专利名称：2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数字电视的传输装置，更确切地说是涉及一种2兆比特每秒(2Mb/s)广播级数字电视传输装置。
电视是人们日常生活中接收信息及娱乐的重要工具，在当今的信息社会中，广播电视作为社会的基础设施，正日益广泛地被公众所认识。而随着微电子、光电子、计算机及通信技术的飞速发展及其结合，人们对电视广播服务的需求反而有增无减，从而更加促进了电视广播技术的发展。
但由于电视信号是模拟信号，而目前已有的通信网，如公用电话网、基于X.25协议的分组交换网及各类局域网等已越来越多地变成数字网，因此电视图像不能直接进入数字通信网中进行传送，而必须经过数字化处理后才能进入。
按ITU-RBT 601标准，一路电视信号数字化后的数据速率为216Mb/s，接近3400个话路的带宽，因此，为了更经济有效地传输数字化后的电视信号，需要采用压缩编码技术来降低传输速率。
2Mb/s数字电视传输系统就是将216Mb/s的电视信号压缩成2.048Mb/s，压缩比为100∶1，而2Mb/s的传输速率是符合我国通信网体制的接口码率的(其它接口码率是34Mb/s、140Mb/s、155Mb/s等)。但由于压缩比大，在低码率下因量化的粗糙会产生如“块效应”、“清晰度下降”、“振铃效应”等图像缺陷。
2Mb/s的数字电视传输系统属于活动图像传输系统，但与活动图像传输系统中的其它系统存在明显的差别。一类活动图像传输系统是采用ITU H.61和MPEG1、MPEG4标准(MPEG1、MPEG2、MPEG4等是一系列的图像压缩标准，MPEG为活动图像专家组的英文缩写)，例如会议电视、可视电话和VCD等，输出码率1.5Mb/s左右，与2Mb/s数字电视传输系统的输出码率相当，但其恢复图像质量清晰率低，最高为353×288象素(CIF或SIF格式)，仅能达到家用录相机VHS水平，而且对于某些图像会有明显的块效应及运动拖尾失真，不能满足人们对高质量图像的要求。另一类活动图像传输系统是采用MPEG2标准，MPEG2标准采用帧间DPCM/DCT混合编码，可以获得演播中心级的电视质量，但当码率降低到2Mb/s以下时，会产生“块效应及运动拖尾失真”等，由于此时各种边信息与有用信息相比，占的比例越来越大，使恢复的图像反而不如采用MPEG1标准时的好。目前国际上广泛采用MPEG2标准作为传送广播级数字电视的压缩标准，采用的是3Mb/s直到15Mb/s的可变码率格式。
本实用新型的目的是设计一种2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，采用MPEG2标准，作为广播传送图像的压缩标准，最终达到2Mb/s的码率，且图像质量还能保持广播级传输水平。
本实用新型的目的是这样实现的一种2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，包括发端的视频编码器和收端的视频解码器，发端的视频编码器包括中央处理单元和帧编码器，收端的视频解码器包括MPEG2解码片和PAL信号编码器，其特征在于所述的视频编码器中还包括有视频前处理器，与输入的视频信号及所述的帧编码器连接，并与所述的中央处理单元连接；所述的视频解码器中还包括有视频后处理器，与所述的MPEG2解码片及PAL信号编码器连接。
所述的视频前处理器是二维修正的中值滤波器，由栈滤波器实现；包括用于一行延时的第一行缓冲器、用于一行延时的第二行缓冲器、两输入最大值比较器、两输入最小值比较器和三输入变量的中值比较器；输入的视频信号分别连接第一行缓冲器的输入端及两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的一输入端，第一行缓冲器的输出端连接第二行缓冲器的输入端及三输入变量的中值比较器的一变量输入端，第二行缓冲器的输出端分别连接两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的另一输入端，两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的输出端连接三输入变量的中值比较器的两变量输入端。
所述的二维修正的中值滤波器是在Altera公司的FLEX10K系列单片EPLD器件上实现的。
所述的视频后处理器是沿块边缘进行低通滤波的自适应二维空间滤波，包括经过块效应估值、自适应块边缘滤波及块分类后，对于平滑区域的3×3平均滤波、对含有强边缘区域的5×5中值滤波和对于含纹理区域的3×3中值滤波。
所述的视频后处理器，是采用Xilinx公司的XC4000E系列单片FPGA器件实现的。
本实用新型的每秒2兆比特的广播级数字电视传输装置，以修正了的MPEG2作为图像压缩标准，通过增加前、后视频的预、后处理等技术来提高压缩比，最终达到2Mb/s的码率，解决MPEG2编码在低比特率下如何提高图像质量的问题，使具有不低于MPEG2规定的3Mb/s码率的图像质量，即高于会议电视的图像质量，小失真或不失真地传送高速运动图像，并能减少常见的在大压缩比下产生的块效应失真等。
本实用新型的每秒2兆比特的广播级数字电视传输装置，是在2Mb/s的传输码率上同时传输广播级质量的图像、高质量的声音及高速数据的数字电视，有利于多媒体通信及高速信息公路和应用。
下面结合实施例及附图进一步说明本实用新型的技术
图1是2Mb/s的数字电视传输系统结构框图图2是视频编码器原理性结构框图图3是视频解码器原理性结构框图图4是视频预处理器原理性结构框图图5是视频预处理器二维修正的中值滤波器原理性结构框图图6是视频预处理器与外围元件的实施电路图图7是视频后处理的块效应处理流程框图图8是视频后处理器与外围元件的实施电路图参见图1，图中示出2Mb/s的数字电视传输系统结构，包括2Mb/s的广播级数字电视传输装置和数字通信网，2Mb/s的广播级数字电视传输装置通过E1或E2接口与数字通信网10连接。2Mb/s的广播级数字电视传输装置的发端11包括视频编码器111、音频编码器112、数据编码器113和打包及信道编码器114。2Mb/s的广播级数字电视传输装置的收端12包括信道解码及拆包器124、视频解码器121、音频解码器122和数据解码器123。
为了实现传输码率为2Mb/s的目的，必须以大压缩比将图像信号压缩到1.6Mb/s左右，可以采用许多新的压缩技术，如小波变换编码、分形编码和基于模型的面向对象编码等(目前这些编码技术还处于理论研究阶段，未达到实际应用水平)，本实用新型所采用的国际标准MPEG2，则是采用帧间运动补偿预测/检测混合编码技术，是能实际应用的成熟技术(码率格式最低3Mb/s)。通过在视频编码器111中增加视频预处理器和在视频解码器121中增加视频后处理器及其它技术来提高压缩比，使图像码率降为1.6Mb/s。音频编、解码器112、122对声音采用MPEG层I、层II国际压缩标准，传一路立体声的码率为194Kb/s，加上数据编码及纠错编码，总的发端的传输码率符合ITU G.703接口要求的2.048Mb/s标准。
实施例的2Mb/s广播级数字电视传输装置，输入视频为模拟复合PAL制信号，分量视频符合CCIR.601标准；音频接口符合IEC268-15标准；信道接口遵循G.703建议；压缩编码及打包遵循MPEG-2各层相应标准。
参见图2、图4、图5、图6，图2中示出视频编码器111的原理性结构，包括视频预(前)处理器201、中央处理单元(CPU)202、I帧编码器(Encoder)203、缓冲器(FIFO)204、码流控制电路(FPGA)205、快闪随机存取存储器(FlashRAM)206、重建编码器(R Encoder)207、运动搜索编码器(S Encoder)208、动态随机存取存储器(DRAM)209、静态随机存取存储器(SRAM)210和动态随机存取存储器(DRAM)211。本实用新型的视频编码器与一般的视频编码器的不同之处是在发端增加了视频预(前)处理器201。
视频编码器的作用是接收模拟的PAL制视频输入(Video input)信号，经PAL制解码转换为CCIR.601建议的4∶2∶2，720×576格式的YCrCb信号，然后进行预处理，最后送入MPEG-2视频编码器进行ES流编码，视频压缩编码符合MPEG 2标准MP@ML。视频编码器在主控CPU 202的控制下进行操作。
由于信源的质量对其后压缩编码的性能有重要的影响，尤其在编码的输出目标码率较低时更显得重要。因为噪声增加了输入端的信息量，而且图像的相关性减弱，会使后续的压缩编码变得困难。发端的预处理就是预滤波，滤除混杂在有用信号中的噪声，去除原始图像中人眼不敏感次界细节或采用降噪技术，使输入的信息量减少，以提高压缩编码的性能。实验表明将原图像的信噪比(SNR)提高8db，可使MPEG的压缩倍数提高20％至25％。
本实用新型的视频预处理即预滤波，采用图像滤波中广泛使用的二维中值滤波器来消除脉冲干扰(属于非线性滤波)，但二维中值滤波有其固有的一些缺点，本实用新型采用经改进的栈滤波器，通过修正来保留图像的细节(清晰度)，其抗脉冲干扰的能力优于二维中值滤波器。
本实用新型根据Jimmy Li于1990年提出的基于中值滤波的特征选择的算法，将该算法与栈滤波器结合，而采用了一种能消除由于一行数据丢失而引起噪声的滤波器。
图4示出一种用硬件实现的栈滤波器的原理性结构，包括对视频数据输入信号进行1行延时的第一行缓冲器41、对第一行缓冲器41输出进行1行延时的第二行缓冲器42、对视频数据输入信号及第二行缓冲器42的输出信号进行最大值比较的两输入最大值(Max)比较器43、对视频数据输入信号及第二行缓冲器42的输出信号进行最小值比较的两输入最小值(Max)比较器44和三输入变量的中值比较器45，三输入变量包括最小值比较器44的输出信号、最大值比较器43的输出信号及第一行缓冲器41的输出信号。三输入变量的中值比较器45输出y(m，n)二进制信号送压缩编码。y(m，n)为对应的滤波器二进制信号输出。
基于图4结构的二维修正的中值滤波器可在ALTRA公司的FLEX10K系列单片EPLD器件上实现，无需外接存储单元，其与外围电路的连接原理框图如图5所示，与外围电路的实施电路如图6所示。
图5中，PAL解码器51接收模拟的PAL制视频输入信号，经PAL制解码转换为符合CCIR.601建议的4∶2∶2，720×576格式的YCrCb信号，然后经缓冲、帧存52和二维修正的中值滤波器53进行预处理，最后送入MPEG-2视频编码器进行ES流压缩编码，整个过程由主控CPU 54控制。
图6中，图中示出视频编码器的实施电路。二维修正的中值滤波器是在作为图象预处理单元的FLEX10K系列单片EPLD器件上实现的，与其连接的包括有帧存储器(FIELD Store)、主控CPU(中央微控制器ADSP2181)、数字视频接口(INTERFACE)和PAL解码器(PAL电视解码器HMP81 12A)。
本实用新型的视频预处理器还对MPEG的算法进行了优化，对在低比特率下应用的MPEG算法中的各种选项进行了优化组合。
参见图3，视频解码器包括中央处理单元(CPU)301、与信道的接口单元302、FPGA控制模块303、MPEG2解码芯片304、视频后处理器305、时钟发生器306、动态随机存取存储器组(DRAM)307、音频电路(DA)308、声音输出电路309、PAL信号编码器310、视频输出311、面板接口312和RS232端口313。本实用新型视频解码器与一般视频解码器的不同之处是在收端增加了后处理器。
视频ES码流经缓存及MPEG 2解码后，进行后处理，最后经PAL编码转换成模拟视频信号输出。
数字电视传输系统在低码率下会产生块效应、振铃效应及清晰度下降等图像缺陷，其中的块效应是由于粗糙的量化破坏了块与块之间的相关性所引起的，而振铃效应及清晰度下降也是由于量化后高频系数损失所引起的。
本实用新型的数字电视传输装置在收端的视频解码器中采取后处理技术来减轻或消除这些缺陷，沿块边缘进行低通滤波是消除块效应的一种最直观的方法，但运动补偿会使块效应扩散，这种方法并不能提供很好的主观质量，而且简单的滤波还会使图像细节损失。本实用新型采用基于边缘检测的自适应二维空间滤波技术来去除块效应与振铃效应。
参见图7，图中示出自适应二维空间滤波的操作流程，包括步骤601，对图像块输入作块效应估值，可采用比较传统的简单测量方法，压缩前位于不同块的相邻象素有很大的相关性，而压缩后因量化的原因使它们间的相关性大大减弱，就可用这些象素的差的平方和表示块效应的严重程度，当估值结果表示有严重的块效应时，就作块边界的平均；步骤602，自适应块边缘滤波，对每一图像块计算估值并用象素数平均；步骤603，块分类即边缘检测，从而分辨出平滑(平坦)区域、强边缘区域和纹理区域，再针对不同的区域采取不同的滤波器平滑图像；步骤604，平滑区域由于高频成分很少，可采取简单的3×3平均滤波来滤除扩散的块效应；步骤605，对于含有强边缘的区域，采用5×5的中值滤波来滤除振铃效应，中值滤波器对于块边缘有很好的保持作用，对图像细节的损伤不大；步骤606，对于含纹理的区域，由于人眼的掩蔽效应，各种缺陷在这里并不明显，所以对该区域采用3×3中值滤波；步骤607，经不同滤波后对各路图像信号进行组合后输出。
提高图像清晰度的基本思想就是合理地提高图像的高频成份来增加图像的色彩分辨率，包括增强空域图像的边缘对比度，在作增强处理时先区分大边缘、小边缘和噪声，再进行不同的处理，如对大、小边缘进行不同程度的增强，对于噪声则进行抑制等。
参见图8，实施例的视频后处理器，采用了Xilinx公司的XC4000E系列单片FPGA(VIDEO POST PROCESSING)器件实现，其外围电路包括接口电路(INTERFACE)和数字PAL编码器(PAL ENCODER BT866)。
综上所述，本实用新型的2Mb/s数字电视传输装置，利用专用的MPEG 2编解码芯片，进行图像压缩编码算法优化，和采用预处理以及后处理技术，提高图像质量。经传输实验结果表明2Mb/s数字电视传输装置的主要性能指标优于符合H.261的2Mb/s会议电视及2Mb/s MPEG 1数字电视，与3Mb/s MPEG 2数字电视相当或更好。
本实用新型的技术，通过将数字化的视讯讯号加以压缩，再配合数字传输技术，可在有效的通道频宽内传送更多的资料，如对卫星频宽为36MHz的转发器而言，以前只能传送2至3个调频卫星电视节目，现今能传送6至9个电视节目，可大大提高传输效率。此外，随着广播电视的数字化，将会开拓出各种新的业务，包括电视会议、点播电视VOD(Video On Demand)、准点播电视、监控电视、远程教学、远程医疗、远地购物、实时的军事或公安现场传送、延时广播、游戏、远地工作、点播卡拉OK和点播新闻等。
权利要求1.一种2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，包括发端的视频编码器和收端的视频解码器，发端的视频编码器包括中央处理单元和帧编码器，收端的视频解码器包括MPEG2解码片和PAL信号编码器，其特征在于所述的视频编码器中还包括有视频前处理器，与输入的视频信号及所述的帧编码器连接，并与所述的中央处理单元连接；所述的视频解码器中还包括有视频后处理器，与所述的MPEG2解码片及PAL信号编码器连接。
2.根据权利要求1所述的2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，其特征在于所述的视频前处理器是二维修正的中值滤波器，由栈滤波器实现；包括用于一行延时的第一行缓冲器、用于一行延时的第二行缓冲器、两输入最大值比较器、两输入最小值比较器和三输入变量的中值比较器；输入的视频信号分别连接第一行缓冲器的输入端及两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的一输入端，第一行缓冲器的输出端连接第二行缓冲器的输入端及三输入变量的中值比较器的一变量输入端，第二行缓冲器的输出端分别连接两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的另一输入端，两输入最大值比较器与两输入最小值比较器的输出端连接三输入变量的中值比较器的两变量输入端。
3.根据权利要求1或2所述的2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，其特征在于所述的二维修正的中值滤波器是在Altera公司的FLEX10K系列单片EPLD器件上实现的。
4.根据权利要求1所述的2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，其特征在于所述的视频后处理器是沿块边缘进行低通滤波的自适应二维空间滤波，包括经过块效应估值、自适应块边缘滤波及块分类后，对于平滑区域的3×3平均滤波、对含有强边缘区域的5×5中值滤波和对于含纹理区域的3×3中值滤波。
5.根据权利要求1或4所述的2兆比特每秒的广播级数字电视传输装置，其特征在于所述的视频后处理器，是采用Xilinx公司的XC4000E系列单片FPGA器件实现的。
专利摘要本实用新型涉及一种2Mb/s的广播级数字电视传输装置,采用MPEG2作为图像压缩标准,码率为2Mb/s,图像质量保持广播级传输水平。在发端的视频编码器中增加视频前处理器并与中央处理单元及帧编码器连接,和在收端的视频解码器中增加视频后处理器并与MPEG2解码片及PAL信号编码器连接。其中的视频前处理器采用二维修正的中值滤波器,由栈滤波器实现;视频后处理器是沿块边缘进行低通滤波的自适应二维空间滤波器。
文档编号H04N7/015GK2407534SQ0020494
公开日2000年11月22日 申请日期2000年3月3日 优先权日2000年3月3日
发明者全子一, 门爱东, 刘洵, 蔡朝晖, 纪涌, 林国辉, 张南若, 林胜 申请人:北京市电信管理局, 北京邮电大学