压缩率 由ISO和ITU-T于1991年联合公布 36 JPEG 2000 支持各种类型图像压缩，包括二值图像、多分量图像、遥感 图像、医学图像和合成图像等 在表示像素位数即每像素位低于0.25时，恢复出来的图像具 有较好的细节质量，比原标准具有更好的甚低比特率性能。 对同一码流能同时提供有损或无损压缩。 允许用户自定义感兴趣区域，并对感兴趣区域的图像提供更 好的编码质量。 在通过无线信道传输时码流具有良好的抗误码性能，并采用 数字水印技术提高图像安全保护性能。 采用了压缩率更高的小波变换方法 37 MJPEG标准 JPEG标准也用来对活动图像进行编码，此时JPEG把视 频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，即所谓 Motion JPEG，简称为MJPEG 目前JPEG被广泛应用在各种应用场合，比如一般的图 片、医疗图片、卫星图片的保存和传输，多媒体应用和 广播电视后期制作等 38 MPEG标准 活动图像及其声音的数字编码标准 包 括 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7 和 MPEG21等多个版本 比其他数据压缩标准兼容性好，能够提供更高的压缩比 率，对数据造成的损失小 39 MPEG-1 用于数据传输率不超过每秒1.5兆比特的数字存储媒体 上活动图像及其伴音的编码 编码方法采用了改进的运动补偿、DCT和量化等技术 支持的典型数据传输速率为每秒1.5兆比特，此时提供 的图像质量与家用录像系统的质量相当 最高编码速率可达每秒4兆比特~ 5兆比特，随着速率的 提高，解码后的图像质量有所降低 应用于VCD、MP3和数字电话网络上的视频传输，如视 频点播，它也可被用来在因特网上传输音频 40 MPEG-2 适用于每秒1.5兆比特～60兆比特，甚至更高数据速率的编码，编 码码率从每秒3兆比特～100兆比特 特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为标准数字 电视和高清晰度电视的编码标准 应用范围更广，包括了MPEG-1的工作范围 区分不同类型的应用，对不同应用下的图像提供不同级别的图像 质量，即低级、主级、高级和更高级 低级图像质量与 MPEG-1相同 主级图像质量相当于演播室图像质量 高级和更高级图像质量相当于高清晰度电视质量 由于MPEG-2的功能包括了MPEG-3，后来MPEG-3被取消 41 MPEG-4 (1/3) 针对数字电视、交互式图形应用、交互式多媒体整合和 压缩技术的需求而制定 不只是具体的压缩算法，它将众多的多媒体应用集成在 一个完整的框架内，目的是为多媒体通信及应用环境提 供标准的算法和工具，从而建立起一种能被多媒体传输、 存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式 42 MPEG-4(2/3) “基于对象编码”的概念 将一幅图像分成若干在时间和空间上相互联系的视频、 音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然 后再对不同的对象分别解码，再组合成所需要的视频和 音频 好处 便于对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法，在 压缩效率与解码质量间得到较好的平衡 使得数据的接收者不再是被动的，具有操纵对象的能力， 可以对不同的对象进行独立的删除、添加、移动等操作。 43 MPEG-4(3/3) 其他特点 提供了更高的编码效率，在相同的比特率下，更 好的视觉听觉质量使得在低带宽的信道上传送视 频、音频成为可能。 MPEG-4还支持具有不同带宽、不同存储容量的传 输信道和接收端，这使得它适用于许多应用场合 主要应用于因特网视音频广播、无线通信、静止图像压 缩、电视电话、计算机图形、动画与仿真和电子游戏 44 MPEG-7 多媒体内容描述接口 是为了快速、有效地搜索用户所需要的不同类型的多媒体信 息而提出的标准 规定了各种类型的多媒体信息的标准化描述，将该描述与所 描述的内容相联系，以实现快速有效地搜索和索引 可以独立于其他MPEG标准使用，但MPEG-4中所定义的音 频、视频对象的描述适用于MPEG-7 不仅包含了MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4标准现有内容的识 别，还包括了更多的数据类型，可以是静止图像、图形、音 频、动态视频以及这些元素的组合。 支持非常广泛的应用 45 MPEG-21 正式名称是“多媒体框架”，又称“数字视听框架” 它是在电子商务蓬勃发展的背景下应运而生的产物，是为了解决 新市场所面临的问题 如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品” 如何保护多媒体内容的知识产权 如何为用户提供透明的媒体信息服务 如何检索内容; 如何保证服务质量等而制定的标准 目标是建立一种高效、透明和互操作的真正跨平台的多媒体框架， 实现在各种不同的网络间的数据交换，完成内容描述、创建、发 布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权保护、终端 和网络资源抽取、事件报告等功能。 46 10.2.4 数字图像的传输 除了压缩编码，数字图像通信系统的关键技术还包括 用户的接入网络 数据的传输网络 信息的交换网络 47 数字图像的传输 两种数字传输方式 基带传输 直接传输数字化后的图像信号 实现简单，但是传输距离有限 频带传输 长距离传输 将基带信号进行数字调制，然后再将调制后的信号 送上信道传输 48 信道差错编码 常规的信道差错编码 检错重发、前向纠错和混合纠错等多种编码方式 图像通信系统采用的差错编码技术 前向纠错编码 增加信源编码差错控制的能力 联合设计信道编码与信源编码以提高图像信息传输 的抗干扰性能 49 数字调制技术 重要性 可以在相同的信道带宽下传输更多的图像数据 可以提高图像信号传输的可靠性 常用的数字调制方法 多进制相移键控、多进制正交幅度调制、网格编 码调制、正交频分复用调制、编码正交频分复用 调制和残留边带调制等 50 正交频分复用调制 简称为OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 基本思想 将高速率的串行数据转换为多个低速率数据流，每个低速率数 据流分别用一个载波进行调制，则组成一个使用多载波同时进 行调制的并行传输系统 优点 采用大量（N个）子载波的并行传输，在相等的传输数据率下， 在时域内OFDM码字长度是单载波的N倍，抗码间干扰的能力 可显著提高 与一般的频分多路复用方式不同，OFDM的频率利用率较高 51 其他数字调制技术 编码正交频分复用调制COFDM: Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing，先将图像信号经过信道编码，成为数 据符号，再进行OFDM调制。由于COFDM调制抵抗多径效 应的能力强，所以可以用于地面传输固定接收，也可用于便 携和移动接收 残留边带调制是一种特殊的振幅调制方式，它是在双边带调 幅的基础上，保留信号的一个边带的大部分频率成分，而对 于另一个边带只保留频率成分的小部分（即残留）。这种调 制方法既比双边带调幅节省频谱，又比单边带调幅易于解调。 它的缺点是抗多径效应的能力差，在移动接收方面，效果令 人不满意 52 交换网络 重要性 不仅使多台通信终端共享传输媒质，而且完成网络 中任意用户的相互连接 交换方式往往决定了通信网络的总体运行方式和网 络性能，从而也对用户终端类型和接入方式提出了 相应的要求。 目前通常使用的交换网络包括 公用交换电话网、综合业务数字网、ATM网、宽 带IP网和无线网铜线接入 53 公用交换电话网 PSTN: Public Switch Telephone Network 规模最大、历史最长，也是最成熟的公共通信网 主要是为传输话音信号而设计建造的电路交换网络，在 PSTN上传输图像信号需要依靠调制解调器，将图像信 号转换为适合电话线路传输的形式。借助现代数字通信 技术，例如ADSL技术，PSTN提供的数据传输速率已达 每秒兆比特。 54 综合业务数字网 ISDN: Integrated Service Digital Network） 接入、交换和传输都是数字的通信网络，它提供了用户端到 用户端的数字连接，用户通过有限的一组标准用户网络接口 连接到网络上 与PSTN相比，ISDN采用了更为灵活的交换方式，可以根据 用户的不同业务需求，为话音业务和非话业务提供不同的交 换方式 ISDN传输速率为每秒64千比特的整数倍，（整数倍数从1到 32），最高传输速率仅为每秒2兆比特（准确地说，应该为 每秒2.048 兆比特），比较适于传输低速图像，但是难以适 应高速图像通信的带宽需要 55 异步传输模式 ATM, Asynchronous Transfer Mode 是宽带综合业务数字网B-ISDN: Broadband Integrated Service Digital Network 一种快速分组交换技术，一方面，将数据流分成固定长度的 数据包或分组，称为信元；另一方面，使用统计时分复用技 术，信元像同步时分复用的时隙一样定时地出现，从而可以 对信元进行高速识别和交换处理，因此ATM既具有电路交换 固定短时延的特性，又具有分组交换动态分配资源的优点。 ATM提供的用户传输速率从每秒1兆比特到几吉比特，支持 从窄带话音、数据到高清晰度电视等各种广泛的综合业务， 是图像通信系统中最受欢迎也是使用最广泛的交换网络 56 IP网(1/2) 仅次于PSTN的第二大通信网络，使用TCP/IP协议进行 工作的计算机通信网，例如，计算机局域网和因特网 IP网通信过程简单，通信效率高 使用统一的IP地址，便于实现不同终端设备的互通和不 同结构的网络的互连 能够在局域和城域范围内提供每秒千兆比特和每秒万兆 比特的传输速率，提供宽带信息承载平台 57 IP网(2/2) 可以利用为数众多的计算机网络开展图像通信业务，可 以方便地与各种IP网络互连互通，既可以保证高效率、 高性能，又可以降低成本 先天缺陷是没有服务质量的保证，不能保证图像和多媒 体通信业务实时传输的要求。 近年来人们采取了不少措施，包括因特网资源预留协议、 IPv6和实时传输协议等 58 无线网络 无线分组通信网 以地面区域及蜂窝服务设计的网 以微小区域设计的局域或广域计算机网 以低轨道卫星实现的全球移动分组数据网 使用的无线信道可以是中波、短波、超短波、微波、 卫星等 59 10.3 数字传真通信 10.3.1 传真分类 10.3.2 传真通信系统组成及工作原理 10.3.3 三类传真机 60 10.4 活动数字图像通信系统 10.4.1 可视电话 10.4.2 数字高清晰度电视系统 73 10.4.1 可视电话 可视电话是指通话的同时可以看到对方的形象，显示的 是活动图像。 在实际应用中，有些可视电话显示的是静止图像，声音 和图像信号在模拟电话网中被交替传送，即传送图像时 不能通话。这种显示静止图像的可视电话称为静态图像 可视电话，显示活动图像的可视电话称为动态图像可视 电话，又叫电视电话。在本书中，如果没有特别说明， “可视电话”指的都是动态图像可视电话。 74 可视电话系统组成(1/5) IP上的可视电话见第11章 ISDN上的可视电话 遵循H.320标准系列 规定了综合业务数字网ISDN上的可视电话系统和终 端，不仅包括视频编码（采用的是H.261标准）、分 频、信号和建立连接的系列标准，还包括音频压缩 算法标准，它对可视电话的发展起了重要的推动作 用 75 可视电话系统组成(2/5) H.320可视电话机 H.320可视电话机 交换通信网 H.320可视电话机 H.320可视电话机 76 可视电话系统组成(3/5) 三种不同的传输方案 将图像和声音复用在一个B通道中传输，例如图像使用该 B通道64 kb/s带宽中的48 kb/s，声音使用剩余的16 kb/s 使用两个B信道分别传输图像和声音信号 将两个B信道合并为一条128 kb/s的信道同时传输图像和 声音，比如图像使用112 kb/s，声音使用16 kb/s 交换通信网也可以采用混合网络的形式，在远距离传输 时，通信网采用ISDN的B通道或专用的64 kb/s 77 可视电话系统组成(4/5) PSTN上的可视电话 遵循H.324标准系列 H.324标准系列由国际电信联盟在1996年制订，可以 实时传输视频、音频和数据等信息形式，其中的视 频压缩标准是H.263 78 可视电话系统组成(5/5) 视频 视频编解码器 H.263/H.261 音频 音频编解码器 G.723 数据 数据协议 T.120 控制系统 控制协议 H.245 接收延时 复用/解复用 H.223 调制解调器 V.34/V.8 调制解调器 控制v.25 PSTN 多点 控制 单元 H.324终端 79 可视电话终端(1/3) 可视电话系统中的重要部件 分类 独立式的可视电话终端 机顶盒型可视电话终端 基于个人计算机的可视电话终端 80 可视电话终端(2/3) 独立式的可视电话终端，又叫桌面式可视电话，它将普 通电话机、数码摄像头、高清晰液晶显示器和多媒体压 缩处理系统集于一体，可以在PSTN或ISDN上实现语音和 彩色图像的高速同步传输。 机顶盒型可视电话终端在普通电话机之外，配置了带有 数字摄像头的外置式电视机顶盒，机顶盒内置了视频、 音频等处理芯片和高性能调制解调器等。这种终端需要 与一台电视机配合使用，可以工作在PSTN和ISDN上 81 可视电话终端(3/3) 基于个人计算机的可视电话终端是指在计算机上安装摄 像头、图像处理板、语音输入和输出设备（例如麦克风 和扬声器），以及可视电话应用软件后的可视电话终端。 目前上市的此类终端主要有符合H.324标准和H.323标准 的 可 视 电 话 系 列 。 符 合 H.324 标 准 的 可 视 电 话 工 作 在 PSTN上，通过普通电话线实现双方可视电话通信；符合 H.323标准可视电话通过因特网和局域网实现双方可视电 话通信 82 10.4.2 数字高清晰度电视系统 数字高清晰度电视(HDTV)，指电视节目的制作、传输和接收 等各个环节都是以数字方式进行的电视系统，所以它是全数字 化的电视，清晰度可以达到传统电视的一倍以上。 采用两种扫描方式，既可以是水平方向为1920个像素点，垂直 方向为1080个像素点（表示为1920×1080）的隔行扫描，也可 以采用1280×720逐行扫描。显示方式采用大屏幕和宽高比 （例如16:9），在观看距离为屏幕高度的3倍时，为观众提供 接近或相当于观看真实景物的效果，并相当于35 毫米电影放 映的图像质量 83 特点 垂直和水平分辨率是现行的模拟电视的两倍，因此，与模拟电 视相比，HDTV显示画面的清晰度更高 克服了现行电视重影、同频干扰严重、图像不稳定、图像清晰 度低等缺陷，不存在现行电视的一切图像损伤 16:9的宽高比显示方式更接近人类自然视域，数字声音压缩技 术又能够传输5.1声道环绕声，突破了现有电视声音的模拟声 道限制，伴音质量相当于激光唱片，因此，HDTV实现的现场 感更接近于真实景物 采用了数字制作、数字传输、数字存储和数字显示技术，作为 全数字化电视，它与现行的电视制式不能兼容 84 系统组成(1/3) 系统组成 三个主要的HDTV系列标准来自日本、欧洲和美国 HDTV系统主要由信源压缩编码子系统、业务复用与传输 子系统、射频发送子系统三个部分组成。 信源压缩编码子系统 视频流 视频压缩编码 音频流 音频压缩编码 业务复用与传输子系统 业务 复用 传输 射频发送子系统 信道编码 调制 信道 辅助数据 85 系统组成(2/3) 信源压缩编码子系统使用不同的压缩标准对视频流、音频流及 其辅助数据进行压缩编码。视频压缩编码采用MPEG-2标准， 完成视频信号的压缩编码和相关辅助数据的处理。音频压缩编 码采用Dolby AC-3数字音频压缩标准，完成声音的压缩编码及 其相关辅助数据的处理。 业务复用与传输子系统的主要功能是对压缩编码子系统输出的 视频码流、音频码流和辅助数据码流进行分组和标识，并将这 些不同的信号流复用成单一码流进行传输。同时，在传输过程 中考虑各种数字传输媒体，例如地面广播、有线分配、卫星分 配和数字存储媒体的特性和互操作性。复接和传输标准采用 MPEG-2的传输码流语法 86 系统组成(3/3) 射频发送子系统包括信道编码和调制。信道编码的目的是通过 在传送的码流中附加冗余信息，以检测或纠正传送过程产生的 差错。调制部分将要传输的数字码流变换成适合相应信道特性 的射频信号，发送出去。在采用地面广播传输时，调制技术通 常采用八进制残留边带调制；当使用的是高码率的有线传输时， 通常使用十六进制残留边带调制技术。 由射频发送子系统发射出来的信号通过信道到达用户端。位 于用户端的接收机一般由机顶盒和显示器组成。机顶盒负责接 收和解调射频信号，并完成信道信源解码。显示器主要完成高 清晰度图像显示和声音播放 87 视频编码(1/3) 在HDTV中，由于采用了高的像素和扫描行数，亮度信号占用的 频带宽度是普通模拟电视的5倍；加上采用分量形式传输色度信 号，总的频带宽度高达30 MHz。当采用1920×1080隔行扫描，亮 度分量与色度分量比例为4:2:2格式时，数字化后的总数据率高达 900 Mb/s以上。信息量如此大的信号必须经过压缩才能够在通信 信道中传输。HDTV系统的视频压缩编码的主要功能就是在保证 图像质量的前提下，将数字视频码流按30:1到50:1的压缩比率压 缩到每秒20兆比特~24兆比特左右以内。可以说，视频信号的压 缩编码技术是保证HDTV系统质量的核心技术 带运动 补偿帧 间编码 DCT编码 自适应量化 变字长编码 缓存器 输出 88 视频编码(3/4) 包括帧间编码、DCT编码、自适应量化、变字长编码、缓存 器控制和信源前后预处理等，其中，运动补偿、DCT 变换系 数的自适应量化和缓存器控制是HDTV系统中图像信号压缩编 码三个相互关联的关键技术。 输入的视频信号首先进行带运动补偿的帧间预测编码，帧间 预测编码方法利用相邻帧对应像素之间的相关性来降低图像 信息的冗余度。帧间预测编码的输出码流接着进行DCT编码。 这里DCT编码采用的是自适应的量化器，由输出缓存器根据 视频图像的统计特性自动控制量化级数。量化器输出的码流 再经过变长编码完成进一步的数据压缩。HDTV通常使用的变 长编码为Huffman编码。 89 视频编码(3/3) 编码器输出的数据流以变化的比特率写入缓存器 缓存器以标称的恒定比特率向外读出数据输送到传输系统 为了防止由于写入快读出慢或者写入慢读出快而导致缓存器 溢出，需要进行缓存器控制。 当编码器的瞬时输出速率过高，向缓存器写入数据的速度过 快时，就减少量化级数减少，增大量化步长以降低编码输出 的数据速率 当编码器的瞬时输出速率过低，向缓存器写入数据的速度过 慢时，就增加量化级数，减小量化步长以提高编码数据速率 90 本章小结和知识点 图像通信的特点 图像通信系统的组成 图像信息的压缩和编码 图像信息的传输 图像通信标准 可视电话 数字高清电视 91 数字图像通信的基本原理是什么？涉及哪 些关键技术？ 一次数字图像通信都要经历图像信号的采集、 处理、传送、接收和图像重建等过程。首先把 采集到的模拟图像信号数字化，然后压缩编码 数字图像信号，最后传输压缩后的数字图像信 号。这些过程涉及的关键技术包括模数变换、 图像压缩编码、数字传输、宽带接入与交换等。 92 为什么离散余弦变换编码能取得较好的数 据压缩效果？ 离散余弦变换是一种预测编码，但是它对预测 差值并不直接编码，而是先把它变换到频率域 中，再进行编码。图像信息经过变换处理后， 成为频域矩阵，矩阵元素为非零系数和零系数 两种。在实际传输中，只有代表低频分量的非 零系数才被传输，而零系数则被抛弃，因此， 能够有效地压缩数据。 93