解析數字電視技術(shù)及其應用

　　人們習慣于用產(chǎn)品的技術(shù)性能指標作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量?jì)?yōu)劣的標志。但這只是一個(gè)方面，還不能反映產(chǎn)品質(zhì)量的全貌。只有既具備良好的技術(shù)性能，又經(jīng)久耐用、充分可靠的產(chǎn)品才能算真正質(zhì)量好的產(chǎn)品。而后者通常用產(chǎn)品的可靠性與壽命來(lái)加以衡量。對于一個(gè)數字系統而言，產(chǎn)品可靠性與壽命包括系統的兩個(gè)終端接口間傳輸通道上所有產(chǎn)品的可靠性與壽命。通過(guò)對使用現場(chǎng)的實(shí)際調查，統計故障次數、記錄每?jì)纱喂收系拈g隔時(shí)間、每次故障的維修時(shí)間等，可以求出該系統的平均故障間隔時(shí)間和平均維修時(shí)間。

　　可靠性是產(chǎn)品在規定的條件下和時(shí)間內，完成規定功能的能力。常用故障率（λ）或平均故障間隔時(shí)間和平均維修時(shí)間來(lái)表征。

　　故障率（λ）表示產(chǎn)品工作到時(shí)間t的條件下，單位時(shí)間內發(fā)生失效的概率，常用10-9/h作為基準單位，稱(chēng)為一菲物（fit）。

　　平均壽命時(shí)間（MTTF）為設備或系統發(fā)生失效前的平均工作時(shí)間。

　　平均故障間隔時(shí)間（MTBF）指相鄰兩次故障的間隔時(shí)間。

　　平均維修時(shí)間（MTTR）是排除故障需用的時(shí)間。

　　七、數字信號壓縮

　　假定傳送1個(gè)頻道電視信號，亮度信號最高頻率設為6MHz,色差信號（R-Y和B-Y）最高頻率設為1.5MHz.根據取樣定理，亮度信號和色差信號的取樣頻率分別應為12MHz和3MHz.若量化分層數目為256,則需用8bit二進(jìn)制電碼來(lái)傳送每個(gè)取樣的量化值。這樣，傳送速率應為（12+3）×8=120Mb/s.如此高的傳送速率要占用很寬的頻帶，大約在100MHz以上。因此，壓縮頻帶寬度是數字電視中一個(gè)重要課題。

　　一幅電視畫(huà)面的各個(gè)像素是相互關(guān)聯(lián)的，在同一行內相鄰像素之間、相鄰兩行之間、相鄰幀之間都有相關(guān)性，這說(shuō)明信息中存在冗余度，去除或減少冗余度便可壓縮傳輸碼率，也壓縮了頻帶。圖像冗余度分空間冗余度（Spatial redundancy）和時(shí)間冗余度（Time redundancy）?？臻g冗余指1幀內規則的圖像或者圖像中相似的內容，這些像素都有很強的相關(guān)性，因此可進(jìn)行幀內壓縮，只對沒(méi)有相關(guān)性的部分進(jìn)行變換編碼；時(shí)間冗余度指各幀之間圖像相似的內容，統計表明，幀間像素變化量一般只有10%左右，因此可利用視頻圖像前、后幀之間的時(shí)域相關(guān)性進(jìn)行幀間壓縮，即從過(guò)去幾幀圖像的內容預測下一幀圖像，僅僅把與前幾幀不相同的數據進(jìn)行預測編碼。此外，人眼對頻率分量過(guò)高的雜波靈敏度較低，同時(shí)對圖像的亮度較敏感而對彩色分辨力弱，人眼對圖像邊緣部分雜波靈敏度也較低，因此可對靈敏度較低部分進(jìn)行壓縮。還可對某些復雜圖像和快速變化圖像可以進(jìn)行要或不要的選擇，以減小數據量。

　　空間冗余度壓縮編碼需首先把圖像劃分成一個(gè)個(gè)子區域，每個(gè)子區域的尺寸可以是1×4、1×8、1×16個(gè)像素（一維情況），也可以是4×4、8×8、16×16個(gè)像素（二維情況），典型的變換編碼為離散余弦變換（DCT,Discrete Cosine Transform）。

　　1、JPEG標準

　　JPEG 是Joint Photographic Experts Group（聯(lián)合圖像專(zhuān)家小組））的縮寫(xiě)。JPEG的壓縮方式通常是破壞性資料壓縮（lossy compression），意即在壓縮過(guò)程中圖像的品質(zhì)會(huì )遭受到可見(jiàn)的破壞，有一種以JPEG為基礎的標準Progressive JPEG是采用無(wú)失真的壓縮方式，但Progressive JPEG并沒(méi)有受到廣泛的支援。JPEG格式是目前網(wǎng)絡(luò )上最流行的圖像格式，是可以把文件壓縮到最小的格式，在 Photoshop軟件中以JPEG格式儲存時(shí)，提供11級壓縮級別，以0-10級表示。其中0級壓縮比最高，圖像品質(zhì)最差。即使采用細節幾乎無(wú)損的10 級質(zhì)量保存時(shí)，壓縮比也可達 5:1.以BMP格式保存時(shí)得到4.28MB圖像文件，在采用JPG格式保存時(shí)，其文件僅為178KB,壓縮比達到24:1.經(jīng)過(guò)多次比較，采用第8級壓縮為存儲空間與圖像質(zhì)量兼得的最佳比例。

　　JPEG標準主要針對靜止圖像，也被應用于活動(dòng)圖像。它壓縮比較低，對于中等復雜程度的彩色圖像，其壓縮比與圖像質(zhì)量的關(guān)系如表3所示。

　　2、MPEG標準

　　MPEG的全名為Moving Pictures Experts Group/Motin Pictures Experts Group,中文譯名是動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)家組。 在化學(xué)領(lǐng)域，MPEG是聚乙二醇單甲醚的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由環(huán)氧乙烷通過(guò)加成反應制得的可溶于水的線(xiàn)性聚合物。在建筑、涂料和油墨、紡織、電子產(chǎn)品、橡膠、食品加工及包裝、制藥、家庭用品、農業(yè)、金屬加工等行業(yè)都得到廣泛的應用。

　　MPEG標準主要包括MPEG-1和MPEG-2兩種標準，MPEG是活動(dòng)圖像專(zhuān)家組（Motion Picture Expert Group）的縮寫(xiě)。MPEG-1是碼率達1.5Mb/s的編碼；MPEG-2是碼率達10Mb/s的編碼。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展的需要，人們開(kāi)發(fā)、研究了MPEG-4,它是甚低碼率（Very low bit rate,64kb/s）的視頻、音頻編碼。

　　MPEG標準中目前最引人注目的是MPEG-2,它是通用的活動(dòng)圖像及其伴音的編碼標準，適于各種應用，如存儲媒體、分配傳輸和通信等。

　　MPEG-2標準全部項目有9部分。第1部分：系統；第2部分：視頻；第3部分：音頻；第4部分；符合性測試；第5部分：軟件；第6部分：數字存儲媒體的指令和控制；第7部分：非向后兼容的音頻；第8部分：10比特視頻；第9部分：實(shí)時(shí)接口。

　　第2部分視頻是標準的核心，它采用幀間和幀內相結合的壓縮方法。1）減少時(shí)域冗余度。MPEG把活動(dòng)圖像劃分為I幀（幀內圖）、P幀（預測圖）和B幀（插補圖）。I幀僅作幀內壓縮編碼，經(jīng)過(guò)中度壓縮，可作為隨機存取的起點(diǎn)，所以I幀圖像必須傳送；P幀僅作正向幀間預測，對預測誤差作有條件的傳送，壓縮程度較I幀高；B幀以I幀和P幀為參照，作雙向幀間預測插補，它的壓縮程度高。2）減小空域冗余度。MPEG基于DCT的壓縮編碼，減小空域冗余度，與JPEG標準采用的方法基本相同，整個(gè)過(guò)程分為3個(gè)步驟：基于宏塊的DCT正交變換，計算變換系數；對變換系數進(jìn)行標量量化，按"Z"字形掃描順序重新組合數據；對數據進(jìn)行編碼，進(jìn)一步壓縮數據。與JPEG不同的是，MPEG中的視頻信息不僅包含靜止圖像畫(huà)面（幀內圖），而且包含運動(dòng)信息（幀間預測圖、插補圖）。

　　MPEG-1標準的平均壓縮比為50:1,圖像分辨率為352×240像素（30幀/s）或352×288像素（25幀/s），主要用于壓縮靜止圖像。

　　MPEG-2的圖像分辨率為720×480,立體聲與MPEG-1標準的音頻相兼容，主要用于壓縮活動(dòng)圖像。