现代通信技术概论---第8章数字图像通信系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,E-mail:shenjh,*,1,第,8,章 数字图像通信系统,8.1,概述,8.2,数字图像通信原理,8.3,数字传真通信,8.4,活动数字图像通信系统,2,8.1,概述,图像通信是一种视觉通信，已成为当代通信领域主要手段之一。,图像通信传送和接收的图像信息可以是静止的或活动的,图像信息可以采用模拟或数字的形式进行传送，传送和接收数字图像信号的通信系统就是数字图像通信系统,3,8.1.1,图像通信的特点,直观性强,-,图像表示形象直观，易于理解。,数据量大,-,数字图像的数据量比语音要大一个数量级，比文本数据大两个数量级。,信息确切性好,-,与听觉获取相比，视觉获取的信息内容更容易确认，不易发生歧义。,6,数字图像通信系统的组成（2,/5,）,输入设备,输入设备产生静止或活动的图像信号，例如电视摄像机、录像机、扫描仪、传真扫描头和电子黑板等都可作为产生图像的输入设备。,7,数字图像通信系统的组成（3,/5,）,编码器,信源编码器,模拟的图像信号转换为数字信号,压缩图像信号。,信道编码器,将信源编码器输出的比特流转变为适合信道传输的形式,包括差错控制编码和调制，以及数据打包和传输层控制等。,8,数字图像通信系统的组成（4,/5,）,信道,提供让信号通过的通道，同时也会对信号产生限制和损害,狭义信道为传输媒质,广义信道还包括相关的转换器和设备，因此，电话网、移动通信网和因特网等网络是广义信道。,9,数字图像通信系统的组成（5,/5,）,解码器,解调器、解码器分别是上述编码器和调制器的逆过程,显示终端,用来显示被复原的图像的设备，可以是电视荧光屏、液晶显示屏、打印机、图像拷贝机等,10,8.2,数字图像通信原理,模数变换,图像压缩编码,数字传输、宽带接入与交换等关键技术,11,8.2.1,图像信号数字化,(1/4),原始图像的数字化包括以下三个过程,空间位置的数字化,幅度值的数字化,编码,12,图像信号数字化,(2/4),空间位置的数字化,本质上就是对连续分布的空间位置进行抽样，选取有限个位置来表示整幅图像。,在二维空间中，包括垂直和水平两个位置或方向的数字化,。,在垂直位置上进行扫描，即用若干等距离的水平扫描行来表示图像；,在水平方向上进行抽样，即按照一定的间隔选取信号,13,图,8-2,图像信息的像素点,图像信号数字化,(3/4),14,图像信号数字化,(4/4),幅度的数字化,量化：用有限的幅度值来表示连续变化的幅度值,“,量化,”,的含义与,2.2.1,节所述内容相同，这里不再重述。,编码,编码原理与方法与,2.2.1,节相同,编码使用的码字位数与量化级数有关，量化级数多固然可以减小量化误差，但是编码时使用的码字位数也多，占用的传输带宽也越大,15,8.2.2,数字信号的压缩与编码,(1/2)为什么要进行压缩,压缩的必要性,数字图像包含巨大的信息量，为了有效地存储和在有限的信道中传输图像信息，有必要对图像信息进行压缩,压缩的可能性,图像信息包含有用的信息和无用的多余信息，消除多余信息可以节约码字，达到数据压缩的目的。,图像通信允许图像编码存在一定失真,16,数字信号的压缩与编码,(2/2),图像压缩的原理和方法,压缩编码：在保证一定的图像质量和满足要求的前提下，减少原始图像数据量的处理过程,两种基本思路,利用图像固有的统计特性，从原始图像中提取有效的信息，尽量去除冗余信息，例如减少相邻像素之间、相邻帧之间的冗余信息,利用人的视觉特性，力图发现人眼是根据哪些关键特征来识别图像，然后根据这些特征来构造图像模型,17,无失真编码(1/2),压缩编码时不丢失有效信息，编码后的复原图像与编码前的原始图像完全相同,两种典型方法：,哈夫曼编码和算术编码,18,无失真编码(2/2),图,8-3,哈夫曼编码方法,19,限失真编码,图,8-4,运动图像,的预测编码,压缩编码后可能造成失真，编码后的复原图像与编码前的原始图像有差别,预测编码、离散余弦变换,20,8.2.3 数字图像信号的编码标准,三大系列：,H.26x,、,JPEG,和,MPEG,三大组织,国际电信联盟远程通信标准化组,ITU-T:ITU for Telecommunication Standardization Sector,国际标准化组织,ISO:International Organization for Standardization,国际电工委员会,IEC:International Electro-technical Commission,21,H.261,标准,第一个视频压缩编码国际标准，由,ITU-T,颁布，在,ISDN,上开展可视电话和会议电视,数据速率为每秒,64,千比特,192,千比特(,N,64 kbps,),仅支持,CIF,和,QCIF,两种图像格式,图像数据被划分为四个层次原始图像即为图像层、块组层、宏块层、子块层,预测编码与,DCT,相配合的混合编码方式,22,H.263,标准（1/2）,H.263,核心仍然是,DPCM/DCT,混合编码，也采用了四层的分层结构进行编码,与,H.261,标准不同之处是，,H.263,做了一些修改或扩充,支持,CIF,、,QCIF,和另外三种图像格式，它们的分辨率分别为,QCIF,分辨率的一半、,4,倍和,16,倍。,预测编码估值精度可以达到半个像素,增加了四种可选项以提高编码效率,采用算术编码代替哈夫曼编码，编码效率更高。,23,H.263,标准（2/2）,H.263,进一步提高了压缩编码性能,支持更多的图像格式类型，允许自定义图像的尺寸,采用更好的编码方法,通过一些技术增强了图像信息在易误码、易丢包的网络环境下的传输,。,24,JPEG,标准,主要用于连续彩色静止图像的数据压缩,以,DCT,技术为基础，能够提供较好的图像质量和较高的压缩率,由,ISO,和,ITU-T,于1991年联合公布,25,JPEG 2000,支持各种类型图像压缩，包括二值图像、多分量图像、遥感图像、医学图像和合成图像等,在表示像素位数即每像素位低于,0.25,时，恢复出来的图像具有较好的细节质量，比原标准具有更好的甚低比特率性能。,对同一码流能同时提供有损或无损压缩。,允许用户自定义感兴趣区域，并对感兴趣区域的图像提供更好的编码质量。,在通过无线信道传输时码流具有良好的抗误码性能，并采用数字水印技术提高图像安全保护性能。,采用了压缩率更高的小波变换方法,26,MJPEG,标准,JPEG,标准也用来对活动图像进行编码，此时,JPEG,把视频序列中的每一帧当作一幅静止图像来处理，即所谓,Motion JPEG，,简称为,MJPEG,目前,JPEG,被广泛应用在各种应用场合，比如一般的图片、医疗图片、卫星图片的保存和传输，多媒体应用和广播电视后期制作等,27,MPEG,标准,活动图像及其声音的数字编码标准,包括,MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7,和,MPEG-21,等多个,版本,比其他数据压缩标准兼容性好，能够提供更高的压缩比率，对数据造成的损失小,28,MPEG-1,用于数据传输率不超过每秒,1.5,兆比特的数字存储媒体上活动图像及其伴音的编码,编码方法采用了改进的运动补偿、,DCT,和量化等技术,支持的典型数据传输速率为,每秒,1.5,兆比特，此时提供的图像质量与家用录像系统的质量相当,最高编码速率可达,每秒,4,兆比特,5,兆比特,，随着速率的提高，解码后的图,像,质量有所降低,应用于,VCD、MP3,和数字电话网络上的视频传输，如视频点播，它也可被用来在因特网上传输音频,29,MPEG-2,适用于,每秒,1.5,兆比特,60,兆比特,，甚至更高数据速率的编码，,编码码率从每秒,3,兆比特,100,兆比特,特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为标准数字电视和高清晰度电视的编码标准,应用范围更广，包括了,MPEG-1,的工作范围,区分不同类型的应用，对不同应用下的图像提供不同级别的图像质量，即低级、主级、高级和更高级,低级图像质量与,MPEG-1,相同,主级图像质量相当于演播室图像质量,高级和更高级图像质量相当于高清晰度电视质量,由于,MPEG-2,的功能包括了,MPEG-3，,后来,MPEG-3,被取消,30,MPEG-4(1,/3),针对数字电视、交互式图形应用、交互式多媒体整合和压缩技术的需求而制定,不只是具体的压缩算法，它将众多的多媒体应用集成在一个完整的框架内，目的是为多媒体通信及应用环境提供标准的算法和工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式,31,MPEG-4(2,/3),“,基于对象编码,”,的概念,将一幅图像分成若干在时间和空间上相互联系的视频、音频对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然后再对不同的对象分别解码，再组合成所需要的视频和音频,好处,便于对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法，在压缩效率与解码质量间得到较好的平衡,使得数据的接收者不再是被动的，具有操纵对象的能力，可以对不同的对象进行独立的删除、添加、移动等操作。,32,MPEG-4(3/3,),其他特点,提供了更高的编码效率，在相同的比特率下，更好的视觉听觉质量使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能。,MPEG-4,还支持具有不同带宽、不同存储容量的传输信道和接收端，这使得它适用于许多应用场合,主要应用于因特网视音频广播、无线通信、静止图像压缩、电视电话、计算机图形、动画与仿真和电子游戏,33,MPEG-7,多媒体内容描述接口,是为了快速、有效地搜索用户所需要的不同类型的多媒体信息而提出的标准,规定了各种类型的多媒体信息的标准化描述，将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速有效地搜索和索引,可以独立于其他,MPEG,标准使用，但,MPEG-4,中所定义的音频、视频对象的描述适用于,MPEG-7,不仅包含了,MPEG-1,、,MPEG-2,和,MPEG-4,标准现有内容的识别，还包括了更多的数据类型，可以是静止图像、图形、音频、动态视频以及这些元素的组合。,支持非常广泛的应用,34,MPEG-21,正式名称是“多媒体框架”，又称“数字视听框架”,它是在电子商务蓬勃发展的背景下应运而生的产物，是为了解决新,市场所面临的问题,如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品”,如何保护多媒体内容的知识产权,如何为用户提供透明的媒体信息服务,如何检索内容;,如何保证服务质量等而制定的标准,目标是,建立一种高效、透明和互操作的真正跨平台的多媒体框架，实现在各种不同的网络间的数据交换，完成,内容描述、创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权保护、终端和网络资源抽取、事件报告等功能。,35,8.2.4 数字图像的传输,除了压缩编码，数字图像通信系统的关键技术还包括,用户的接入网络,数据的传输网络,信息的交换网络,36,数字图像的传输,两种数字传输方式,基带传输,直接传输数字化后的图像信号,实现简单，但是传输距离有限,频带传输,长距离传输,将基带信号进行数字调制，然后再将调制后的信号送上信道传输,37,信道差错编码,常规的信道差错编码,检错重发、前向纠错和混合纠错等多种编码方式,图像通信系统采用的差错编码技术,前向纠错编码,增加信源编码差错控制的能力,联合设计信道编码与信源编码以提高图像信息传输的抗干扰性能,38,数字调制技术,重要性,可以在相同的信道带宽下传输更多的图像数据,可以提高图像信号传输的可靠性,常用的数字调制方法,多进制相移键控、多进制正交幅度调制、网格编码调制、正交频分复用调制、编码正交频分复用调制和残留边带调制等,39,正交频分复用调制,简称为,OFDM,，,Orthogonal Frequency Division Multiplexing,基本思想,将高速率的串行数据转换为多个低速率数据流，每个低速率数据流分别用一个载波进行调制，则组成一个使用多载波同时进行调制的并行传输系统,优点,采用大量（,N,个）子载波的并行传输，在相等的传输数据率下，在时域内,OFDM,码字长度是单载波的,N,倍，抗码间干扰的能力可显著提高,与一般的频分多路复用方式不同，,OFDM,的频率利用率较高,40,其他数字调制技术,编码正交频分复用调制,COFDM:Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing,，,先将图像信号经过信道编码，成为数据符号，再进行,OFDM,调制。由于,COFDM,调制抵抗多径效应的能力强，所以可以用于地面传输固定接收，也可用于便携和移动接收,残留边带调制是一种特殊的振幅调制方式，它是在双边带调幅的基础上，保留信号的一个边带的大部分频率成分，而对于另一个边带只保留频率成分的小部分（即残留）。这种调制方法既比双边带调幅节省频谱，又比单边带调幅易于解调。它的缺点是抗多径效应的能力差，在移动接收方面，效果令人不满意,41,宽带接入终端用户到网络之间的所有设备则被称为,“,接入网,”,，由于其长度一般为几百米到几公里，所以也形象地被称为,“,最后一公里,”,。,用户接入往往成为制约图像通信发展的主要因素,常见的宽带接入技术,铜线接入,光纤接入,光纤铜线混合接入,无线接入,高速以太网接入,42,铜线接入,以现有电话网络的双绞线为传输媒质的一种宽带接入技术，也叫数字用户环路,DSL:Digital Subscriber Line,根据具体采用的技术不同，数字用户环路技术包括非对称、高速和甚高速数字用户环路等不同类型。,43,XDSL(,1/2),非对称数字用户环路,:Asymmetric DSL,用户线路的上行（从用户终端到网络）速率和下行（从网络到用户终端）速率不同，上行速率低，下行速率高。,利用一对双绞线同时传输数据和话音，提供速率从每秒,32,千比特到每秒,8.192,兆比特的下行流量和从每秒,32,千比特到每秒,1.088,兆比特的上行流量,普通电话业务仍在原频带内传送，经由低通滤波器和分离器插入到,ADSL,通路中，因此即使,ADSL,系统发生故障也不会影响正常的电话业务,上、下行速率不一样的特点特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播、多媒体信息检索和其他交互式业务，,ADSL,的有效传输距离在,35,公里以内,44,XDSL(,2/2),高速数字用户环路（,HDSL:High-bit-rate DSL,）,利用现有铜缆电话线的两对或三对双绞线，提供全双工的数据传输，数据速率为每秒,1.544,兆比特或,2.048,兆比特。,HDSL,的优点是可以解决少量用户传输每秒,384,千比特和每秒,2.048,兆比特宽带信号的要求，缺点是目前还不能传输每秒,2.048,兆比特以上的信息，传输距离限于,610,公里以内。,甚高速数字用户环路（,VDSL:Very-high-bit-rate DSL,）,采用更先进的数字信号处理技术，当通信线路为,3001000,米左右时，最大下行速率可达每秒,51,兆比特,55,兆比特，当超过,1500,米时，速率为每秒,13,兆比特左右,45,光铜混合宽带接入,光纤同轴铜电缆混合的传输系统,HFC:Hybrid Fiber Coax,）,改造现有的有线电视网，以光纤作为主干线，利用现有的有线电视同轴缆线作为用户接入线,有线电视网用户覆盖面广，实施方便，成本低，同时利用了光纤传输和有线电视的优点，是一种很有前途的宽带接入技术,采用分支和树型的连接结构,树根处放置电缆调制解调器，采用光纤连接到光节点，光节点起光电转换的作用，光节点通过同轴电缆与用户相连。光节点与用户之间有一个网络接口单元，它放在用户家中或附近，负责将光节点送来的信号分解成电话信号、数据信号和视频信号，然后分别送往相应的用户设备（电话机、计算机和电视机）中,46,以太网接入,千兆以太网以,TCP/IP,协议为基础，以光纤为主要传输媒介的高速局域网，传输速率可以达到每秒千兆比特。随着以太网技术的日益成熟，也可以使用电话线和无线电波作为传输媒介。使用以太网接入方式的优点是接入手段采用的是与,IP,协议一致的数据格式，容易与各类,IP,网络实现无缝连接，从而提高运行效率，方便管理，降低成本。,47,无线宽带接入,无线接入是利用无线技术为固定用户或本地区域移动用户提供接入手段。无线接入的主要技术包括数字蜂窝技术、微蜂窝技术、数字微波技术、毫米波及一点多址技术等。近年来出现一种固定的宽带无线接入方式，即本地多点分布系统，它的有效带宽可达,10,12,赫兹（,GHz,）,数量级，可为用户分配155,Mbps,速率，因此利用它作为宽带接入手段，可为数字图像通信系统用户提供高效的图像信息,48,光纤接入,(1,/2),从用户终端到网络之间全部采用光纤作为传输媒介,光纤接入的主要技术是光信号传输技术,光信号传输采用的复用技术主要有光波分复用、光时分复用、光码分复用、光频分复用、光空分复用和光副载波复用等,由于光纤上传送的是光信号，因而需要在网络与用户接口处的交换局将电信号进行电光转换变成光信号，再在光纤上进行传输。在用户端则进行光电转换恢复成电信号后，送至用户设备,49,光纤接入,(,2/2),根据光纤向用户延伸的距离，光纤接入可以分为,光纤到路边,FTTC:Fiber To The Curb，,在从交换局到离家庭或办公室几公里以内的,路边,安装和使用光缆。,FTTC,利用同轴电缆或其他传输媒质可以把信号从,路边,传递到家中或办公室里。目前的主要应用形式,光纤到大楼,FTTB:Fiber To The Building，,将网络接口单元放置到大楼内，单位或商业用户可以共享各种宽带业务,光纤到家,FTTH:Fiber To The Home，,直接将光纤引入到每个家庭，让每个用户独立享受宽带传输带来的便捷。由于成本、用户需求和市场等方面的原因，,FTTH,仍然是一个长期的任务，是接入网的长期发展目标,50,交换网络,重要性,不仅使多台通信终端共享传输媒质，而且完成网络中任意用户的相互连接,交换方式往往决定了通信网络的总体运行方式和网络性能，从而也对用户终端类型和接入方式提出了相应的要求。,目前通常使用的交换网络包括,公用交换电话网、综合业务数字网、,ATM,网、宽带,IP,网和无线网铜线接入,51,公用交换电话网,PSTN:Public Switch Telephone Network,规模最大、历史最长，也是最成熟的公共通信网,主要是为传输话音信号而设计建造的电路交换网络，在,PSTN,上传输图像信号需要依靠调制解调器，将图像信号转换为适合电话线路传输的形式。借助现代数字通信技术，例如,ADSL,技术，,PSTN,提供的数据传输速率已达每秒兆比特。,52,综合业务数字网,ISDN:Integrated Service Digital Network,）,接入、交换和传输都是数字的通信网络，它提供了用户端到用户端的数字连接，用户通过有限的一组标准用户网络接口连接到网络上,与,PSTN,相比，,ISDN,采用了更为灵活的交换方式，可以根据用户的不同业务需求，为话音业务和非话业务提供不同的交换方式,ISDN,传输速率为每秒,64,千比特的整数倍，（整数倍数从,1,到,32,），最高传输速率仅为每秒,2,兆比特（准确地说，应该为每秒,2.048,兆比特），比较适于传输低速图像，但是难以适应高速图像通信的带宽需要,53,异步传输模式,ATM,，,Asynchronous Transfer Mode,是宽带综合业务数字网,B-ISDN:Broadband Integrated Service Digital Network,一种快速分组交换技术，一方面，将数据流分成固定长度的数据包或分组，称为信元；另一方面，使用统计时分复用技术，信元像同步时分复用的时隙一样定时地出现，从而可以对信元进行高速识别和交换处理，因此,ATM,既具有电路交换固定短时延的特性，又具有分组交换动态分配资源的优点。,ATM,提供的用户传输速率从每秒,1,兆比特到几吉比特，支持从窄带话音、数据到高清晰度电视等各种广泛的综合业务，是图像通信系统中最受欢迎也是使用最广泛的交换网络,54,IP,网,(,1/2),仅次于,PSTN,的第二大通信网络，使用,TCP/IP,协议进行工作的计算机通信网，例如，计算机局域网和因特网,IP,网通信过程简单，通信效率高,使用统一的,IP,地址，便于实现不同终端设备的互通和不同结构的网络的互连,能够在局域和城域范围内提供每秒千兆比特和每秒万兆比特的传输速率，提供宽带信息承载平台,可以利用为数众多的计算机网络开展图像通信业务，可以方便地与各种,IP,网络互连互通，既可以保证高效率、高性能，又可以降低成本,55,IP,网,(2,/2),先天缺陷是没有服务质量的保证，不能保证图像和多媒体通信业务实时传输的要求。,近年来人们采取了不少措施，包括因特网资源预留协议、,IPv6,和实时传输协议等,56,无线网络,无线分组通信网,以地面区域及蜂窝服务设计的网,以微小区域设计的局域或广域计算机网,以低轨道卫星实现的全球移动分组数据网,使用的无线信道可以是中波、短波、超短波、微波、卫星等,57,8.3 数字传真通信,8.3.1 传真分类,8.3.2 传真通信系统组成及工作原理,8.3.3 三类传真机,58,8.3.1 传真的分类,对文字、图表、相片等记录在纸面上的图像进行扫描、传输，并在接收端将图像重现出来的一种通信方式，也常被称为,“,远程复印,”,多种分类方法,分类方法,种类,按发送原稿性质分,相片传真,(,黑白、彩色,),、真迹传真,按占用电话路数分,单路文件传真、多路传真,按用途分,传真、相片传真、报纸传真、气象传真、彩色传真、缩微胶卷传真,59,单路文件传真,根据实现技术的不同，采用单路文件传真方式的传真机又分为四类，如表,8-4,所示,主要是利用公用交换电话网构成传真通信系统,新的传真通信方式已出现,利用分组交换方式,数字传真机出现，在综合业务数字网中，开始广泛使用数字传真机，提出了传真机与个人计算机相结合的未来发展方向,60,表8-4单路文件传真机的分类,数据压缩,传输方式,传输一页,A4,幅面时间,应用,低速传真机,（一类机）,无,没有频带调制,约为6分钟,已不生产,中速传真机,（二类）,无,幅度,相位调制,约为,3,分钟,作为三类、四类机的一种功能,高速传真机,（三类机）,哈夫曼编码，改进的,READ,码等,调制解调，电话线路,20,秒,1,分钟,目前主流,四类传真机,改进的,READ,码,数据网,3,15,秒,正在迅速发展,61,8.3.2 传真通信系统组成及工作原理,(1/4),由发送机、传输信道和接收机三部分组成，如图,8-5,所示,发送机部分包括扫描装置、信号处理和调制器,接收机部分由解调器、信号处理和记录装置组成,基本组成与前面所介绍的图像通信系统的组成是一致的，只是根据传真业务的特性，采用了特殊的输入设备（扫描装置）和输出设备（记录装置）,62,传真通信系统组成及工作原理,(2/4),图,8-5,传真通信系统的组成,63,传真通信系统组成及工作原理,(3/4),扫描装置的主要功能是将传真的原稿分解成像素，并把光信号转换成电信号,扫描装置输出的电信号在信号处理电路中进行数据压缩，以减少传真信号的冗余度，节约传输带宽。这里的信号处理相当于图,8-1,中的编码器部分。,解调器对接收到信号进行解调，经信号处理，还原成与扫描装置输出的原始电信号几乎相同的信号，再进行记录,记录装备的作用是将还原出来的文字或图像信号记录在显示介质上，以重现传真原稿,64,传真通信系统组成及工作原理,(4/4),传输信道的概念与图8-1图像通信系统模型是一致的，可以采用8.2.4节中介绍的各种传输技术或通信网络来提供传真通信的传输信道。通常地，根据信道中传输的信号特性，传真通信系统可以区分为数字传真通信系统和模拟传真通信系统,65,8.3.3 三类传真机,(1/8),基本构成,主要用在公用交换电话网上传送书信、文件、表格和图形等图像，是目前广泛使用的传真机,三类传真机的基本组成如图8-6所示,66,三类传真机,(2/8),图,8-6,三类传真机基本构成,67,三类传真机,(3/8),扫描单元采用图像传感器对原稿进行光电扫描，完成光电变换,扫描单元输出的模拟图像信号经过视频处理电路，变换成数字信号，然后由编码器完成图像数据压缩,系统控制器是全机的控制中心，完成国际相关建议所规定的三类传真业务的操作程序和传输规程，同时实现传真机的多种自动控制功能，以及管理、协调其他各个部件的工作,网络接口是传真机与通信外线、电话之间的连接单位,68,三类传真机,(4/8),记录单元在记录纸上重现传真原稿,记录控制电路产生记录单元正常工作所需要的各种信号，比如移位时钟、分段记录信号等,电机驱动电路为传真机内各种工作电路提供驱动脉冲,三类传真机还提供了用户操作传真机的操作面板，以及传真机自身的电源供给系统，图中没有给出这两部分,69,三类传真机,(5/8),通信过程,传真业务的整个通信过程与话音通信过程类似，包括,通信建立阶段、标识和命令发送阶段、报文传送阶段、报文发送结束阶段和通信释放阶段等五个阶段,整个过程都是在系统控制器的控制下自动完成的,70,压缩编码方法,两种编码方式,在一维编码方案中，采用改进的哈夫曼编码,，,这种编码方法对传真信息中黑、白两种像素的持续长度逐行进行编码，将每条扫描线上的数据变换成一串可变长度的码字，每个码字表示一个全白或全黑的持续长度，黑白持续长度交替出现,二维编码方案中，采用,MH,和改进的,READ,码的混合编码方式。这是一种逐条扫描线编码的方法，即本扫描线上每个变化的像素的位置，是根据参考像素的位置来编码。参考像素可以是本扫描线上的其他像素，也可以位于参考扫描线上，每当一条扫描线的编码结束后，它就成为下一扫描线的参考扫描线,三类传真机,(6/8),71,传输要求,在公用交换电话网用户电路或租用专线用户电路上使用,由于三类传真机采用的是压缩编码和数字传输技术，所以图像的传输质量不可避免地会受到传输电路的误码率、传输速率、编码方式和扫描线密度等的影响,具有四种传输速率（,9.6,kbps,7.2 kbps,4.8 kbps,和,2.4,kbps,）、,两种扫描线密度（,3.85,线,/,毫秒和,7.7,线,/,毫秒）和两种编码方式,如果采用的是模拟通信网进行传真通信，需要采用调制解调器将三类传真机输出的数字信号转换成模拟信号，才能在模拟信道上传输,三类传真机,(7/8),72,传真通信发展趋势,在普及三类传真机的同时，,ITU-T,也在考虑利用公用数据网进行文件传真，提出了基于公用数据网开展传真业务的四类传真机标准的完整的新建议。与三类传真机不同的是，四类传真机是,“,彻底的,”,数字传真机，作为数字终端，它使用,OSI,网络体系结构，能够在包括,ISDN,在内的多种通信网，比如数据网、电话网上使用，可以与其他数字终端设备互通，具有传送速度快、分辨力强等优点,三类传真机,(8/8),73,8.4 活动数字图像通信系统,8.4.1 可视电话,8.4.2 数字高清晰度电视系统,74,8.4.1 可视电话,可视电话是指通话的同时可以看到对方的形象，显示的是活动图像。,在实际应用中，有些可视电话显示的是静止图像，声音和图像信号在模拟电话网中被交替传送，即传送图像时不能通话。这种显示静止图像的可视电话称为静态图像可视电话，显示活动图像的可视电话称为动态图像可视电话，又叫电视电话。在本书中，如果没有特别说明，,“,可视电话,”,指的都是动态图像可视电话。,75,可视电话系统组成,(1/5),IP,上的可视电话见第9章,ISDN,上的可视电话,遵循,H.320,标准系列,规定了综合业务数字网,ISDN,上的可视电话系统和终端，不仅包括视频编码（采用的是,H.261,标准）、分频、信号和建立连接的系列标准，还包括音频压缩算法标准，它对可视电话的发展起了重要的推动作用,图,8-7,是基于,H.320,可视电话系统示意图,76,图,8-7 H.320,可视电话系统示意图,可视电话系统组成,(2/5),77,可视电话系统组成,(3/5),三种不同的传输方案,将图像和声音复用在一个,B,通道中传输，例如图像使用该,B,通道,64,kb/s,带宽中的,48,kb/s,，,声音使用剩余的,16,kb/s,使用两个,B,信道分别传输图像和声音信号,将两个,B,信道合并为一条,128,kb/s,的信道同时传输图像和声音，比如图像使用,112,kb/s,，,声音使用,16,kb/s,交换通信网也可以采用混合网络的形式，在远距离传输时，通信网采用,ISDN,的,B,通道或专用的,64,kb/s,78,可视电话系统组成,(4/5),PSTN,上的可视电话,遵循H.324,标准系列,H.324,标准系列由国际电信联盟在,1996,年制订，可以实时传输视频、音频和数据等信息形式，其中的视频压缩标准是,H.263,图,8-8,是基于,H.324,可视电话系统基本组成框图,79,可视电话系统组成,(5/5),图,8-8 H.324,可视电话系统基本组成框图,80,可视电话终端,(1/3),可视电话系统中的重要部件,分类,独立式的可视电话终端,机顶盒型可视电话终端,基于个人计算机的可视电话终端,81,可视电话终端,(2/3),独立式的可视电话终端，又叫桌面式可视电话，它将普通电话机、数码摄像头、高清晰液晶显示器和多媒体压缩处理系统集于一体，可以在,PSTN或,ISDN,上实现语音和彩色图像的高速同步传输。,机顶盒型可视电话终端在普通电话机之外，配置了带有数字摄像头的外置式电视机顶盒，机顶盒内置了视频、音频等处理芯片和高性能调制解调器等。这种终端需要与一台电视机配合使用，可以工作在,PSTN,和,ISDN,上,82,可视电话终端,(3/3),基于个人计算机的可视电话终端是指在计算机上安装摄像头、图像处理板、语音输入和输出设备（例如麦克风和扬声器），以及可视电话应用软件后的可视电话终端。目前上市的此类终端主要有符合,H.324,标准和,H.323,标准的可视电话系列。符合,H.324,标准的可视电话工作在,PSTN,上，通过普通电话线实现双方可视电话通信；符合,H.323,标准可视电话通过因特网和局域网实现双方可视电话通信,83,8.4.2 数字高清晰度电视系统,数字高清晰度电视（,HDTV），,指电视节目的制作、传输和接收等各个环节都是以数字方式进行的电视系统，所以它是全数字化的电视，清晰度可以达到传统电视的一倍以上。,采用两种扫描方式，既可以是水平方向为,1920,个像素点，垂直方向为,1080,个像素点（表示为,19201080,）的隔行扫描，也可以采用,1280720,逐行扫描。显示方式采用大屏幕和宽高比（例如,16:9,），在观看距离为屏幕高度的,3,倍时，为观众提供接近或相当于观看真实景物的效果，并相当于,35,毫米电影放映的图像质量,84,特点,垂直和水平分辨率是现行的模拟电视的两倍，因此，与模拟电视相比，,HDTV,显示画面的清晰度更高,克服了现行电视重影、同频干扰严重、图像不稳定、图像清晰度低等缺陷，不存在现行电视的一切图像损伤,16:9的宽高比显示方式更接近人类自然视域，数字声音压缩技术又能够传输5.1声道环绕声，突破了现有电视声音的模拟声道限制，伴音质量相当于激光唱片，因此，,HDTV,实现的现场感更接近于真实景物,采用了数字制作、数字传输、数字存储和数字显示技术，作为全数字化电视，它与现行的电视制式不能兼容,85,系统组成,(1/4),系统组成,三个主要的,HDTV,系列标准来自日本、欧洲和美国,HDTV,系统组成如图8-9所示，主要由信源压缩编码子系统、业务复用与传输子系统、射频发送子系统三个部分组成。,86,图,8-9 HDTV,系统组成,系统组成,(2/4),87,系统组成,(3/4),信源压缩编码子系统使用不同的压缩标准对视频流、音频流及其辅助数据进行压缩编码。视频压缩编码采用,MPEG-2,标准，完成视频信号的压缩编码和相关辅助数据的处理。音频压缩编码采用,Dolby AC-3,数字音频压缩标准，完成声音的压缩编码及其相关辅助数据的处理。,业务复用与传输子系统的主要功能是对压缩编码子系统输出的视频码流、音频码流和辅助数据码流进行分组和标识，并将这些不同的信号流复用成单一码流进行传输。同时，在传输过程中考虑各种数字传输媒体，例如地面广播、有线分配、卫星分配和数字存储媒体的特性和互操作性。复接和传输标准采用,MPEG-2,的传输码流语法,88,系统组成,(4/4),射频发送子系统包括信道编码和调制。信道编码的目的是通过在传送的码流中附加冗余信息，以检测或纠正传送过程产生的差错。调制部分将要传输的数字码流变换成适合相应信道特性的射频信号，发送出去。在采用地面广播传输时，调制技术通常采用八进制残留边带调制；当使用的是高码率的有线传输时，通常使用十六进制残留边带调制技术。,由射频发送子系统发射出来的信号通过信道到达用户端。位于用户端的接收机一般由机顶盒和显示器组成。机顶盒负责接收和解调射频信号，并完成信道信源解码。显示器主要完成高清晰度图像显示和声音播放,89,视频编码,(1/4),在,HDTV,中，由于采用了高的像素和扫描行数，亮度信号占用的频带宽度是普通模拟电视的,5,倍；加上采用分量形式传输色度信号，总的频带宽度高达,30,MHz,。,当采用,19201080,隔行扫描，亮度分量与色度分量比例为,4:2:2,格式时，数字化后的总数据率高达,900,Mb/s,以上。信息量如此大的信号必须经过压缩才能够在通信信道中传输。,HDTV,系统的视频压缩编码的主要功能就是在保证图像质量的前提下，将数字视频码流按,30:1,到,50:1,的压缩比率压缩到每秒,20,兆比特24,兆比特左右以内。可以说，视频信号的压缩编码技术是保证,HDTV,系统质量的核心技术,HDTV,视频压缩编码基本工作原理框图如图,8-10,所示,90,视频编码,(2/4),图,8-10 HDTV,视频压缩编码基本工作原理框图,91,视频编码,(3/4),包括帧间编码、,DCT,编码、自适应量化、变字长编码、缓存器控制和信源前后预处理等，其中，运动补偿、,DCT,变换系数的自适应量化和缓存器控制是,HDTV,系统中图像信号压缩编码三个相互关联的关键技术。,输入的视频信号首先进行带运动补偿的帧间预测编码，帧间预测编码方法利用相邻帧对应像素之间的相关性来降低图像信息的冗余度。帧间预测编码的输出码流接着进行,DCT,编码。这里,DCT,编码采用的是自适应的量化器，由输出缓存器根据视频图像的统计特性自动控制量化级数。量化器输出的码流再经过变长编码完成进一步的数据压缩。,HDTV,通常使用的变长编码为哈夫曼编码。,92,视频编码,(4/4),编码器输出的数据流以变化的比特率写入缓存器，缓存器以标称的恒定比特率向外读出数据输送到传输系统。由于写入和读出数据的速率往往不一致，为了防止由于写入快读出慢或者写入慢读出快而导致缓存器溢出，需要进行缓存器控制。根据缓存器占有率的高低，反馈控制量化器的量化级数，当编码器的瞬时输出速率过高，向缓存器写入数据的速度过快时，就减少量化级数减少，增大量化步长以降低编码输出的数据速率；当编码器的瞬时输出速率过低，向缓存器写入数据的速度过慢时，就增加量化级数，减小量化步长以提高编码数据速率，从而通过调整编码器的数据速率，使得缓存器的写入数据速率与读出数据速率趋于平衡。,93,本章小结和知识点,图像通信的特点,图像通信系统的组成,图像信息的压缩和编码,图像信息的传输,图像通信标准,传真通信系统,可视电话,数字高清电视,94,本章习题解题指导,主要给出对应的知识点，教学中可以指导学生在相关章节中自己归纳。,图可参看教材。,95,数字图像通信的基本原理是什么？涉及哪些关键技术,？,一次数字图像通信都要经历图像信号的采集、处理、传送、接收和图像重建等过程。首