两天突破 数字视频.docx
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两天突破数字视频
1.三基色原理
答：
A.三基色必须是相互独立的产生。
即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而得到。
B.自然界中的大多数颜色，都可以用三基色按一定比例混合得到；或者说中的大多数颜色都可以分解为三基色。
C.三个基色的混合比例，决定了混合色的色调和饱和度。
D.混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和
2.扫描：
将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描
3.逐行扫描：
是指在图像上从上到下一行紧跟着一行的扫描方式
4.隔行扫描：
方式是将一幅（一帧）电视画面分两场扫描
5.彩色三要素：
亮度、色调、饱和度
6.一、兼容的必备条件
要实现彩色与黑白电视兼容,彩色电视应满足以下基本条件:
（1）所传送的电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。
（2）彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本一致,而且应该有相
同的频带宽度、图像载频和伴音载频（信号通道频率特性基本一致，相同频带带宽、载频）
（3）彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率,相同的辅助信号及参数。
（4）应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时的彩色干扰,以及彩色电视中色度信号
对亮度信号的干扰。
（减小干扰）
7.大面积着色原理：
彩色电视系统中，图像细节部分可以只传送亮度分量而不传送彩色分量，相当于在大面积上着色就能得到满意效果一样。
8.在NTSC制中,将正交调幅与平衡调幅结合起来,将两个色差信号分别对正交的两个副载波进行平衡调幅,由此得到已调信号,称其为色度信号。
9.将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90°的两个正交载波进行调幅,然后再将这两个调幅信号进行矢量相加,从而得到的调幅信号称为正交调幅信号,这一调制方式称正交调幅。
10.
PAL制与NTSC的亮度方程式：
11.熵编码的基本原理：
是去除信源在空间和时间上的相关性，去除图像信源像素值的概率分布不均匀性，使编码码字的平均码长接近信源的熵而不产生失真。
12.熵编码：
霍夫曼编码、算术编码、游程编码
13.预测编码的基本原理：
利用图像在空间和时间上的连续性，用邻近的M个值预测当前值，对当前值与预测值之差进行量化编码（一维、二维、三维预测
14.预测编码：
DPCM编码（差值编码）、运动补偿预测编码。
15.
PAL制克服相位敏感的原理Fn表示第n行的色度矢量，Fn+1表示n+1行的色度矢量。
由于行相关，可以认为它们的颜色相同。
则矢量Fn和Fn+1的U分量相等，V分量绝对值相等、相位相反，即以U轴对称。
如果传输过程中无相位失真，解调时V回原位，可正确地恢复出色差信号。
有相位失真时，用逐行倒相的方法消除了相位失真带来的色调失真，相位失真仅引起了饱和度下降，但色调末变。
16.要实现彩色与黑白电视兼容,彩色电视应满足以下基本条件:
（1）所传送的电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。
（2）彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本一致,而且应该有相
同的频带宽度、图像载频和伴音载频。
（3）彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式及扫描频率,相同的辅助信号及参数。
（4）应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时的彩色干扰,以及彩色电视中色度信号
对亮度信号的干扰。
17.视频分量YUV的意义及数字化格式（比例）？
用Y:
U:
V来表示YUV三分量的采样比例,则数字视频的采样格式分别有
4:
2:
0,4:
1:
1、4:
2:
2和4:
4:
4多种
18.视频压缩编码的有哪些类型？
（第五讲）
1、脉码调制（PCM）2、量化法3、空间和时间子抽样编码4、预测编码5、变换
编码6、熵编码7、矢量量化（VQ）8、子带编码（SBC）9、塔型编码
.采样结构是指采样点在空间与时间上的相对位置，有正交结构和行交叉结构
等；
.数字电视中一般采用正交结构；
正交结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上
下对齐排列，这样有利于帧内和帧间的信号处理；
行交叉结构，每行内的取样点数为整数加半个。
.ITU-RBT.601标准
✓该标准规定:
1不论是PAL制还是NTSC制,Y、R-Y、B-Y三个分量的抽样频率分别为：
13.5MHZ、6.75MHZ、6.75MHZ；
2抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室10bit，用于传输8bit；
3Y、R-Y、B-Y三个分量样点之间的比例为：
4:
2:
2
.
v数字视频的采样格式分别有：
▪4：
4：
4—色差分量没有下采样
▪4：
2：
2—色差分量进行水平下采样没有垂直下采样
▪4：
1：
1—色差分量进行了4:
1的水平下采样没有垂直下采样
▪4：
2：
0—色差分量分别进行2:
1的水平和垂直下采样
.视频压缩方法的分类
v从信息论角度出发，按解码后的重建图像和压缩编码前的原始图像是否完全相同，可将图像压缩编码方法分为：
无损压缩和有损压缩。
v无损压缩，又称冗余度压缩编码、无失真编码或熵编码。
最常用的无损压缩编码方法有霍夫曼（Huffman）编码、算术编码和游程编
码（Run-LengthEncoding，RLE）等。
v有损压缩，也称为信息量压缩编码、失真度编码或熵压缩编码。
▪有损压缩编码方法利用了人类视觉的感知特性，允许压缩过程中损失一部分信息.
▪常见的有损压缩编码方法有：
预测编码、变换编码、子带编码、基于模型的编码等。
v帧内压缩和帧间压缩
▪帧内压缩即空间压缩，仅考虑本帧的数据，而不考虑相邻帧之间的冗余信息，即消除空间冗余，一般采用有损压缩。
压缩比较低。
▪帧间压缩也称时间压缩，是基于视频或动画相邻两帧间的相关性进行压缩的。
就是消除时间冗余，一般采用无损压缩方式。
v在编码过程中，常常混合使用多种压缩技术，达到最佳压缩效果。
v帧内压缩和帧间压缩
▪帧内压缩即空间压缩，仅考虑本帧的数据，而不考虑相邻帧之间的冗余信息，即消除空间冗余，一般采用有损压缩。
压缩比较低。
▪帧间压缩也称时间压缩，是基于视频或动画相邻两帧间的相关性进行压缩的。
就是消除时间冗余，一般采用无损压缩方式。
v在编码过程中，常常混合使用多种压缩技术，达到最佳压缩效果。
.熵编码的基本原理就是去除信源在空间和时间上的相关性，去除图像信源
像素值的概率分布不均匀性，使编码码字的平均码长接近信源的熵而不产
生失真。
是无损压缩编码。
.霍夫曼编码:
是一种可变字长编码。
基本原理是频繁使用的数据用较短的
代码代替，较少使用的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同。
它在变长编码中是最佳的。
.
v算术编码是一种利用信源概率分布特性，能够趋近熵极限的编码方法。
v算数编码的两个过程：
概率模型建立过程和扫描编码过程。
v基本原理：
▪根据信源可能发出的不同符号序列的概率，把［0，1）区间划分为互不重叠的子区间，子区间的宽度恰好是各符号序列的概率。
这个区间随着信源符号序列中每一个信源符号的加入逐步减小，每次减小的程度取决于当前加入的信源符号的先验概率。
.预测编码的基本原理
利用图像在空间和时间上的连续性，用邻近的M个值预测当前值，对当前值与预测值之差进行量化编码（一维、二维、三维预测）
v由于信号在时间和空间上存在很强的相关特性，预测误差信号与原信号相比，幅度减小很多，但原信号所包含的信息仍保持完整。
这就有效地去除了多余信息。
v可采用较少的量化比特数来进行预测误差的量化，可以实现压缩频带、提高传输效率的目的。
28.差值编码（DPCM）
（1）视频信号的空间（帧内）相关性的统计分析
①视频图像的组成:
“像块”、“轮廓”和“细节”
“像块”--是图像中成片相同像素组成的块，它的空间相关性最强。
“轮廓”---是像块间的分界，它的相关性较差。
“细节”---是图像中变化最频繁的细节描述，相关性最小。
②统计结果:
“像块”要占约90％以上；
“轮廓”和“细节”只占不到10％。
（2）时间（帧间）相关性的分析
①在静止画面中，其帧间相同位置的样值则100％的相同。
②在非静止画面中，相邻帧的不同部分也只是运动物体，只占较小的比例。
29.从序列图像中提取有关物体运动的信息的过程——运动估计（如何快速、有
效的获得足够精度的运动矢量）；
把前一帧相应的运动部分信息根据运动矢量补偿过来的过程——运动补偿（MotionCompensation,MC）。
◆运动估计——将活动图像分为若干局部结构，检测出每
个局部结构在前一帧图像中的位置，从而可以估计出这
个结构的位移，用运动矢量表示；
◆运动补偿——由位移的估值建立局部结构在不同帧的空
间位置对应关系，用前一帧图像中的对应部分对当前帧
中的局部结构进行预测。
.全搜索法（FullSearchAlgorithm,FSA）也称穷尽搜索法——对匹配窗内所有候选位置计算SAD（i,j）值，找出最小的，其对应的偏移量即为所求运动矢量；
.局部搜索法：
三步搜索法
Ø搜索范围为±7；
Ø搜索模板半径依次减半；
Ø第一步步长过大对小运动
检测效果不好；
Ø搜索范围大于7时，搜索步
骤不止三步；
Ø搜索次数9+8+8=25
.
◆MPEG-1是1992年通过的视频压缩标准，用于CIF格式的视频在速率约1.5Mbps的各种数字存储介质（如CD-ROM,DAT,硬盘及光驱等）上的编码表示，主要应用在交互式多媒体系统中；
◆MPEG-1算法与H.261算法相似，它在1.2Mbps（视频信号）速率下压缩和解压缩CIF格式的视频质量与VHS记录的模拟视频质量相当；
◆它是一种通用标准，规定了编码位流的表示语法和解码方法，提供的支持操作有运动估计、运动补偿预测、DCT、量化和变长编码。
◆MPEG-1的特点有：
（1）随机存取，
（2）支持快速双向搜索，（3）允许大约1秒的编码/解码延迟，比H.261的150ms内的严格限制松得多。
.
◆MPEG-2是1993年通过的视频压缩标准，用于高清晰度视频和音频的编码，也包含用于可视电话中的超低码率（8-32kbps）的压缩编码；
◆MPEG-2是MPEG-1的兼容扩展，广泛应用于各种速率（2-20Mbps）和各种分辨率情况下的场合；
◆MPEG-2不仅接受逐行扫描视频，也可以接受隔行扫描视频，高清晰度视频，提供可伸缩调节的位流，提供改进的量化和编码选项。
.输入图像格式
◆MPEG-1输入视频信号采用源输入格式（SIF,SourceInputFormat），采用YCrCb色空间；
◆采样格式4：
2：
0；
◆MPEG-1最大的图像尺寸只能是352×288（对应25Hz帧频）。
.视频帧类型
◆帧内帧（intrapicture，I帧）——对I帧的编码类似于JPEG，支持随机存取，压缩比低；
◆预测帧（predictedpicture，P帧）——是运动主体在与I帧相隔一定时间，在同一背景上已有明显变化的画面。
以前面I帧为参考，相同信息不发送只发送主体变化差值，进行具有运动补偿的前向预测；
◆双向预测帧（bidirectionalpicture，B帧）——传送I、P帧间的画面，只反映运动主体变化情况，重放时既参考I帧也参考P帧，本身不做参考帧使用，不能用作预测参考；
.
◆MPEG视频位流分层结构共包括六层：
◆每一层支持一个确定的函数；
◆或是一个信号处理函数（DCT，运动补偿）；
◆或是一个逻辑函数（同步，随机存取点）等；
◆每一个层的开始有一个头，作为说明参数。
.
◆图像序列层——由连续图像组成，用序列终止符结束；
◆图像组层——图像组（GOP）由几帧连续图像组成，是随机存取单元，其第一帧总是I帧；
◆图像层——图像（帧）编码的基本单元，独立的显示单元；
◆像条层——由一帧图像中的几个宏块组成，主要用于误差恢复；
◆宏块层——一个宏块由四个8×8的亮度块和两个8×8的色差块组成；
◆块层——一个8×8的像素区域称为一个块，是最小的DCT单位。
.层次名称功能
图像序列层随机存取单元：
上下文
图像组层随机存取单元：
视频编码
图像层基本编码单元
宏块片层重同步单元
宏块层运动补偿单元
块层DCT单元
.
◆编码过程
◆I帧：
DCT量化编码
◆P、B帧：
预测求帧差DCT量化编码
.MPEG-1和MPEG-2区别
◆MPEG-1定位在VHS质量，MPEG-2的目的是要达到广播级的音视频质量；
◆MPEG-2编码增加了场处理的方式；
◆MPEG-2支持多种分辨率；
◆MPEG-2的音频编码可与MPEG-1兼容（MPEG-2BC），并扩展支持16KHz、22.05KHz和24KHz采样频率，音频数据位率扩展到8-64Kbps，支持5.1和7.1声道环绕立体声；MPEG-2还支持线性PCM编码和DolbyAC-3编码。
.MPEG-2视频标准的技术规范集包括5个“档次”（Profiles）和4个“等级”（Levels）；
档次（Profile）
说明
简单档次（SimpleProfile）
使用最少的编码工具集
主档次（MainProfile）
增加双向预测方法
信噪比可伸缩档次（SNRScalableProfile）
增加可伸缩特性
空间可分伸缩档次（SpatiallyScalableProfile）
高级档次（HighProfile）
用于图像质量、比特率要求更高的场合
.
级别（Level）
分辨率
最大码率
低级（LowLevel）
352×240×30,352×288×25
4Mbps
主级（MainLevel）
720×480×30,720×576×25
15Mbps
1440高级（High-1440Level）
1440×1080×30
60Mbps
高级（HighLevel）
1920×1080×30（16:
9）
80Mbps
.正交幅度调制（QAM）是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调制,所得到的两路已调信号再进行矢量相加,这个过程就是正交幅度调制。
QAM信号调制原理图
.正交幅度调制广泛的应用于PDH、SDH微波通信（个别卫星通信设备也可采用此种调制方式）中。
正交幅度调制QAM就是一种频谱利用率很高的调制方式。
在2ASK系统中，其频带利用率是（1/2）bit/s/Hz，若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍，如果再把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率
.四相移相键控（QPSK）是目前微波、卫星及有线电视上行通信中最常采用的一种单载波传输方式，它具有较强的抗干扰性，在电路实现上也比较简单。
四相移相键控等效于二电平正交调幅，它是讨论正交幅度调制的基础。
QPSK是一种恒定包络的角度调制技术，其调制器框图如下图所示
vQPSK信号的解调
1.简述正交平衡调幅原理，以及平衡调幅波的特点。
解：
将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90°的两个正交载波进行调幅,然后再将这两个调幅信号进行矢量相加,从而得到的调幅信号称为正交调幅信号,这一调制方式称正交调幅。
特点：
（1）平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比。
（2）调幅信号为正值时,平衡调幅波与载波同相;调制信号电压为负值时,平衡调幅波与载波反相。
2.简述频谱交错原理。
频谱交错的原理是彩色电视机中为了将色度信号插入亮度信号的频谱中去，而不会在6MHz的带宽中引起相互的干扰，所以将色度信号先根据大面积着色的原理进行压缩，然后选用色副载波对代表色度信号的两色差信进行调幅，移动色差信号的频谱，使色度信号的各谱线正好穿插在亮度信号的频谱线中。
3.在视频图像编码时可以运用运动补偿技术进行预测编码，简述其编码过程。
分割图像为若干局部结构——划分静止和运动区域；
最简单方法分块；
运动估计——对每一个运动物体进行位移估计；
运动补偿——由位移估计建立同一运动物体在不同帧空间位置对应关系，建立预测关系；
对于运动补偿后的位移帧差信号、运动矢量进行编码传输。
运动补偿——由位移的估值建立局部结构在不同帧的空间位置对应关系，用前一帧图像中的对应部分对当前帧中的局部结构进行预测。
4.简述MPEG-1视频图像编码过程。
（1）.输入信号
（2）.帧重组电路（3）.I帧视频信号帧内压缩处理
（4）.输出存储器（5）.P.B帧视频信号的处理（6）.运动补偿
5.MPEG标准为减少视频图像的时间冗余采用了哪些方法?
MPEG标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度。
6.试计算出10bit量化的4:
2:
2格式的SDTV信号的数码率。
13.5MHz*10bit+2（6.75MHz*10bit）=270Mbit/s
7.什么是预测编码？
利用图像在空间和时间上的连续性,用邻近的M个值预测当前值，对当前值与预测值的差值进行量化编码，称为预测编码
8.画出QAM调制器的组成框图，并简述其工作过程。
QAM调制原理图如下图所示,输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号。
为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，再分别对同相载波和正交载波相乘，最后将两路信号相加即可得到QAM信号。
9.在预测编码系统中引起图像失真的主要原因是什么？
答：
预测量化器带来的量化误差
10.简述MPEG-2视频压缩中的I，B，P图像编码原理。
I帧是只使用本帧内的数据进行编码的图像，即只对本帧内的图像块进行DCT变换、量化和熵编码等压缩处理。
P帧是根据前面最靠近的I帧或P帧作为参考帧进行前向预测编码的图像。
B帧是根据一个过去的参考帧和一个将来的参考帧进行双向预测的编码图像。
其参考帧可以是I帧或P帧。
11.DVB-T中为何采用OFDM调制方式，它能适应地面移动接受的原理在哪里？
DVB-T采用前向纠错（FEC）和能有效消除多径干扰的正交频分复用技术（COFDM）和格雷码映射4/16/64QAM调制等进行信道处理。
在基于大量小功率、工作在同一频道的众多发射机,每一个均覆盖一个较小的区域的这样一种单频网络来说,DVB是一种最佳选择。
所以采用COFDM也提供了良好的移动接收性能。
12.二维8X8DCT变换系数的空间频率分布和能量分布如何?
答：
最左上角对应于图像块的平均亮度，称为DC系数，其余的63个系数称为交流AC系数，从左向右表示水平空间频率增加的方向，从上向下表示垂直空间频率增加的方向。
变换系数块中的能量分布非常不均匀，主要集中在左上角低频区，其中直流系数具有最大值，而在高频区域大部分的系数大部分都很小。
13.简述MPEG—l和MPEG-2的区别
与MPEG-1相比,MPEG-2具有图像质量高，MPEG-2可以说是MPEG-1的扩充，兼容MPEG-1。
但MPEG-2增加了许多MPEG-1所没有的功能，例如具有可变压缩比的编码技术，系统复用打包技术，码流结构分层嵌套，场，帧视频采用自适应处理，音频数据速率更高。
说明电视信号数字化的三个步骤？
答：
电视信号数字化的三个步骤是取样、量化、编码。
取样是以特定的频率对电视模拟信号进行抽样的过程。
量化是用一个标准样本幅值（称为最小量化单位）去对取样信号的幅度进行计量并取整的过程。
所得结果为样本值（取样值）。
编码实际上是对取样值或原代码找一个满足要求的新的代码的过程。
填空题：
1、我国规定屏幕显示行数为（575）行，逆程为（50）行，总行数为625行。
2、图像信号的频谱，是以（行频）及其各次谐波为主谱线，以（场频）及其各次谐波为副谱线的双重离散谱。
3、当收发两端场扫描频率相同、但（相位）不同时，图像上半部分将移到下半场，下半部分将移到上半场。
4、电视视频信号中亮度信号电压高低反映了图像的（对比度），色度信号电压高低反映图像的（色饱和度）。
5、若偏转线圈只有行的起作用，则屏幕将出现（一水平亮线）。
若只有场的起作用，则屏幕将出现（垂直一条亮线）。
6、彩色三基色是红（R）、（G）、（B）三种颜色。
7、彩色电视信号中，对色差信号进行（正交平衡条幅）调制的目的是为了实现（色度信号）。
8、彩色电视机的解码电路的作用是对（色度信号）和（亮度信号）进行解码、还原产生（三基色）信号。
9、彩色电视机的亮度通道中4.43MHz陷波器的作用是从全电视信号中去掉（色度信号）而得到（亮度）信号。
10、彩色解码的基色矩阵电路作用，是由亮度信号和三个（色差信号）产生三个（基色）信号。
11、采用（频谱间置）实现亮度、色度共用频带。
12、我国电视标准规定行频（15625HZ）、场频（50HZ）、射频电视信号带宽为（50HZ）、亮度信号带宽为（6MHZ）、色度信号带宽为（1.3MHZ）。
13、用两个色差信号对（正交的两个副载波）进行（平衡调幅）调制，调制后的信号称为色度信号。
14、在隔行扫描中要求每帧的扫描行数必须是（奇数）。
15、为了实现正交平衡调制的解调，要求接收机的副载波与发射端（副载波同频、同相），这可以通过在电视信号中加入（色同步信号）来实现。
16、当PAL制色同步信号的相位为135度时，代表了（N）行。
17、按色度信号传输的特点，PAL制的意义是（克服相位失真）。
18、对于负极性的图像信号，图像越亮，对应的信号电平（越低）.
19、色同步信号的位置位于（行消隐前肩）。
20、在PAL制彩色电视解码器的亮度通道中设置有（4.43）MHz的陷波器。
21、帧差的传送是利用运动预测的方法进一步进行压缩。
当前一帧图像的一个宏块可以在上一帧图像中找到相似的块，这两个宏块之间的位移，称为（运动矢量）。
22、基于运动补偿的H.216标准的工作原理为：
运动估计时，目标帧中的每一个宏块从以前编码的图像帧中找到最佳的匹配宏块，这个过程叫做（运动预测）。
当前宏块与它匹配的宏块之间的差值，称为（预测误差）。
23、H．263采取的是混合编码技术，即用（帧间预测）减少时间冗余，用（变换编码）减少帧差信号的空间冗余，相应的编码器具有运动补偿的能力。
24、MPEG-1视频把图像编码分成（I）图像、（B）图像、和（P）图像三种类型。
25、MPEG-1视频流采取分层式数据结构，包括视频序列、（图像帧组）、图像、像条、（宏块）、块，共六层。
26、MPEG-1标准中，预测图像P使用两种类型的参数来表示：
一种参数是当前要编码的图像宏块与参考图像的红块之间的（预测误差），另一种参数是宏块的（运动矢量）。
27、世界上数字电视系统有三大标准，分别为（DVB）（ATSC）和（ISDB）。
单项选择题
1、彩色的色调指的是颜色的（A）。
A．种类B．深浅C．亮度D．A与B
2、PAL制解码器中，4．43
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