视频编解码原理分析及设计.pdf

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1、第 2 4 卷2 期 无线电通信技术 1 9 9 8 弓 摘要 视频编解码原理分析及设计 甘精伟壬如双 l士 强韩 明 伟 ( 电子郝第5 4 研究所石家庄 0 5 0 0 8 1 ) 对魂 囊蝙解码 的庳基进行 了详尽的 分析 井据 站设计 了一 种超小 型的 多琦能 舍宾聒 应 用范 巨 广。 美蕾调 蛰蕾蠡兰璺 主当 蝙码 U 近几年来 电视系统的全面数字化使节目制作 和传输都带来了革命性的变化。数字电视系统分为 三大部分： 电视信号的数字化及其处理； 数字电视信 号的处理与交换； 数字电视信号的接收与记录 所 渭数字电视信号是指在 电视信号产生后的处理、 记 录、 传输与接嚷的过程中，

2、 使用都是数字信号， 即在 时闻上和幅度上都离散化的信号。电视信号数字化 需要三个步骤 i 抽样、 量化和编码。本文着重分析 电 视信号数字化过程中的参数选择， 描述应用工程实 际可编程的视频编解码器。 1 原理分析及参数选择 1 1 抽撵爰抽样视频的选择 视频信号数字化的第一步是抽样 对模拟视频 信号如何进行抽样 才能在接收端将其复原呢?众 所周知， 根据奈奎斯特定理对于带宽为 F 的信号 F ( t ) ， 当抽样领率不低于2 F =时， 则由截止频率为 的矩形低通撼波器可以从抽样信号中完全恢复原信 号。根据信息论原理： 任何非周期信号的频率是无 限的。因此 在具体应用中， 抽样前应用截止

3、频率为 抽样频率一半的滤波器对原信号进行滤波， 滤出可 能产生频谱混叠的高频成分， 这是抽样中必不可少 的步骤。 抽样前的模拟滤波是影响数字视频系统质量的 个重要因素。滤波器阶数太少不足以达到滤除二 分之一抽样频率以上高频量的目的， 从而 f 起恢复 信号中的频谱混叠效应， 而阶数太大会 I 起过冲和 振铃， I 起恢复信号过滤边沿的不清晰。根据经验， 阶数少有利一些 。因为频谱混叠只有在图像中有超 1 9 9 7年 t t月 u 日收稿 慨 毛 过二分之一抽样频率以上分量时， 特别是有单频分 量时才会明显感觉到， 因此是偶发事件。但过渡边 缘振铃却是只要有过渡边缘就会出现的经常性现 象， 因

4、此 就主观感觉来说， 似乎留有一些混 叠更 有 利一些。 在数字视频中 抽样频率的选择首先应满足抽 样奈奎斯特定理。另外还应考虑下述两点； 一是抽 样频率应取副载频的整数倍 以减少差频对图像的 干扰； 二是抽样样点应形成正交结构， 以便进行数字 信号处理。 对于复合编码来说， 若抽样频率与载频不相关， 则差频会落到视频频带内射起干扰 如果抽样频率 取作副载频的整数倍 干扰就可大大降低。所谓的 样点结构图， 是指抽样的样点接扫描行的顺序在图 像平面上所形成 的陈列图形。若抽样点形成正交结 构， 则抽样频率应为行频的整数倍， 即 F l =n F h ， 对 于P A L制 不考虑 2 5 H z

5、 偏置， 取 F o ：4 F S L得到正 交结构图形。 对于分量编码来说 亮度抽样频率 的选择还必 须兼顾不同的扫描制式 现行的扫描制式主要有 6 2 5行， 5 0场和 5 2 5行 6 0场两种， 它们的行频分别 为 1 5 6 2 5 Hz 和 1 5 7 3 4 2 5 6 Hz o I TU R( 国际无线 电 咨询委员会) 建议的分量编码标准的亮度抽样频率 为 1 3 5 MHz ， 这正好是 上述 行 频的整数 倍 对 于 6 2 5 行 5 O 场， 每行的抽样点为 1 3 5* 1 0 t 5 6 2 5 = 8 6 4 个， 对于 5 2 5 6 0场， 每行的抽样散为

6、 1 3 5* 1 0 6 1 5 6 2 5 =8 5 8 个， 按照国际现行电视制式 亮度 信号最大带宽是6 瑚 则抽样频率至步要大于2 * 6 =1 2 姗 因此， 取 1 3 5 MH z 也是合适的 一 1 9 维普资讯 Vo 1 2 4 No 2 Ra d i o Co mmu n i c a t i o n s Te c h n o l o g y 由于色差信号的带宽比亮度信号窄得多， 同时 根据人眼的特性， 人眼对色度信号的变化敏感性小 于对亮度信号变化的敏感性。因此， 在分量编码时， 两个色差信号的抽样频率可以低一些， 同时也应考 虑到抽样的样点结构满足正交结构要求 1 T

7、u R曾 建议两个色差信号的抽样频率为亮度信号抽样频率 的一半， 即 6 7 ， 每行的抽样点数也为亮度信号抽样 点数的一半 即4 3 2 个 行和 4 2 9 个 行。因此， 国际 流行的分置编码标准是： 亮度信号抽样频率 1 3 5 ， 两个色差信号的抽样频率是 6 7 5 其抽样频率之比 为4 ： 2 ： 2 ， 因此称为 4 ： 2 ： 2格式。当然， 为得到质量 更好的视频， 还 可以采用 4 ： 4 ： 4格式。 1 2 量化及量化比特数的选择 抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信 号 但脉冲的幅度仍然是模拟的， 还必须进行离散化 处理， 才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行

8、舍零取整处理， 这个过程称为量化。置化有两种方 式： 取整时， 只舍不入， 即0 1 伏间的电压都输出 1 伏， 1 2伏之间的电压都输出 1伏等等。采用这 种方式， 产生的量化误差总是正的， 最大量化误差 等 于两个相邻置化级的 间隔 $； 0取整时， 有舍有入， 即所谓的四舍五入。这种量化方式量化误差有正有 负 置化误差的绝对值最大为 $ 2 ， 因此， 采 用有舍 有入法进行量化， 误差较小。 实际信号可以看成置化输出和置化误差之和， 因此， 其用置化输出信号来代替原信号就会失真。 一 般说来， 可以把置化误差幅度的概率分布看成在 $、 2一+ $、 2之间的均 匀分 布， 可以证 明，

9、 置化 失真功率 e 2 =$ 1 2 ， 即与最小置化问隔的平方成 正比。因此， 减小量化失真率的方法之一就是尽量 减少量化间隔。 置化误差与噪声是有 本质区别 的， 因为任意时 刻的置化误差是可以从输入信号求出的， 而噪声是 不存在这种关 系的。可以证 明。 量化误差是高阶非 线性失真的产物。但置化失真在信号中的表现类似 于噪声 也有很宽的频谱 所以也被称为置化噪声。 对于单极性的视频信号， 常用视频信号的峰峰值与 量化误差的均方根值之比来表示置化的信噪比： ( s ， N 0 ) = l o log【 ( V p 。 ) ( V1 2 ) 】 上述对量化失真的分析都是在正常量化的条件 下

10、进行的， 即要求输入信号幅度小于量化器最大输 入幅度。如果输入信号超过最大输入幅度， 则不论 输入信号如何变化， 量化器都将输出恒定值， 这种情 一 2 0一 况称为信号被置化器限幅 或称置化器过载。当信 号小于$ 2时， 可能有两种情况： 信号的均值 恰好与取舍判决电平一致， 则会输出峰值为级间宽 度 $ 的矩形波输出； 输入电平恰好落在相邻的判 决电平之闯， 置化器输出为 $ 2或 一$ 2 。矩形波 段输出在图像中表现类1 l=l 于点状噪声 量化器的这 个区域称为空载区， 与正常置化区和限幅区一起称 为置化器的三个不 同的置化特性区。 如上所述， 采用均匀间隔量化及矩形置化的方 法称为

11、均匀量化或线性置化。这种量化方式会造成 大信号时信噪比有余而小信号时信噪 比不足的缺 点。数字视频信号大多采用非均匀量化方式， 即； 小 信号时量化级间宽度小些 大信号时， 量化级间宽度 大些， 这样就可以使小信号和大信号的信噪比趋于 一 致 。 上面已提到， 减小置化失真率的方法就是尽量 减小量化闯隔， 但是置化间隔越小 用来表示一定幅 度的模拟信号时， 所需的置化级数就越多 因此处理 和传输就越复杂。所以即要尽量减少量化级数 又 要使量化失真看不出来。一般都用一个二进制来表 示某一置化级数， 经过传输， 在接收端再按照这个二 进制数来恢复信号的原值。所谓置化比特效是指要 区分所有置化级所需

12、几位二进制数。例如， ： 有 8 个 置化缀， 那么可用三位=进制投来区分 因为 2 ， = 8 称 8个置化级的置化为 3比特量化 8比特置化 则是指共有2 8 =2 5 6 个量化级的置化。在量化比特 效的选择时， 应主要考虑以下几个因素： 颗粒杂波： 如果最小置化电平不够小， 则图像 亮度缓变 区可能在邻近的两个置化 电平之间变化， 造成图像中变化 比较缓慢的区域 出现颗粒状 杂波， 而人的视觉对图像缓变区的噪声特别敏感； 伪轮廓 ： 如果相邻两个置化电平相差很大即 较粗的置化， 则会在图像缓变区从一个置化电平到 另一个置化电平之间出现轮廓线， 实际上是图像的 等量化电平线。这种轮廓线是

13、原图像所没有的， 所 以又称为伪轮廓 ； 边缘忙乱 ： 由于杂谈 的影响或不同抽样点位 置的变化， 使原来的固定的图像边缘出现变化和游 移 称为边缘忙乱 当常用频率与行频不相关时， 尤 为严重。 、 蓐 杀了上述 因素外 在模拟设备与数字设备混用 时， 数字设备往往会串接使用 这时信号经过多次模 数、 数 模转换 于是 出现反复量化 造成置化 失真 的积累 使图像质量下降， 但数字编解码的失真要远 维普资讯 第 2 4 卷2 期 无线电通信技术 1 9 9 8 小于模拟复合编解码的失真。量化比特数的选择最 终由主观评价来确定。主观评价试验表 明， 量化比 特数取 7 -8 对广播电视是合适的。

14、 1 3 编码爰绾码方式 抽样、 量化后的信号还不是数字信号 需要把它 转换成数字编码脉冲， 这一过程为编码。最简单的 编码方式是自然二进制编码。除此之外。 还有其它 形式的=进制码， 如格雷码和折叠码等， 这三种码各 有优缺点， 自然二进制码和二进制数一一对应， 简单 易行。它是权重码， 每一位都有确定的大小， 从 最高 位到最低位依次为 2 ， 2 4 ， 2 1 ， 可以直接进行 大小比较和算术运算， 自然二进制码可以直接由数 模转换为模拟信号， 但在某些情况下 例如从十进制 的 3 转变为4 ， 这时二进制码的每一位都有变 使数 字电路产生很大的尖峰电流脉冲。格雷码刚没有这 一 现象

15、它在相邻 电平 间转 换时， 只有一位发 生变 化。格雷码不是权重码 ， 每一位码没有确定的大小， 不能直接进行比较大小和算术运算， 也不能直接转 换成模拟信号 有经过一次码变换， 变成自然=进制 码， 折叠=进制码沿中心电平上下对称， 适于表示正 负对称的双极性信号， 折叠码的抗误码能力强。 视频信号 有两 种编码方式， 即复合编码和分量 编码。复合编码是将 复合彩色信号直接 编码成 P C M 形式， 复合 彩色信号是指彩色 电视信号， 它包 含有亮度信号和以不同方式编码的色度信号。分量 编码是将三基色信号 R， G， B分量或亮 度和色差信 号 Y ( BY) ， ( RY) 分别编码成

16、 P C M形式。 复合编码的优 点是码宰低些， 设备较简单， 适用 于模拟 系统中插入单个数字设备的情况。它的映点 是由于数字电视的抽样频率必须与彩色副载频保持 一 定的关系， 而各种制式的副载频各不相同， 难以统 一 。采用复台编码上由抽样频率和副载频间的差拍 造成的干扰将影响图像的质量。 分量编码的优点是编码与制式无关， 只要抽样 频率与行频有一定的关系， 便于制式转换和统一， 而 且由于Y ( BY) ， ( RY ) 分别编码， 可采用时分 复原方式， 避免亮度互串， 可获得高质量的图像。在 分量编码中， 亮度信号用较高的码率传进。两个色 差信号的码率可低一些 但总的码率比较高， 设

17、备价 格相应较贵。 I T UR 6 0 1 建议的演播室分量编码参数( 4 ： 2 ： 2格式) 如表 1所示。 衰 1 T U-R 6 0 1 建议； 寞 播童分量编码参数I 4 ： 2 ： 2 格式1 誊量 6 2 5拧 5 O场 5 2 5抒 6 0增 编码 信号 YRY BY Y RYBY 每抒取样数 亮度 8 6 4 8 5 8 色度 4 3 2 4 2 9 正交， 按 抒 场， 幢重 董 每 抒 中 的 取样蛄构 RY 和 BY取 样与 Y 的 寺敷 次 样值 ( 1 。 2 ， 3 ) 丹位 取样颤率 亮度信 号 1 3 5 色度 信号 6 7 5 蝙码信 号 敷 字 有 效

18、抒 藏 的取样敷 亮度 7 2 0 色度 3 6 0 视 颤 信 号 电 平 与t 他 衄 敷 对 应磕 共 2 2 0个 量化 垃， 黑 电平对 应 量化 亮度 衄 1 6 。 峰 值白电平 2 3 5 在量化 等 衄 中间 部 共 分 2 2 4故 色度 零电平相应 干 1 2 8衄 2 视频编解码器的设计 比较现市场流行的视频 编解码器 我 们采用了 B r o o k Tr e e公 司 生 产 的 视 频 编 解 码 系 列 芯 片 B T 8 1 2 ， B T 8 5 8 来设计实现视频信号的编解码。 2 1 编码器 编码器由视频 D ， A B T 8 5 8和单片机控制 系统

19、 构成 本编码器可产生图形、 图像系统所需的4场， 5 2 5行( M) N T S C ， 或 8场 6 2 5行 ( B D， G， H， I ， N) P A L复合或 Y c ( sV I D E O) 模拟视频信号， 像素 时钟速率为 1 0 -1 8 ， 同时也支持 N T S C色副载频为 4 4 3 ， 每行像素的数量是可编程的， 易支持多种应 用。视频实时控制使用行场同步信号或复合同步信 号， 编码器也可以 自行产生行场同步信号。隔行 R G B或Y C r C b 数据被转换为 Y u v， 色差信号数字 低通滤波为 1 3 并调制。输入为隔行 6 0 I-I z ， 5

20、2 5 行 数字 RG B或 YC r C b ， 输 出为 NT S C 。输入 为 隔行 5 0 I - I z 。 6 2 5行数字 R GB Yc b 输出 P A L 。原理 方 一 21 维普资讯 Vo 1 2 4 NO 2 Ra d i o C o mmu n i c a t i o n s Te c h n o l o g y 1 9 9 8 框图如图 1 所示。 圈 1 蝻码 原理方框 圈 ( 1 ) 硬件设计 B T 8 5 8 支持标准的 MP U总线接 口， 通过该接 口， 可以访问 B T 8 5 8内部 的调色扳 R A M 和色调 寄 存器。 控制寄存器及 地址寄

21、存器， 实现对 D A转换 过程的控制。 单片机( 8 0 3 1 ) 通过一组控制信号完成对B T 8 5 8 的控制， 控制信号包括 R S 0 、 R S 1 、 R s 2 区分是读 写控制寄存器还是地址寄存器等( 其真值表如表 2 所示) ， R D ， WR ， R E S E T及数据总线 I) 0 D ( 时序 图如图 2 所示) 。如何产生控制信号之间正确的时 序关系是电路设计的关键， 也是实现单片机对编码 器有效控制的关键所在。在这里我们选用可编程逻 辑器件完成有关信号时序关系之间的转换。逻辑方 程如下： ! R E S E T=P 2 B ! P 2 7 ! P 2 6

22、! P 2 5 ! C L K ! WR=( ! P 2 8 ! P ”! P 2 6 1 2 5 #! P 2 7 ! P 蔓 6 P ) ! C L K RS 0=! P 2 5 #CLK R S 1 =! P 勰P 2 7 ! ! C L K R S 2 =( P 2 8 #1 2 7 #P 2 6 #1 2 5 ) ! C L K 其中 P 勰 P ” P 2 5 为地址信号； C L K为时钟信 号。 ( 2 ) 软件设计 软件编程的主要工作侧重于编码器各参数的选 择计算。以下参数较为重要， 关系到编码器的性能。 裹 2 毒存器真值 寰 RS 2 圈 R S 0 ADDRES S E

23、 D B Y MPU 0 0 O s d d r s r e 曲 t RA M w r i t e ) 0 1 1 a d d r e s s r e g i B t e r C R A M r e 矗 d ) 0 0 1 c o l o r p R AM 0 1 0 D i x d r e a d m- s k r e g i s t e r 1 0 O a d d r e r e g i B t e r C o v e d a y， 一t e ) 1 1 1 a d d r e s s r e g s t e r ( o v e d a y ma d ) 1 O 1 o v e r l a

24、 y r e g i B t e r 1 1 0 c c t r o l r e g 1 一三 ， 圈 2 接 口时序 圈 工作模式选择 B r 8 5 8设计有 4种视频时序模式和 7 种像素输 入格式。根据解码器输 出时序的能力， 这里我们选 择时序模式 0和 1 6 一b i t YC b C r ( 4： 2 ： 2 ) 像素输入格 式。这 种 模 式 中需要 外 部 提 供 行 同 步信 号 R S Y N C , 场 同步信号 V S Y N C和复合 消隐信 号 HB LANK。 视频定时信号的产生 软件编程控制 H C O U N T寄存器和 P 1 P 2寄存 器。H UNT

25、和 P 1 P 2由下列公式给出： H UNT=F d k d e s i r e d 1 5 6 2 5 P 1 。1 1 3 5 2 0 48 ( 4 HC OUN T) P 2= 1 1 3 5*2 0 4 8一PI*4*HC OUNT 式中 F c l k d e s i r e d为 时钟 频 率， 编码 器 根 据 H U N T自动地计算多个水平时间参数， 以行同 步的下降沿为基准， 可以导出下列参数： 模拟行同步宽度 =C H C O U NT 1 6 ) +( H C O U N T 1 2 8 ) +( H C O UN T 2 5 6 ) +1 色度信号波形包络开始 =

26、H UN T 1 6 ) +( H C O U N T 6 4 ) +( H C O U NT 2 5 6 ) +( H C O UNr 5 1 2 ) +1 色度信号波形包络终结 = 包络开始值+( H C O U Nr 3 2 ) +( H C O U N T 2 5 6 ) +1 P 1 和 P 2 的值用于产生彩色酎载波 F S C F c l k * P 1 + P 2 +( 6 7 6 2 5 ) 】 ( 4 * H C O UN T ) 2 0 4 8 另外， 编码器自动产生槽和均衡脉冲， 控制同步 信号、 消隐信号、 色包络的上升和下降沿， 以保持与 复合视频信号时序关系的一致

27、。 色差信号低通数字滤波器的选择 低通数字滤波器是一 1 2抽头滤波器， 其传输函 一 2 2 一 致为： H( z ) =7 4 2 5 6*7 _0+( 6 4 2 5 6 ) *( z 一 +z ) +( 3 7 2 5 6 ) *( z 一 +z ) 根据重构画面的视觉效果， 由软件选择用滤波 器还是旁路滤波器及使用哪种滤波器。两种滤波器 维普资讯 第 2 4卷2 期 无线电通信技术 1 9 9 8 的响应如 图 3所示。 攮率 mz 】 ( 2 L O CK遗率一 圈 3 滤堍孽 响应 2 2 解码器 解码器采用视频 A D B T 8 1 2 由单片机进行 控 制， 该解码器可以对

28、 N T S C或 P A L制复合或 Y ， C 分量模拟视频进行数字化， 数字视频输出可分为 R G B或Y c r c b 两种形式，输 出 像 素 频 率 为8 1 6 5 。本 解 码 器 还 支 持 2 4 B i t RG B ,l 6 B 越 B 1 5 B I t R G B , 4 ： 4 ： 4 2 4 B i d_o( 或 4 ： 4 ： 4 l 缸 1 C b 输 出格式。色调， 对比度， 饱和度、 亮度可通过 MP U 接口均匀调节。同时提供多种同步信号： 行场同步 信号、 行场消隐信号、 行场正程信号、 奇偶场指示信 号及色度分离指示信号等。原理方框图如图4所 示

29、 。 圈 4 解码原理方框 图 其解码器软硬件设计类似 于编码器的设计， 在 此省略。下面仅列出B T 8 1 2芯片数据处理的几个 特点及设计过程中需注意的几个地方。 ( 1 ) 特点 色调调节。色调可以通过色调寄存器进行调 节， 调节范围为 一 4 5 + 4 4 3度， 步进值为0 7度。 色调的调节是 由调节色负载频的相位实现的； 对比度、 亮 度和饱和度的调节。调节相应的 寄存器的值； 低色检涮和分离。如果个彩色信号是标准 信号的 2 5 ( N T S C ) 或 3 5 ( P A L ) ， 或者是小于瓤 定值， 持续 1 2 7 个扫描行， 则色差信号 u、 v被置为 “ 0

30、 。此信号仍然被亮色分离， 以产生亮度信号。如 果输出为 Y C r C b 数据， 则 C r 、 C b 值为 1 2 8 ， 如果输 出为I 数据， 则 R G ， B数值相同， 产生一灰度信号； 自动色度增益控制。自动色度增益控制可以 补偿信号色度或幅度的大小， 例如可补偿电缆所造 成的高频损耗 因此， 色度和幅度需计算并与瓤定值 比较， 差值用于自动增益控制 色度增益为 0 5 3 倍； GA MMA 校正。G AMMA 校正 可以选 择用 或不用， 一般情况 下 RG B数据输出时， 系数为 2 2 ( NTS C) ； 2 8 ( P A L) 当 Yc 数据输 出时， 电路应

31、旁路不用 ； 视频定时。一个同步检测电路用于决定同步 脉冲的位置， 目的是为了A D C钳位和自动增益控制 抽样。同步检澍器的输入信号同时被 A C复合到 Y 输入 端。为 了 水 平 和 色 负 载 频 的 锁 定 UL T R A L O C K功能用于确定镇定于稳定、 不稳定或噪 声源。UL T R A I X ) C K使用信号处理内插技术， 确保 数字化视频与行镇定脉冲的期望抽样位置相匹配 检测到的行场同步脉冲用来 自适应地产生内插系 数。内插使在标准视频带宽内产生了平坦的响应。 由于内插是基于来 自稳定时钟的抽样点， 实际的视 频行长度是变化的， 所以一个 V A L I D信号用

32、指示 何时有效像素数据被输出。 ( 2 ) 需注意的地方 时 钟选 择： B T8 1 2可输 入 时钟频 率 最 大为 3 3 MHz ， 对于 P A L制视频 一般选择 2 7 MHz为宜， 其 1 2 分频为 1 3 + 5 MI-k， 正好是视频抽样频率。根 据实际操作 时钟频率过低 则输出的视频同步信号 存在不稳定现象 ； 由可编程逻辑器件产生的 B T 8 1 2 读写信号， 需经过适当延时， 才能符合电路的时序要求。这里 我们采用 7 4 t S 0 4 ， 经两非门延时 1 0 n s , 即可达到要求 ； 由于B n l 2 是模数转换器件， 对外界干扰非 常敏感， 为降低其敏感性， 应做到 良好接地， 且应区 分模拟地和数字地， 在两地之间串接电感， 必要时在 电源和地之间并接一些0 1 微法电容。这些措施对 改善解码器的性能具有重要作用。 3 结论 在理论分析的基础上， 所设计的视频编解码器， 能够完成多种格式 的模拟视频与数字视频之间的相 互转换， 具有体积小、 性能优 良、 应用范围广的特点， 可在多种工程和产品中获得应用， 目前 已应用于图 像数字传输专题的研制， 为图像压缩编解码器提供 图像数据转换。 一 2 3 一 一 _ ， 维普资讯