消除电视图像中多余信息 时域冗余信息(time-domain redundancy)。相邻图像 之间变化不大。 空间域冗余信息(spatial redundancy)。在同一图像中 ，相邻像素(pixel)变化不大。 利用人眼视觉特征 对亮度变化的敏感度并不高 对色度变化的灵敏度更低 在物体边缘和高亮度区域，对噪声的灵敏度降低。
数字视频压缩及传输技术简介
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Nov, 2005
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简介



模拟视频信号 为什么用数字视频 视频信号的数字化 为什么要压缩数字视频信号，怎么压缩 数字电视压缩及传输标准：MPEG-2/DVB 数字电视的传输，机顶盒怎样解码
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常见传输方式的带宽
传输网 Network 普通电话 Conventional telephone ISDN 专线 T-1 or E1 以太网局域网 Ethernet LAN 有线电视网 Cable TV channel 广播卫星转发器 Satellite transponder 宽带网 Broadband ISDN (ATM) 6 or 8 MHz (64 QAM: 35 Mbps in 8 MHz) 27, 36, 54 MHz (QPSK and 3/4 inner code rate: 55 Mbps in 54 MHz) 100 - 200 Mbps 10 Mbps p x 64 kbps 1.5 Mbps or 2.048 Mbps 0.3 - 56 kbps 带宽 Bit rate

世界上有三个主要彩色电视制式：
NTSC制式主要在北美、日本、台湾使用。 PAL制式主要在欧洲大部分地区、中国等地使用。 SECAM制式主要在法国、俄罗斯、东欧使用。
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模拟视频信号的基本参数
NTSC 电视制式 水平扫描方法 (Scan method) 扫描帧率和场率 29.97 帧/秒 525 行/帧 262.5 行/场 = 15.734 kHz 483 行 (2 x 241.5) 42个消隐行(vertical 6 MHz 25 帧/秒 50 场/秒 625 行/帧 312.5 行/场 = 15.625 kHz 575 行 (2 x 287.5) 50个消隐行(vertical 8 MHz (Frame rate and field rate) 59.94 场/秒 水平扫描行数 (Number of scan lines) 水平扫描频率 (Line frequency) 被显示的水平扫描行 (Visible scan lines per picture frame) 一套节目传输带宽 (RF bandwidth)
621 308 622 309 623 310
Scan Lines (PAL)
Visible Scan Lines (PAL)
注1：PAL制式有625行(每场312.5行)，但在电视机上只显示575行。上面 44行和下面6行是消隐行(VBI)。 注2：对每行进行扫描时，摄像机同时有3个输出信号。PAL制式里这3个信 号分别是：亮度信号Y、色差信号U和色差信号V。
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时域(帧间)冗余信息(1)



时域信息冗余：PAL制式每秒传25帧图像，两帧相邻图像 时间差距是0.04秒。在这么短时间里，图像中大部分没有 变，是重复的。 当主持人坐在演播室里读新闻，除非摄像机在动或变焦距 ，否则演播室的固定背景不会变。在半秒钟 (12.5帧)之内 ，主持人的姿态变化很少；除了头部有变化，图像其它部 分变化很少。 当电视图像背景变化不太大，即使图像中有运动物体，仍 有大量冗余信息。
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时域(帧间)冗余信息(2)



没有变的信息不需要重复传。没有必要以每秒25帧的速度 重复传输图像中没有变的部分。变了再传。 图像静止或活动很缓慢时，可以隔帧处理。 用帧间压缩除去时域里的冗余信息，比单纯采用帧内压缩 的效率要高10倍以上。 在图像中活动缓慢区域，帧间压缩方法效果好，但在快速 活动区域，帧间压缩方法失真大，而帧内压缩方法性能比 较好。
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为什么压缩数字视频信号



如果每个抽样(sample)用10个比特(bit)来量化(quantize)， ITU-R601数字视频信号的最高比特率为270Mbps： (13.5 Msamples/s + 6.75 Msamples/s + 6.75 Msamples/s) * 10 bits/sample = 27 Msamples/s * 10 bits/s = 270 Mbp。 根据ITU-R601标准，每行只显示720个抽样，而且不显示所 有行(PAL显示576行，NTSC显示480行)，不需要传输所有 抽样。所以显示区的比特率是207.36Mbps。 如果传输4:2:0格式信号，显示区比特率是155.52Mbps。 除非能够大幅度地压缩这个数字化的视频信号，一般传输方 法根本无法传输这么大的数据率(每套电视节目大约150 200兆带宽)，数字电视广播也无法成为现实。
Continuous scan lines
Sampled scan lines
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模拟视频信号的数字化(2)



国际电信联盟(ITU)1982年制定了适合不同电视制式的统一 标准，即ITU-R601规定的演播室用(广播级)分量电视信号的 数字化标准。 对每行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮 度分量(luminance)和两个色差分量(chrominance)。 在每行，对亮度分量的抽样频率为13.5MHz，对两个色差分 量的抽样频率分别为6.75MHz。 625行50场制式(PAL和SECAM)：每行有864个亮度 抽样: [13.5兆抽样/秒]/[(15625行/秒)] = 864抽样/行。 525行60场制式(NTSC)：每行有858个亮度抽样。
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数字视频信号的比特率
每行亮度抽样 Total samples/line, Y 每行显示的亮度抽样 Active samples/line, Y 每行显示的色差抽样 Active samples/line, U and V 每帧显示的亮度抽样行 Active lines/frame, Y 每帧显示的色差抽样行 Active lines/frame, U and V 每帧抽样总数 Total samples/frame 每帧显示的抽样总数 Active samples/frame 总抽样率 Total sample rate (samples/s) 被显示的抽样率 Active sample rate (samples/s) 最高比特率 Maximum bit rate (10 bit) 被显示的抽样的比特率 Active sample bit rate (10 bit) ITU-R 601 525/60 NTSC 858 720 360 480 480 900,900 691,200 27 M 20.736 M 270 Mbps 207.36 Mbps ITU-R 601 626/50 PAL 864 720 360 576 576 1080,000 829,440 27 M 20.736 M 270 Mbps 207.36 Mbps SIF (MPEG-1) 429 352 180 240/288 120/144 H.261 CIF (会议电视) 429/432 352 180 288 144 450,450/ 540,000 155,520 13.5 M 4.6656 M 135 Mbps 46.656 Mbps
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Each dotted line square contains 4 Y, 1U, 1V samples
4:2:0 subsampling format
1 interpolated sample of U, V 1 sample of Y only
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4:2:2和4:2:0抽样方式
Each dotted line square contains 4 Y, 2U, 2V samples
4:2:2 subsampling format
1 sample each of Y, U, V 1 sample of Y only
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数字视频压缩的目标

保留图像中所有信息 消除图像中所有多余的信息 用最节省比特的方法传输必须传的信息 最大限度地降低复杂性和成本
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压缩数字视频基本思路
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Nov, 2Leabharlann 057模拟视频信号的数字化(1)

电视信号的数字化有两步，抽样(sampling)和量化 (quantization)： (1) 对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成 离散(discrete)信号。 (2) 把每个抽样的值用8比特(或10比特)位数表示。比特 数位越多，量化就越细，但是数据率也大。超过8比特 ，人眼几乎看不出图像质量的改变。