第2章 數(shù)字電視信號(hào)參數(shù)的選擇及演播室標(biāo)準(zhǔn).ppt

1 第2章數(shù)字電視信號(hào)參數(shù)的選擇及演播室標(biāo)準(zhǔn) 模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程主要是取樣 量化和編碼 取樣 將時(shí)間和幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間離散的信號(hào) 即時(shí)間離散化 量化 將幅度連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅度離散的信號(hào) 即幅度離散化 編碼 按照一定的規(guī)律 將時(shí)間和幅度上離散的信號(hào)用對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制或多進(jìn)制代碼表示 2 模擬信號(hào)數(shù)字化框圖如圖所示 其中fc為濾波器的截止頻率 fs為取樣頻率 3 2 1取樣定理2 2二維信號(hào)的取樣2 3數(shù)字電視信號(hào)參數(shù)的選擇2 4量化2 5標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn)2 6數(shù)字高清晰度電視 4 對(duì)一個(gè)時(shí)間連續(xù)信號(hào)f t 進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣 取樣時(shí)間間隔為T(mén)s 取樣頻率為fs 1 Ts 2 1取樣定理 1 經(jīng)過(guò)理想取樣后 輸出信號(hào)的頻譜Fs 是原模擬信號(hào)的頻譜F 以 s為周期延拓形成 2 如果原模擬信號(hào)頻譜F 的頻譜范圍在 h之內(nèi) 則滿(mǎn)足 s 2 h時(shí) 則取樣后的信號(hào)fs t 通過(guò)一個(gè)截止頻率為 s 2的理想低通濾波器后 可以無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)f t 5 模擬信號(hào)理想取樣前后的頻譜 6 只要滿(mǎn)足取樣定理并且 Ts足夠小 仍可以從取樣信號(hào)的頻譜中精確地恢復(fù)出原模擬信號(hào) 7 2 2二維信號(hào)的取樣 對(duì)于一個(gè)彩色平面活動(dòng)圖像來(lái)說(shuō) 圖像中任一點(diǎn)的亮度Y是光波長(zhǎng) 水平位置x 垂直位置y和時(shí)間t的函數(shù) 發(fā)端通過(guò)攝像機(jī)將光圖像轉(zhuǎn)換成電圖像 光電轉(zhuǎn)換器件是具有積分作用的器件 因此有如下的積分關(guān)系 8 圖像平面和二維取樣脈沖 9 在水平方向上的取樣間隔為 x 在垂直方向上的取樣間隔為 y 取樣后的信號(hào)為其頻譜為 式中 v 1 y為垂直取樣頻率 u 1 x為水平取樣頻率 x y 為單位沖激序列 取樣前后的頻譜示意圖如圖所示 10 不發(fā)生混疊的條件是Du 2wxh Dv 2wyh 電視是將三維的函數(shù)變成一維的函數(shù)來(lái)處理的 11 2 3數(shù)字電視信號(hào)參數(shù)的選擇 電視信號(hào)的數(shù)字化處理有數(shù)字分量編碼和數(shù)字復(fù)合編碼兩種方式 數(shù)字分量編碼方式是對(duì)三基色信號(hào)ER EG和EB或?qū)α炼刃盘?hào)和色差信號(hào)EY ER Y與EB Y分別進(jìn)行數(shù)字化處理 12 取樣結(jié)構(gòu)圖 2 3 1取樣結(jié)構(gòu)的選擇 13 為了保證取樣結(jié)構(gòu)是正交的 要求行周期TH必須是取樣周期Ts的整數(shù)倍 即要求取樣頻率fs應(yīng)等于行頻fH的整數(shù)倍 即 2 3 2取樣頻率的選擇 在數(shù)字電視中 亮度信號(hào)取樣頻率的選擇應(yīng)該從以下4個(gè)方面考慮 1 首先應(yīng)該滿(mǎn)足取樣定理 即取樣頻率應(yīng)該大于視頻帶寬的兩倍 14 3 為了便于節(jié)目的國(guó)際間交流 亮度信號(hào)取樣頻率的選擇還必須兼顧國(guó)際上不同的掃描格式 fs m 2 25MHz 15625 15734 265 4 編碼后的比特率Rb fs n 其中n為量化比特?cái)?shù) 15 幾種取樣格式 16 2 3 3色度格式 1 4 2 2格式 在4 2 2格式中 色差信號(hào)Cr和Cb的取樣頻率均為亮度信號(hào)取樣頻率的一半 即 17 2 4 4 4格式 在4 4 4格式中 色差信號(hào)Cr和Cb的取樣頻率與亮度信號(hào)取樣頻率相同 即亮度取樣頻率和兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率之比為 18 3 4 2 0格式 本格式中 色差信號(hào)Cr和Cb的取樣頻率均為亮度信號(hào)取樣頻率的四分之一 即 4 4 1 1格式 在4 1 1格式中 色差信號(hào)Cr和Cb的取樣頻率均為亮度信號(hào)取樣頻率的四分之一 即 19 2 4量化 量化就是把幅度連續(xù)變化的信號(hào)變換為幅度離散的信號(hào) 這是模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的映射變換顯然 一個(gè)量化器只能取有限多個(gè)量化級(jí) 因此量化過(guò)程將不可避免地帶來(lái)量化誤差 標(biāo)量量化是一維量化 所有取樣使用同一個(gè)量化器進(jìn)行量化 每個(gè)取樣的量化都和其他所有取樣無(wú)關(guān) 因此也稱(chēng)為無(wú)記憶量化 矢量量化是多維量化 是先將K個(gè)取樣值序列形成K維空間中的一個(gè)矢量 然后將此矢量進(jìn)行量化 20 2 4 1量化器的設(shè)計(jì) 量化器的設(shè)計(jì)原則可以分為兩種 1 給定量化器的量化電平數(shù)M 根據(jù)量化誤差的均方值為最小來(lái)設(shè)計(jì)量化器 2 給出固定量化誤差要求 設(shè)計(jì)量化器使其量化電平總數(shù)M盡量小 21 2 4 2均勻量化器 1 均勻量化器原理 設(shè)在輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍A內(nèi)進(jìn)行均勻量化 每一量化間隔 A是相等的 共分為M級(jí) 設(shè)M 2n 其中n為量化比特?cái)?shù) 即A M A 2n A M和n的取值主要是由量化信噪比決定的 22 2 視頻信號(hào) 單極性信號(hào) 的量化信噪比 電視信號(hào)量化信噪比一般用信號(hào)峰 峰值與量化噪聲有效值之比表示 即一般常用分貝表示為 23 3 聲音信號(hào) 雙極性信號(hào) 量化信噪比 設(shè)聲音信號(hào)的最大幅度為A 動(dòng)態(tài)范圍是 A A對(duì)它均勻量化成M級(jí) 則有2A M A 2n A 其中n為量化比特?cái)?shù) 24 2 4 3量化噪聲對(duì)圖像的影響如果量化比特?cái)?shù)n選得過(guò)小 量化噪聲對(duì)圖像的影響主要有以下幾方面 1 顆粒雜波 2 偽輪廓 3 邊緣忙亂 25 2 4 4電視信號(hào)的量化 1 量化前的歸一化處理 在對(duì)模擬電視分量信號(hào)EY E R Y 和E B Y 進(jìn)行量化和編碼前 必須進(jìn)行歸一化處理 由電視原理可知 亮度和色差信號(hào)的構(gòu)成如下 26 27 2 碼電平分配及數(shù)字表達(dá)式 1 亮度信號(hào)量化后碼電平分配 在對(duì)分量信號(hào)進(jìn)行8比特均勻量化時(shí) 共分為256個(gè)等間隔的量化級(jí) 其二進(jìn)制的范圍是00000000 11111111 相應(yīng)的十進(jìn)制范圍為0 255 2 色差信號(hào)量化后碼電平分配 色差信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次歸一化處理后 ECR和ECB的動(dòng)態(tài)范圍為 0 5 0 5 讓色差零電平對(duì)應(yīng)碼電平256 2 128 色差信號(hào)總共占225個(gè)量化級(jí) 28 3 碼電平數(shù)字表達(dá)式 亮度和色差信號(hào)量化以后取其最鄰近的整數(shù)作為碼電平值 其數(shù)字化表達(dá)式為DY INT 219EY 16 2n 8 DCB INT 224ECB 128 2n 8 DCR INT 224ECR 128 2n 8 其中n為量化比特?cái)?shù) 符號(hào)INT 表示對(duì) 中的小數(shù)部分四舍五入取整數(shù) 29 2 5標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn) 2 5 1演播室數(shù)字編碼參數(shù) ITU RBT 601 5 Studioencodingparametersofdigitaltelevisionforstandard4 3andwide screen16 9aspectrationsGB T14857 93演播室數(shù)字編碼的主要參數(shù) 4 2 2格式 如表2 3所示 30 31 32 2 視頻數(shù)據(jù)與模擬行同步間的定時(shí)關(guān)系 33 34 2 5 2數(shù)字分量電視信號(hào)的接口1 并行和串行接口通用的信號(hào)格式數(shù)字設(shè)備向外傳輸每幀內(nèi)的像素?cái)?shù)據(jù)時(shí) 應(yīng)該按下列次序時(shí)分復(fù)用 Cb1Y1Cr1 Y2 Cb2Y3Cr2 Y4 Cb3Y5Cr3 Y4 Cb360Y719Cr360 Y720奇數(shù)點(diǎn)按CbYCr的次序傳輸數(shù)據(jù) 偶數(shù)點(diǎn)只有Y樣點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸 每一行均如此 直至第576行 35 3 4 2 2數(shù)字流的構(gòu)成 如果是全數(shù)字系統(tǒng) 在接收端不是PAL接收機(jī)而是數(shù)字接收機(jī) 其掃描同步電路也是數(shù)字掃描電路 則不必探究數(shù)字視頻信號(hào)與模擬視頻信號(hào)OH的定時(shí)關(guān)系 可以只關(guān)注數(shù)字流的構(gòu)成 4 視頻定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)SAV和EAV 在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視 SDTV 中 掃描參數(shù)仍然為625 50 2 1 即垂直掃描為具有奇偶場(chǎng)隔行掃描 掃描需要區(qū)分行 場(chǎng)正程期和行 場(chǎng)消隱期 36 37 38 39 2 比特并行接口 1 機(jī)械特性每幀的數(shù)字視頻以Cb1Y1Cr1 Y2 Cb2Y3Cr2 Y4 Cb3Y5Cr3 Y6 Cb360Y719Cr1360 Y720的順序進(jìn)行傳輸 25芯12對(duì)雙絞線(xiàn) 40 2 并行接口電氣特性 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的定時(shí)關(guān)系 時(shí)鐘信號(hào)是27MHz方波 周期為T(mén)CK 37ns 定時(shí)基準(zhǔn)為時(shí)鐘信號(hào)高低電平的過(guò)渡時(shí)刻 時(shí)鐘信號(hào)的正向跳變應(yīng)出現(xiàn)在兩次數(shù)據(jù)跳變的中間 收 發(fā)間線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器特性 收發(fā)之間每位數(shù)據(jù)采用平衡雙絞線(xiàn)傳輸 容許的電纜長(zhǎng)度 由于在雙絞線(xiàn)上傳輸27MHz的數(shù)據(jù) 電纜的幅頻特性限制了使用的電纜長(zhǎng)度 41 3 比特串行接口 比特串行接口 SerialDigitalInterface SDI 中 每個(gè)10比特的數(shù)據(jù)字經(jīng)并 串轉(zhuǎn)換電路后變成串行的數(shù)據(jù)流 傳輸碼率從27Mbit s變?yōu)?70Mbit s 用單芯同軸電纜傳輸 42 1 并 串變換 輸入數(shù)據(jù)由27MHz的時(shí)鐘信號(hào)并行寫(xiě)入移位寄存器 然后用10倍頻的270MHz時(shí)鐘串行讀出 2 擾碼 由于接收端解碼時(shí)需要恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào) 而串行接口不能像并行接口那樣使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸時(shí)鐘信號(hào) 時(shí)鐘的恢復(fù)只能利用信號(hào)本身的跳變來(lái)產(chǎn)生 這稱(chēng)為自時(shí)鐘方式 43 3 碼型變換 圖2 21中的NRZ NRZI編碼器是把非歸零碼 NRZ 變換成倒相的非歸零碼 NRZI 4 機(jī)械特性 在數(shù)字比特串行接口中用特性阻抗75 的單芯同軸電纜傳輸信號(hào) 接插件為標(biāo)準(zhǔn)的BNC型接頭 BayonetNeill Concelman 44 圖2 21擾碼電路和NRZ NRZI變換編碼電路 45 2 6數(shù)字高清晰度電視 2 6 1概述 高清晰度電視 HighDefinitionTelevision HDTV 在圖像和聲音質(zhì)量方面都比現(xiàn)行的電視高出一個(gè)檔次 能讓觀(guān)眾看到清晰鮮艷 生動(dòng)逼真的畫(huà)面 聽(tīng)到優(yōu)美動(dòng)聽(tīng)的環(huán)繞立體聲音響 使觀(guān)眾有身臨其境的感受 獲得高度的精神享受 46 HDTV還在屏幕尺寸和寬高比方面有改進(jìn) 根據(jù)人眼視覺(jué)特性和心理效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 對(duì)HDTV的基本參數(shù)提出了如下的要求 1 提高圖像的空間分解力 2 提高場(chǎng)頻或幀頻 應(yīng)確保高亮度下圖像不閃爍 3 提高圖像的寬高比 畫(huà)面寬高比為16 9更符合人眼的視覺(jué)特性 視野寬 臨場(chǎng)感強(qiáng) 4 展寬色域 提高電視色彩的感染力 5 HDTV應(yīng)有高質(zhì)量的環(huán)繞立體聲 至少有4路數(shù)字伴音通道 伴音帶寬應(yīng)達(dá)20kHz 47 2 6 2數(shù)字高清晰度電視掃描參數(shù)及圖像格式 1 場(chǎng)頻 在模擬電視系統(tǒng)中 選擇場(chǎng)頻主要考慮了運(yùn)動(dòng)圖像的連續(xù)感 無(wú)閃爍 不易受交流電源干擾和視頻信號(hào)頻帶不致過(guò)寬等 國(guó)際上一直采用50Hz和60Hz兩種場(chǎng)頻 2 掃描方式 電視系統(tǒng)的掃描方式有逐行方式與隔行方式兩種 模擬電視系統(tǒng)均采用了隔行掃描方式 而目前國(guó)際上在HDTV和SDTV中既有隔行掃描方式 也有逐行掃描方式 隔行掃描是一種有效的帶寬壓縮方案 它將一幀圖像分成兩場(chǎng)掃描 在每幀掃描行數(shù)及圖像換幅頻率一定的情況下 可使視頻信號(hào)帶寬降低為逐行掃描時(shí)的一半 48 我國(guó)HDTV標(biāo)準(zhǔn)采用分辨率為1920 1080 幀頻為25Hz的隔行掃描方式 3 圖像格式 圖像格式包括圖像的寬高比 圖像的縱橫像素?cái)?shù)和像素寬高比等參數(shù) 圖像的寬高比HDTV圖像的寬高比是1 777 16 9 圖像的縱橫像素?cái)?shù) 通常用每行的像素?cái)?shù) 每幀的有效行數(shù)來(lái)表示圖像的像素?cái)?shù) 在標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視中為720 576 在高清晰度數(shù)字電視中為1920 1080 49 像素寬高比 根據(jù)圖像的寬高比和圖像的縱橫有效像素?cái)?shù)可以推算出像素的寬高比 4 24P格式 HDTV標(biāo)準(zhǔn)中有24p格式 1920 1080 24 1 1 這是符合電影規(guī)范的逐行掃描方式 是一種新的電視節(jié)目制作格式 50 2 6 3數(shù)字高清晰度電視演播室參數(shù)標(biāo)準(zhǔn) ITU RBT 709建議提出了兩種HDTV節(jié)目制作及國(guó)際節(jié)目交換用HDTV參數(shù)方案 一種是隔行掃描數(shù)字HDTV視頻格式 可以向下兼容SDTV 另一種是方型像素通用數(shù)字高清晰度視頻格式 和多媒體計(jì)算機(jī)等多種應(yīng)用