專利名稱：2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種數(shù)字電視的傳輸裝置，更確切地說是涉及一種2兆比特每秒(2Mb/s)廣播級數(shù)字電視傳輸裝置。
電視是人們?nèi)粘Ｉ钪薪邮招畔⒓皧蕵返闹匾ぞ?，在當今的信息社會中，廣播電視作為社會的基礎設施，正日益廣泛地被公眾所認識。而隨著微電子、光電子、計算機及通信技術的飛速發(fā)展及其結合，人們對電視廣播服務的需求反而有增無減，從而更加促進了電視廣播技術的發(fā)展。
但由于電視信號是模擬信號，而目前已有的通信網(wǎng)，如公用電話網(wǎng)、基于X.25協(xié)議的分組交換網(wǎng)及各類局域網(wǎng)等已越來越多地變成數(shù)字網(wǎng)，因此電視圖像不能直接進入數(shù)字通信網(wǎng)中進行傳送，而必須經(jīng)過數(shù)字化處理后才能進入。
按ITU-RBT 601標準，一路電視信號數(shù)字化后的數(shù)據(jù)速率為216Mb/s，接近3400個話路的帶寬，因此，為了更經(jīng)濟有效地傳輸數(shù)字化后的電視信號，需要采用壓縮編碼技術來降低傳輸速率。
2Mb/s數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)就是將216Mb/s的電視信號壓縮成2.048Mb/s，壓縮比為100∶1，而2Mb/s的傳輸速率是符合我國通信網(wǎng)體制的接口碼率的(其它接口碼率是34Mb/s、140Mb/s、155Mb/s等)。但由于壓縮比大，在低碼率下因量化的粗糙會產(chǎn)生如“塊效應”、“清晰度下降”、“振鈴效應”等圖像缺陷。
2Mb/s的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)屬于活動圖像傳輸系統(tǒng)，但與活動圖像傳輸系統(tǒng)中的其它系統(tǒng)存在明顯的差別。一類活動圖像傳輸系統(tǒng)是采用ITU H.61和MPEG1、MPEG4標準(MPEG1、MPEG2、MPEG4等是一系列的圖像壓縮標準，MPEG為活動圖像專家組的英文縮寫)，例如會議電視、可視電話和VCD等，輸出碼率1.5Mb/s左右，與2Mb/s數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的輸出碼率相當，但其恢復圖像質(zhì)量清晰率低，最高為353×288象素(CIF或SIF格式)，僅能達到家用錄相機VHS水平，而且對于某些圖像會有明顯的塊效應及運動拖尾失真，不能滿足人們對高質(zhì)量圖像的要求。另一類活動圖像傳輸系統(tǒng)是采用MPEG2標準，MPEG2標準采用幀間DPCM/DCT混合編碼，可以獲得演播中心級的電視質(zhì)量，但當碼率降低到2Mb/s以下時，會產(chǎn)生“塊效應及運動拖尾失真”等，由于此時各種邊信息與有用信息相比，占的比例越來越大，使恢復的圖像反而不如采用MPEG1標準時的好。目前國際上廣泛采用MPEG2標準作為傳送廣播級數(shù)字電視的壓縮標準，采用的是3Mb/s直到15Mb/s的可變碼率格式。
本實用新型的目的是設計一種2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，采用MPEG2標準，作為廣播傳送圖像的壓縮標準，最終達到2Mb/s的碼率，且圖像質(zhì)量還能保持廣播級傳輸水平。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，包括發(fā)端的視頻編碼器和收端的視頻解碼器，發(fā)端的視頻編碼器包括中央處理單元和幀編碼器，收端的視頻解碼器包括MPEG2解碼片和PAL信號編碼器，其特征在于所述的視頻編碼器中還包括有視頻前處理器，與輸入的視頻信號及所述的幀編碼器連接，并與所述的中央處理單元連接；所述的視頻解碼器中還包括有視頻后處理器，與所述的MPEG2解碼片及PAL信號編碼器連接。
所述的視頻前處理器是二維修正的中值濾波器，由棧濾波器實現(xiàn)；包括用于一行延時的第一行緩沖器、用于一行延時的第二行緩沖器、兩輸入最大值比較器、兩輸入最小值比較器和三輸入變量的中值比較器；輸入的視頻信號分別連接第一行緩沖器的輸入端及兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的一輸入端，第一行緩沖器的輸出端連接第二行緩沖器的輸入端及三輸入變量的中值比較器的一變量輸入端，第二行緩沖器的輸出端分別連接兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的另一輸入端，兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的輸出端連接三輸入變量的中值比較器的兩變量輸入端。
所述的二維修正的中值濾波器是在Altera公司的FLEX10K系列單片EPLD器件上實現(xiàn)的。
所述的視頻后處理器是沿塊邊緣進行低通濾波的自適應二維空間濾波，包括經(jīng)過塊效應估值、自適應塊邊緣濾波及塊分類后，對于平滑區(qū)域的3×3平均濾波、對含有強邊緣區(qū)域的5×5中值濾波和對于含紋理區(qū)域的3×3中值濾波。
所述的視頻后處理器，是采用Xilinx公司的XC4000E系列單片F(xiàn)PGA器件實現(xiàn)的。
本實用新型的每秒2兆比特的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，以修正了的MPEG2作為圖像壓縮標準，通過增加前、后視頻的預、后處理等技術來提高壓縮比，最終達到2Mb/s的碼率，解決MPEG2編碼在低比特率下如何提高圖像質(zhì)量的問題，使具有不低于MPEG2規(guī)定的3Mb/s碼率的圖像質(zhì)量，即高于會議電視的圖像質(zhì)量，小失真或不失真地傳送高速運動圖像，并能減少常見的在大壓縮比下產(chǎn)生的塊效應失真等。
本實用新型的每秒2兆比特的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，是在2Mb/s的傳輸碼率上同時傳輸廣播級質(zhì)量的圖像、高質(zhì)量的聲音及高速數(shù)據(jù)的數(shù)字電視，有利于多媒體通信及高速信息公路和應用。
下面結合實施例及附圖進一步說明本實用新型的技術

圖1是2Mb/s的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)結構框圖圖2是視頻編碼器原理性結構框圖圖3是視頻解碼器原理性結構框圖圖4是視頻預處理器原理性結構框圖圖5是視頻預處理器二維修正的中值濾波器原理性結構框圖圖6是視頻預處理器與外圍元件的實施電路圖圖7是視頻后處理的塊效應處理流程框圖圖8是視頻后處理器與外圍元件的實施電路圖參見圖1，圖中示出2Mb/s的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)結構，包括2Mb/s的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置和數(shù)字通信網(wǎng)，2Mb/s的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置通過E1或E2接口與數(shù)字通信網(wǎng)10連接。2Mb/s的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置的發(fā)端11包括視頻編碼器111、音頻編碼器112、數(shù)據(jù)編碼器113和打包及信道編碼器114。2Mb/s的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置的收端12包括信道解碼及拆包器124、視頻解碼器121、音頻解碼器122和數(shù)據(jù)解碼器123。
為了實現(xiàn)傳輸碼率為2Mb/s的目的，必須以大壓縮比將圖像信號壓縮到1.6Mb/s左右，可以采用許多新的壓縮技術，如小波變換編碼、分形編碼和基于模型的面向?qū)ο缶幋a等(目前這些編碼技術還處于理論研究階段，未達到實際應用水平)，本實用新型所采用的國際標準MPEG2，則是采用幀間運動補償預測/檢測混合編碼技術，是能實際應用的成熟技術(碼率格式最低3Mb/s)。通過在視頻編碼器111中增加視頻預處理器和在視頻解碼器121中增加視頻后處理器及其它技術來提高壓縮比，使圖像碼率降為1.6Mb/s。音頻編、解碼器112、122對聲音采用MPEG層I、層II國際壓縮標準，傳一路立體聲的碼率為194Kb/s，加上數(shù)據(jù)編碼及糾錯編碼，總的發(fā)端的傳輸碼率符合ITU G.703接口要求的2.048Mb/s標準。
實施例的2Mb/s廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，輸入視頻為模擬復合PAL制信號，分量視頻符合CCIR.601標準；音頻接口符合IEC268-15標準；信道接口遵循G.703建議；壓縮編碼及打包遵循MPEG-2各層相應標準。
參見圖2、圖4、圖5、圖6，圖2中示出視頻編碼器111的原理性結構，包括視頻預(前)處理器201、中央處理單元(CPU)202、I幀編碼器(Encoder)203、緩沖器(FIFO)204、碼流控制電路(FPGA)205、快閃隨機存取存儲器(FlashRAM)206、重建編碼器(R Encoder)207、運動搜索編碼器(S Encoder)208、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)209、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)210和動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)211。本實用新型的視頻編碼器與一般的視頻編碼器的不同之處是在發(fā)端增加了視頻預(前)處理器201。
視頻編碼器的作用是接收模擬的PAL制視頻輸入(Video input)信號，經(jīng)PAL制解碼轉(zhuǎn)換為CCIR.601建議的4∶2∶2，720×576格式的YCrCb信號，然后進行預處理，最后送入MPEG-2視頻編碼器進行ES流編碼，視頻壓縮編碼符合MPEG 2標準MP@ML。視頻編碼器在主控CPU 202的控制下進行操作。
由于信源的質(zhì)量對其后壓縮編碼的性能有重要的影響，尤其在編碼的輸出目標碼率較低時更顯得重要。因為噪聲增加了輸入端的信息量，而且圖像的相關性減弱，會使后續(xù)的壓縮編碼變得困難。發(fā)端的預處理就是預濾波，濾除混雜在有用信號中的噪聲，去除原始圖像中人眼不敏感次界細節(jié)或采用降噪技術，使輸入的信息量減少，以提高壓縮編碼的性能。實驗表明將原圖像的信噪比(SNR)提高8db，可使MPEG的壓縮倍數(shù)提高20％至25％。
本實用新型的視頻預處理即預濾波，采用圖像濾波中廣泛使用的二維中值濾波器來消除脈沖干擾(屬于非線性濾波)，但二維中值濾波有其固有的一些缺點，本實用新型采用經(jīng)改進的棧濾波器，通過修正來保留圖像的細節(jié)(清晰度)，其抗脈沖干擾的能力優(yōu)于二維中值濾波器。
本實用新型根據(jù)Jimmy Li于1990年提出的基于中值濾波的特征選擇的算法，將該算法與棧濾波器結合，而采用了一種能消除由于一行數(shù)據(jù)丟失而引起噪聲的濾波器。
圖4示出一種用硬件實現(xiàn)的棧濾波器的原理性結構，包括對視頻數(shù)據(jù)輸入信號進行1行延時的第一行緩沖器41、對第一行緩沖器41輸出進行1行延時的第二行緩沖器42、對視頻數(shù)據(jù)輸入信號及第二行緩沖器42的輸出信號進行最大值比較的兩輸入最大值(Max)比較器43、對視頻數(shù)據(jù)輸入信號及第二行緩沖器42的輸出信號進行最小值比較的兩輸入最小值(Max)比較器44和三輸入變量的中值比較器45，三輸入變量包括最小值比較器44的輸出信號、最大值比較器43的輸出信號及第一行緩沖器41的輸出信號。三輸入變量的中值比較器45輸出y(m，n)二進制信號送壓縮編碼。y(m，n)為對應的濾波器二進制信號輸出。
基于圖4結構的二維修正的中值濾波器可在ALTRA公司的FLEX10K系列單片EPLD器件上實現(xiàn)，無需外接存儲單元，其與外圍電路的連接原理框圖如圖5所示，與外圍電路的實施電路如圖6所示。
圖5中，PAL解碼器51接收模擬的PAL制視頻輸入信號，經(jīng)PAL制解碼轉(zhuǎn)換為符合CCIR.601建議的4∶2∶2，720×576格式的YCrCb信號，然后經(jīng)緩沖、幀存52和二維修正的中值濾波器53進行預處理，最后送入MPEG-2視頻編碼器進行ES流壓縮編碼，整個過程由主控CPU 54控制。
圖6中，圖中示出視頻編碼器的實施電路。二維修正的中值濾波器是在作為圖象預處理單元的FLEX10K系列單片EPLD器件上實現(xiàn)的，與其連接的包括有幀存儲器(FIELD Store)、主控CPU(中央微控制器ADSP2181)、數(shù)字視頻接口(INTERFACE)和PAL解碼器(PAL電視解碼器HMP81 12A)。
本實用新型的視頻預處理器還對MPEG的算法進行了優(yōu)化，對在低比特率下應用的MPEG算法中的各種選項進行了優(yōu)化組合。
參見圖3，視頻解碼器包括中央處理單元(CPU)301、與信道的接口單元302、FPGA控制模塊303、MPEG2解碼芯片304、視頻后處理器305、時鐘發(fā)生器306、動態(tài)隨機存取存儲器組(DRAM)307、音頻電路(DA)308、聲音輸出電路309、PAL信號編碼器310、視頻輸出311、面板接口312和RS232端口313。本實用新型視頻解碼器與一般視頻解碼器的不同之處是在收端增加了后處理器。
視頻ES碼流經(jīng)緩存及MPEG 2解碼后，進行后處理，最后經(jīng)PAL編碼轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號輸出。
數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)在低碼率下會產(chǎn)生塊效應、振鈴效應及清晰度下降等圖像缺陷，其中的塊效應是由于粗糙的量化破壞了塊與塊之間的相關性所引起的，而振鈴效應及清晰度下降也是由于量化后高頻系數(shù)損失所引起的。
本實用新型的數(shù)字電視傳輸裝置在收端的視頻解碼器中采取后處理技術來減輕或消除這些缺陷，沿塊邊緣進行低通濾波是消除塊效應的一種最直觀的方法，但運動補償會使塊效應擴散，這種方法并不能提供很好的主觀質(zhì)量，而且簡單的濾波還會使圖像細節(jié)損失。本實用新型采用基于邊緣檢測的自適應二維空間濾波技術來去除塊效應與振鈴效應。
參見圖7，圖中示出自適應二維空間濾波的操作流程，包括步驟601，對圖像塊輸入作塊效應估值，可采用比較傳統(tǒng)的簡單測量方法，壓縮前位于不同塊的相鄰象素有很大的相關性，而壓縮后因量化的原因使它們間的相關性大大減弱，就可用這些象素的差的平方和表示塊效應的嚴重程度，當估值結果表示有嚴重的塊效應時，就作塊邊界的平均；步驟602，自適應塊邊緣濾波，對每一圖像塊計算估值并用象素數(shù)平均；步驟603，塊分類即邊緣檢測，從而分辨出平滑(平坦)區(qū)域、強邊緣區(qū)域和紋理區(qū)域，再針對不同的區(qū)域采取不同的濾波器平滑圖像；步驟604，平滑區(qū)域由于高頻成分很少，可采取簡單的3×3平均濾波來濾除擴散的塊效應；步驟605，對于含有強邊緣的區(qū)域，采用5×5的中值濾波來濾除振鈴效應，中值濾波器對于塊邊緣有很好的保持作用，對圖像細節(jié)的損傷不大；步驟606，對于含紋理的區(qū)域，由于人眼的掩蔽效應，各種缺陷在這里并不明顯，所以對該區(qū)域采用3×3中值濾波；步驟607，經(jīng)不同濾波后對各路圖像信號進行組合后輸出。
提高圖像清晰度的基本思想就是合理地提高圖像的高頻成份來增加圖像的色彩分辨率，包括增強空域圖像的邊緣對比度，在作增強處理時先區(qū)分大邊緣、小邊緣和噪聲，再進行不同的處理，如對大、小邊緣進行不同程度的增強，對于噪聲則進行抑制等。
參見圖8，實施例的視頻后處理器，采用了Xilinx公司的XC4000E系列單片F(xiàn)PGA(VIDEO POST PROCESSING)器件實現(xiàn)，其外圍電路包括接口電路(INTERFACE)和數(shù)字PAL編碼器(PAL ENCODER BT866)。
綜上所述，本實用新型的2Mb/s數(shù)字電視傳輸裝置，利用專用的MPEG 2編解碼芯片，進行圖像壓縮編碼算法優(yōu)化，和采用預處理以及后處理技術，提高圖像質(zhì)量。經(jīng)傳輸實驗結果表明2Mb/s數(shù)字電視傳輸裝置的主要性能指標優(yōu)于符合H.261的2Mb/s會議電視及2Mb/s MPEG 1數(shù)字電視，與3Mb/s MPEG 2數(shù)字電視相當或更好。
本實用新型的技術，通過將數(shù)字化的視訊訊號加以壓縮，再配合數(shù)字傳輸技術，可在有效的通道頻寬內(nèi)傳送更多的資料，如對衛(wèi)星頻寬為36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器而言，以前只能傳送2至3個調(diào)頻衛(wèi)星電視節(jié)目，現(xiàn)今能傳送6至9個電視節(jié)目，可大大提高傳輸效率。此外，隨著廣播電視的數(shù)字化，將會開拓出各種新的業(yè)務，包括電視會議、點播電視VOD(Video On Demand)、準點播電視、監(jiān)控電視、遠程教學、遠程醫(yī)療、遠地購物、實時的軍事或公安現(xiàn)場傳送、延時廣播、游戲、遠地工作、點播卡拉OK和點播新聞等。
權利要求1.一種2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，包括發(fā)端的視頻編碼器和收端的視頻解碼器，發(fā)端的視頻編碼器包括中央處理單元和幀編碼器，收端的視頻解碼器包括MPEG2解碼片和PAL信號編碼器，其特征在于所述的視頻編碼器中還包括有視頻前處理器，與輸入的視頻信號及所述的幀編碼器連接，并與所述的中央處理單元連接；所述的視頻解碼器中還包括有視頻后處理器，與所述的MPEG2解碼片及PAL信號編碼器連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，其特征在于所述的視頻前處理器是二維修正的中值濾波器，由棧濾波器實現(xiàn)；包括用于一行延時的第一行緩沖器、用于一行延時的第二行緩沖器、兩輸入最大值比較器、兩輸入最小值比較器和三輸入變量的中值比較器；輸入的視頻信號分別連接第一行緩沖器的輸入端及兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的一輸入端，第一行緩沖器的輸出端連接第二行緩沖器的輸入端及三輸入變量的中值比較器的一變量輸入端，第二行緩沖器的輸出端分別連接兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的另一輸入端，兩輸入最大值比較器與兩輸入最小值比較器的輸出端連接三輸入變量的中值比較器的兩變量輸入端。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，其特征在于所述的二維修正的中值濾波器是在Altera公司的FLEX10K系列單片EPLD器件上實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權利要求1所述的2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，其特征在于所述的視頻后處理器是沿塊邊緣進行低通濾波的自適應二維空間濾波，包括經(jīng)過塊效應估值、自適應塊邊緣濾波及塊分類后，對于平滑區(qū)域的3×3平均濾波、對含有強邊緣區(qū)域的5×5中值濾波和對于含紋理區(qū)域的3×3中值濾波。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的2兆比特每秒的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置，其特征在于所述的視頻后處理器，是采用Xilinx公司的XC4000E系列單片F(xiàn)PGA器件實現(xiàn)的。
專利摘要本實用新型涉及一種2Mb/s的廣播級數(shù)字電視傳輸裝置,采用MPEG2作為圖像壓縮標準,碼率為2Mb/s,圖像質(zhì)量保持廣播級傳輸水平。在發(fā)端的視頻編碼器中增加視頻前處理器并與中央處理單元及幀編碼器連接,和在收端的視頻解碼器中增加視頻后處理器并與MPEG2解碼片及PAL信號編碼器連接。其中的視頻前處理器采用二維修正的中值濾波器,由棧濾波器實現(xiàn);視頻后處理器是沿塊邊緣進行低通濾波的自適應二維空間濾波器。
文檔編號H04N7/015GK2407534SQ0020494
公開日2000年11月22日 申請日期2000年3月3日 優(yōu)先權日2000年3月3日
發(fā)明者全子一, 門愛東, 劉洵, 蔡朝暉, 紀涌, 林國輝, 張南若, 林勝 申請人:北京市電信管理局, 北京郵電大學