數(shù)字視頻信號(hào)源的編碼器和解碼器的研究

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課程設(shè)計(jì)說明書 第19頁 摘 要 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)字化后所帶來的海量數(shù)據(jù)量如何能夠有效地存儲(chǔ)和傳輸?shù)膯栴}。近20年來，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。 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)算法來說，編碼器無疑要有非常高的處理速度，這樣給實(shí)際應(yīng)用開發(fā)帶來了極大困難。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。 關(guān)鍵詞：視頻/音頻壓縮編碼技術(shù) ，編碼器，譯碼器 目 錄 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 1.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況 1 1.2數(shù)字電視的基本組成 3 2視頻壓縮編碼的方法 3 2.1莫爾斯碼與信源編碼 4 2.2差值脈沖編碼 4 2.3預(yù)測(cè)編碼基本原理 4 2.4游程長度編碼 6 2.5霍夫曼編碼 7 2.6運(yùn)動(dòng)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼 8 3 MPEG-2編碼器原理 10 3.1 MPEG-2的編碼方式 10 3.2 PAL解碼器 13 3.3 MPEG-2視頻編碼器 14 4 MPEG-2解碼器原理 15 4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu) 15 4.2 MPEG-2解碼 16 總 結(jié) 17 致 謝 18 參考文獻(xiàn) 19 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) 1.1數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展概況 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、傳輸、接收的全過程都采用數(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)： (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)； (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，可完全滿足用戶自由收看電視節(jié)目的個(gè)性化要求； (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接收的數(shù)字化，以前模擬方式無法提供的服務(wù)都將成為可能，如電視網(wǎng)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)的開展將變得更加容易； (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?？傊瑪?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。 數(shù)字電視在我國具有強(qiáng)大的國家、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的精神文化需求提供強(qiáng)有力的技術(shù)和市場基礎(chǔ)，為廣播電視事業(yè)的大繁榮大發(fā)展帶來了歷史良機(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，全國有線數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換城市超過100個(gè)，其中33個(gè)城市實(shí)現(xiàn)全市用戶數(shù)字化整轉(zhuǎn)，全國數(shù)字電視用戶已達(dá)4450萬戶。 圖1.1顯示我國數(shù)字電視用戶在2003-2008年間的快速發(fā)展規(guī)模和占全國電視用戶量的比例，5年用戶增長了158.9倍，比例增長了13個(gè)百分點(diǎn)。圖1.2、表1.1則給出了華北等六個(gè)地區(qū)2007-2008兩年的數(shù)字電視用戶及在本地區(qū)所占 圖1.1 2003-2008年全國數(shù)字電視用戶規(guī)模和所占比例圖 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)。另據(jù)國內(nèi)In-Stat和絡(luò)達(dá)咨詢的研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到2009年底我國數(shù)字電視規(guī)模將達(dá)8522萬戶，2010年將達(dá)到1.0284億戶，2011年將達(dá)到1.1165億戶，2012年將達(dá)到1.1606億戶。 圖1.2 2007年與2008年不同地區(qū)數(shù)字電視用戶所占比例 雖然我國數(shù)字電視在發(fā)展上具備很多優(yōu)勢(shì)，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)字電視整體上仍然處在發(fā)展的初期階段，尚存在很多的問題。概括的說，有廣電體制方面因素，條塊分割、性質(zhì)單一，既難統(tǒng)一規(guī)劃、布局與實(shí)施，又難以引入市場競爭；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；有市場運(yùn)營方面投、融資、運(yùn)行成本高，難以短期盈利的因素；也有運(yùn)營模式、產(chǎn)業(yè)規(guī)范、業(yè)務(wù)性質(zhì)等等因素形成的問題。應(yīng)該說我國數(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)和市場優(yōu)勢(shì)，汲取發(fā)達(dá)國家發(fā)展數(shù)字電視所遇到的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，規(guī)避市場風(fēng)險(xiǎn)，就一定能推動(dòng)我國數(shù)字電視的大發(fā)展。 表1.1 2007年與2008年不同地區(qū)數(shù)字電視用戶所占比較 1.2數(shù)字電視的基本組成 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)和用戶終端系統(tǒng)。 數(shù)字前端系統(tǒng)通常劃分為信源處理、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)主要通過衛(wèi)星、Cable、地面發(fā)射、MMDS等方式將節(jié)目傳送到用戶家中，回傳可采用HFC回傳通道、PSTN和其它網(wǎng)絡(luò)；用戶終端系統(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。 2視頻壓縮編碼的方法 壓縮編碼的方法有幾十種之多，并在編碼過程中涉及較深的的數(shù)學(xué)里理論基礎(chǔ)問題，在此僅介紹幾種常用的壓縮編碼方法。 2.1 莫爾斯碼與信源編碼 莫爾斯碼即電報(bào)碼，其精華之處在于用短碼來表示常出現(xiàn)的英文字母，用長碼來表示不常出現(xiàn)的字母，以減小碼率。 2.2差值脈沖編碼 其原理框圖見圖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。 圖2.1差值脈沖編碼 2.3 預(yù)測(cè)編碼基本原理 由于語音信號(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)樣值都傳輸。這種方法就是預(yù)測(cè)編碼。 語音信號(hào)的樣值可分為可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)兩部分?？深A(yù)測(cè)部分(相關(guān)部分)是由過去的一些權(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，只要把差值序列疊加到預(yù)測(cè)序列上，就可以恢復(fù)原始序列。 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。 圖2.2DPCM原理方框圖 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，在無傳輸誤碼的情況下，解碼器輸出的重建信號(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 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說明了預(yù)測(cè)的原理。 圖2.3 DPCM預(yù)測(cè)原理 由圖2.3可見，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，它是典型的線性預(yù)測(cè)方式。 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)樣值來預(yù)測(cè)，并用表示預(yù)測(cè)值，則 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，線性預(yù)測(cè)中，第n個(gè)預(yù)測(cè)值是過去N個(gè)樣值的線性組合。 2.4 游程長度編碼 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，這樣一來就為游程長度編碼(Runleng th Encoding)創(chuàng)造了條件。所謂游程長度編碼是指一個(gè)碼可同時(shí)表示碼的值和前面幾個(gè)零，這樣就可以把之字型讀出的優(yōu)點(diǎn)顯示出來了。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。 游程長度指的是由字構(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)字符來給出上述三種信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 圖2.4基本游程長度編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 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代表串的長度。游程編碼和哈夫曼編碼等屬于統(tǒng)計(jì)編碼。 2.5霍夫曼編碼 霍夫曼編碼是可變字長編碼(VLC)的一種。Huffman于1952年提出一種編碼方法，該方法完全依據(jù)字符出現(xiàn)概率來構(gòu)造異字頭的平均長度最短的碼字，有時(shí)稱之為最佳編碼，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，可使平均碼長最短。 定理：在變字長編碼中，如果碼字長度嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)符號(hào)出現(xiàn)的概率大小逆序排列，則其平均碼字長度為最小。 現(xiàn)在通過一個(gè)實(shí)例來說明上述定理的實(shí)現(xiàn)過程。設(shè)將信源符號(hào)按出現(xiàn)的概率大小順序排列為 ： 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的 a1~a5組合并重新排序成新的原為： 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。 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。 圖2.5霍夫曼編碼過程 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碼長出現(xiàn)概率；上例為：0.22+0.192+0.183+0.173+0.153+0.14+0.014=2.72 bit；可以算出本例的信源熵為2.61bit，二者已經(jīng)是很接近了。 2.6 運(yùn)動(dòng)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼 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。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來說明這個(gè)過程。 圖2.6運(yùn)動(dòng)處理過程 當(dāng)前幀在過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))，再加上接收到的誤差值，就是當(dāng)前幀了。 圖2.7宏塊在上一幀搜索范圍內(nèi)尋找匹配 圖2.8運(yùn)動(dòng)估計(jì)的全局搜索塊匹配 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1616的塊(稱宏塊)逐個(gè)進(jìn)行的，如圖2.7所示，這是將當(dāng)前幀劃分為NN(1616)的塊。對(duì)每一塊在過去幀中范圍為的范圍內(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。 3 MPEG-2編碼器原理 3.1 MPEG-2的編碼方式 MPEG-2有三種編碼方式：幀內(nèi)壓縮編碼方式, 見圖3.1；幀間壓縮編碼方式，見圖3.2；幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式, 見圖3.3。 圖3.1幀內(nèi)壓縮編碼方式 壓縮就是將視頻信號(hào)中冗余減少的過程,首先必須識(shí)別每個(gè)視頻場和幀中的冗余，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DCT變換來完成，DCT變換是一個(gè)無信號(hào)損失的雙向數(shù)學(xué)過程。它將空間分布的變化程度轉(zhuǎn)變成重現(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)人眼的視覺特性，較高的空間頻率系數(shù)可以少量的比特來表示，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)的可逆性和無損性，常常采用更多的比特來表示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)來完成。對(duì)于活動(dòng)圖像多數(shù)情況下只是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)查找過程稱為運(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)過來，得到其剩余的不同部分的過程稱為運(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)在時(shí)間方向的重復(fù)信息，達(dá)到壓縮的目的。 為了達(dá)到減少數(shù)據(jù)的目的，MPEG-2將4：2：2轉(zhuǎn)換成4：2：0，并且通過量化，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。 圖3.2幀間壓縮編碼方式 在量化過程后，無損數(shù)據(jù)壓縮是通過可變長度編碼VLC和游程長度編碼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。 量化表控制是一個(gè)決定如何量化DCT系數(shù)的過程；輸出緩存可維持?jǐn)?shù)據(jù)流，并提供量化器的控制，從而限制或維持?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)于硬盤記錄來說，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。 圖3.3幀內(nèi)及幀間壓縮編碼方式 幀間壓縮一般是在未壓縮的圖像上進(jìn)行，是一個(gè)無損過程。在圖3.4中，在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為I幀，形成過程見圖3.3；采用幀內(nèi)及幀間壓縮編碼形成的圖像稱為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)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的固定長度加上各種參數(shù)組成傳送碼流TS。 3.2PAL解碼器 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。 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> 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)長度為207個(gè)，187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。 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（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Betacam 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。 圖3.4前處理模塊該模塊 3.3 MPEG-2視頻編碼器 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。 圖3.5視頻編碼硬件原理圖 4 MPEG-2解碼器原理 4.1 視頻基本碼流結(jié)構(gòu) 如圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu)所示： 圖4.1視頻基本碼流結(jié)構(gòu) 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。 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。 c.在圖層中，圖像頭中給出了時(shí)間參考信息、圖像編碼類型和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)、量化因子類型和可變長編碼VLC等信息。 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。 e.在宏塊層中，宏塊類型編碼給出了宏塊屬性、運(yùn)動(dòng)矢量等信息。 f.最后一層是像塊層，給出了像塊的DCT系數(shù)。 可見，視頻基本碼流中包含了供接收端正確解碼的信息。 4.2 MPEG-2解碼 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 由圖4.2可見，接收到的碼流經(jīng)過TS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。 解碼框圖中沒有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)估計(jì)電路，它直接用碼流中傳輸來的運(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。 在幀重排內(nèi)得到一組GOP解碼圖像后，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)， 圖4.2解碼器框圖 相對(duì)于聲音編解碼會(huì)導(dǎo)致畫面滯后于聲音，故需要相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。 MPEG-2解碼與編碼電路不是一一對(duì)應(yīng)的，編碼復(fù)雜，解碼簡單。因?yàn)?，解碼所需要的許多參數(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。 總 結(jié) 通過這次數(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)過知識(shí)的不足。 在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中我碰到了許多問題，我曾經(jīng)接觸過這方面的書籍和實(shí)物，也對(duì)其有一些簡單的了解。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。 通過這次課程設(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)、刻苦鉆研力爭在電子信息行業(yè)有一個(gè)好的發(fā)展和結(jié)果。 致 謝 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)之初的無從下手到設(shè)計(jì)工作的圓滿完成，期間遇到了諸多的問題和困難。但在董老師的細(xì)心指導(dǎo)和幫助下，通過自己的努力，最終這些問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)過程中，董老師在百忙中對(duì)我的設(shè)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。 參考文獻(xiàn) 1. 蔣秀華.現(xiàn)代電視機(jī)原理[M]. 北京高等教育出版社，2008. 2. 李海霞.電視機(jī)原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M]. 鄭州黃河科技學(xué)院，2008. 3. 裴昌辛.電視原理與現(xiàn)代電視系統(tǒng)[M]. 西安.西安電子科技大學(xué)出版，1997. 4. 趙堅(jiān)勇.電視原理與接收技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2007. 5. 劉達(dá).數(shù)字電視技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007. 6. 解玉琢.MPEG-2運(yùn)動(dòng)圖像編碼國家標(biāo)準(zhǔn)及MPEG的新進(jìn)展[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.