第3章 電視信號(hào)的數(shù)字化

1、 數(shù)字電視原理第3章 電視信號(hào)的數(shù)字化n3.1信號(hào)的數(shù)字化n3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化n3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化3.1信號(hào)的數(shù)字化n采樣 采樣是指用每隔一定時(shí)間（或空間）間隔的信號(hào)樣本值序列代替原來(lái)在時(shí)間（或空間）上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間（或空間）上將模擬信號(hào)離散化。模擬信號(hào)、單位脈沖序列理想抽樣函數(shù)和抽樣輸出信號(hào)三者的頻譜關(guān)系模擬信號(hào)、單位脈沖序列理想抽樣函數(shù)和抽樣輸出信號(hào)三者的頻譜關(guān)系3.1信號(hào)的數(shù)字化n量化 量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。 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

2、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。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=MA=2nAM和n的取值主要是由量化信噪比決定的。 量化信噪比量化信噪比nnqPPAAAAsNS23232122)(2 一般常用分貝表示為一般常用分貝表示為nsNSndbqpp68 .10)232log(20)(電視信號(hào)量化信噪比一般用信號(hào)峰電視信號(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峰值與量化噪聲有效值之比表示非均勻量化通常有兩種方法。一種方法是把非線性處

3、理放在編碼器之前和解碼器之后的模擬電路部分，編、解碼器中仍然采用均勻量化采用非均勻量化(或稱非線性量化)來(lái)改善量化信噪比。壓縮擴(kuò)張編碼方式另一種方法是直接采用非均勻量化，對(duì)于視頻信號(hào)，在高效編碼時(shí)常采用非均勻量化器。在MPEG標(biāo)準(zhǔn)中，DCT變換后對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行非均勻量化，低頻信號(hào)采用細(xì)量化，高頻信號(hào)采用粗量化。3.1信號(hào)的數(shù)字化n編碼 編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的離散值用二進(jìn)制數(shù)字表示，以進(jìn)行傳輸或記錄。3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化 聲音是通過(guò)空氣傳播的一種連續(xù)的波，叫聲波。聲音的強(qiáng)弱體現(xiàn)在聲波壓力的大小上，音調(diào)的高低體現(xiàn)在聲音的頻率上。因而，聲音信號(hào)的兩個(gè)基本參數(shù)是頻率和幅度。3.2音頻信號(hào)

4、的數(shù)字化聲波信號(hào)按頻率劃分：頻率小于20Hz的信號(hào)稱為亞音(Subsonic)信號(hào)，或稱為次音信號(hào)頻率高于20kHz的信號(hào)，稱為超聲波(Ultrasonic)信號(hào)頻率在20Hz20kHz之間的聲波是人耳可以聽(tīng)到的聲音，稱之為音頻(audio)信號(hào)人的發(fā)音器官發(fā)出的聲音頻率約在80Hz 3400Hz之間，但人說(shuō)話的信號(hào)頻率通常在300Hz3400Hz之間，人們把這種頻率范圍的信號(hào)稱為語(yǔ)（話）音信號(hào)(speech，voice)3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化 采樣頻率 經(jīng)常使用的采樣頻率有11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.lkHz和48kHz等。采樣頻率越高，聲音失真越小、音頻數(shù)據(jù)量越

5、大。 人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率上限在20kHz左右，為了保證聲音不失真，采樣頻率應(yīng)大于40kHz。3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化 量化比特?cái)?shù) 經(jīng)常采用的量化比特?cái)?shù)有8bit、12bit和16bit。量化比特?cái)?shù)越多，音質(zhì)越好，數(shù)據(jù)量也越大。 人耳的聽(tīng)覺(jué)能感覺(jué)極微小的聲音失真而且又能接受極大的動(dòng)態(tài)范圍。由于這個(gè)特點(diǎn)，所以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化所用的量化比特?cái)?shù)比起視頻信號(hào)來(lái)要多。3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化 聲道數(shù) 記錄聲音時(shí)，如果每次生成一個(gè)聲波數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成二個(gè)聲波數(shù)據(jù)，稱為立體聲（雙聲道），立體聲更能反映人的聽(tīng)覺(jué)感受。3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化 音頻數(shù)字化的采樣頻率和量化精度越高，音質(zhì)越好，恢復(fù)出的聲音越接近原

6、始聲音，但記錄數(shù)字聲音所需存儲(chǔ)空間也隨之增加?？梢杂孟旅娴墓焦浪懵曇魯?shù)字化后每秒所需的存儲(chǔ)量（假定不經(jīng)壓縮）：存儲(chǔ)量=(采樣頻率量化比特?cái)?shù)聲道數(shù))/8 其中，存儲(chǔ)量的單位為B（字節(jié)）3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化質(zhì)量等級(jí)采樣頻率/kHz量化精度/bit聲道數(shù)數(shù)碼率（未壓縮）/ kbit/s頻帶/ Hz電話話音88單聲道642003400AM11.0258單聲道88.2507000FM22.0516雙聲道705.62015000CD44.116雙聲道1411.2 2020000DAT4816雙聲道153620200003.3視頻信號(hào)的數(shù)字化在時(shí)間軸上(t軸)分為一系列離散的幀每幀圖像在垂直方向(y軸)

7、上離散為一條一條的掃描行每行在水平方向(x軸)上采樣，得到一個(gè)一個(gè)像素。3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化 對(duì)彩色電視信號(hào)的數(shù)字化處理主要有分量數(shù)字編碼和復(fù)合數(shù)字編碼兩種方式。 復(fù)合數(shù)字編碼是將彩色全電視信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字化，編碼成 PCM形式。 分量數(shù)字編碼方式是分別對(duì)亮度信號(hào)Y和兩色差信號(hào)B-Y、R-Y分別進(jìn)行PCM編碼。復(fù)合數(shù)字編碼和分量信號(hào)編碼框圖3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化分量數(shù)字編碼優(yōu)點(diǎn)：避免了復(fù)合數(shù)字編碼時(shí)因反復(fù)解碼所引起的質(zhì)量損傷和器件的浪費(fèi)，而且編碼幾乎與電視制式無(wú)關(guān)后期制作的處理方便時(shí)分復(fù)用方式，不會(huì)像復(fù)合數(shù)字編碼那樣因頻分復(fù)用帶來(lái)亮、色串?dāng)_，可獲得高質(zhì)量的圖像亮度信號(hào)和色度信號(hào)的帶寬根據(jù)需要

8、取不同在數(shù)字電視中一般采用在數(shù)字電視中一般采用正交結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)，這種，這種結(jié)構(gòu)在圖像平面上沿水平方向取樣點(diǎn)等間隔結(jié)構(gòu)在圖像平面上沿水平方向取樣點(diǎn)等間隔排列，沿垂直方向取樣點(diǎn)上下對(duì)齊排列，這排列，沿垂直方向取樣點(diǎn)上下對(duì)齊排列，這樣有利于幀內(nèi)和幀間的信號(hào)處理。樣有利于幀內(nèi)和幀間的信號(hào)處理。 行交叉結(jié)構(gòu)行交叉結(jié)構(gòu)，每行內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)為整數(shù)，每行內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)為整數(shù)加半個(gè)。加半個(gè)。 視頻信號(hào)的抽樣結(jié)構(gòu)視頻信號(hào)的抽樣結(jié)構(gòu)3.3.13.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定取樣結(jié)構(gòu)圖取樣結(jié)構(gòu)圖采樣頻率選擇：采樣頻率選擇：(1) (1) 首先首先各國(guó)主觀測(cè)試亮度信號(hào)帶寬各國(guó)主觀測(cè)試亮

9、度信號(hào)帶寬f fm m5.86MHz5.86MHz ，應(yīng)該滿足取樣定理，即取樣頻率應(yīng)該滿足取樣定理，即取樣頻率應(yīng)該大于視頻帶寬的兩倍。應(yīng)該大于視頻帶寬的兩倍。 (2) (2) 為了保證取樣結(jié)構(gòu)是正交的，取樣頻率為了保證取樣結(jié)構(gòu)是正交的，取樣頻率應(yīng)該是行頻應(yīng)該是行頻f fH H的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即MHzffus122Hsfnf3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定(3) (3) 為了便于節(jié)目的國(guó)際間交流，亮度信號(hào)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取樣頻率的選擇還必須兼顧625行行/50場(chǎng)及場(chǎng)及525行行/60場(chǎng)這兩種掃描制式實(shí)現(xiàn)行兼容應(yīng)采用同場(chǎng)這兩種掃描制式實(shí)現(xiàn)行兼

10、容應(yīng)采用同一采樣頻率一采樣頻率 fs=m* 2.25MHz3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定亮度信號(hào)的采樣頻率625行/50場(chǎng)掃描制式行頻(15625Hz)525行/60場(chǎng)掃描制式行頻(4.5MHz/286)4.513.5MHz=15625Hz 864=Hz 858286n(4) (4) 編碼后的比特率編碼后的比特率R Rb b= =f fs sn n，其中，其中n n為量化為量化比特?cái)?shù)。比特?cái)?shù)。從降低碼率考慮，從降低碼率考慮，f fs s應(yīng)接近應(yīng)接近2 2f fu u3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定亮度信號(hào)的采樣頻率為13.5MHz 3.

11、3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定色差信號(hào)的采樣頻率主觀測(cè)試色度信號(hào)的帶寬應(yīng)選為2.8MHz，若色差信號(hào)采樣頻率為6 7 MHz時(shí)能滿足色鍵處理等對(duì)圖像質(zhì)量的較高要求為保證足夠小的混疊噪聲采樣頻率為行頻的整數(shù)倍為了使625行/50場(chǎng)及525行/60場(chǎng)這兩種掃描制式實(shí)現(xiàn)行兼容色差信號(hào)的采樣頻率為6.75MHz 3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采樣結(jié)構(gòu) a)4 2 0 b)4 2 2 c)4 4 43.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配量化比特?cái)?shù) 量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分所有量化級(jí)所需的二進(jìn)制碼位數(shù)。其大小直接影響到數(shù)字圖像的質(zhì)量，每增加或減少1bit，就使

12、量化信噪比增加或減少6dB。 CCIR601建議中，規(guī)定對(duì)亮度和色差信號(hào)都采用8 bit的均勻量化。8 bit的量化精度在某些場(chǎng)合是不夠的，在后來(lái)的數(shù)字演播室中又?jǐn)U展到10 bit的量化。34圖像分量信號(hào)量化比特?cái)?shù)確定和碼電平分配從電視原理已知，亮度信號(hào)方程為： Y=0.299R+0.587G+0.114B色差信號(hào)方程為： R-Y=0.701R-0.587G-0.114B B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定亮度信號(hào)與色度信號(hào)特點(diǎn)亮度信號(hào)與色度信號(hào)特點(diǎn)3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配亮度信號(hào)的量化級(jí)分

13、配36100%100%彩條色度信號(hào)、亮度信號(hào)和色差信號(hào)的標(biāo)稱值彩條色度信號(hào)、亮度信號(hào)和色差信號(hào)的標(biāo)稱值 亮度信號(hào)Y: 01色差信號(hào)R-Y:0.7010.701色差信號(hào)B-Y:0.8860.88637色差信號(hào)必須引入壓縮系數(shù)，使得： CR，CB:0.50.5 ：KR= =0.713 KB= =0.564 歸一化后的色差信號(hào)為： 0.7130.5000.4190.081RCR YRGBEEEEE0.5640.1690.3310.500BCB YRGBEEEEE 701. 05 . 0886. 05 . 0比較：模擬彩色電視信號(hào)n傳輸Y，U，VV=0.877(R-Y) U=0.493(B-Y) 3.

14、3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配色差信號(hào)的量化級(jí)分配3.3.2 ITU-R BT.601建議 1982年2月，在CCIR 第15次全會(huì)上，在通過(guò)的CCIR 601建議建議中，確定了以分量數(shù)字編碼4 2 2標(biāo)準(zhǔn)作為演播室彩色電視信號(hào)數(shù)字編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 該建議考慮到現(xiàn)行的多種彩色電視制式，提出了一種世界范圍兼容的數(shù)字編碼方式，是向數(shù)字電視廣播系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化邁出的第一步。作業(yè)P69n6請(qǐng)畫圖示意說(shuō)明444、422、420采樣格式。n按照均勻量化，分別求出亮度Y,色差U,V信號(hào)中對(duì)應(yīng)的白、黃、青，綠、紫，紅、藍(lán)、黑8個(gè)電平的8bit碼。n寫一篇關(guān)于高清晰度

15、數(shù)字電視定義及其視頻圖像信號(hào)特點(diǎn)，視頻信號(hào)接口定義的概述文章。3.3.2 ITU-R BT.601建議參數(shù)參數(shù)625行行/50場(chǎng)場(chǎng)525行行/60場(chǎng)場(chǎng)有效掃描行數(shù)有效掃描行數(shù)576480編碼信號(hào)編碼信號(hào)Y，CB，CR每行樣點(diǎn)數(shù)每行樣點(diǎn)數(shù)亮度信號(hào)亮度信號(hào)864858色差信號(hào)色差信號(hào)432429每行有效樣每行有效樣點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)亮度信號(hào)亮度信號(hào)720色差信號(hào)色差信號(hào)360采樣結(jié)構(gòu)采樣結(jié)構(gòu)正交，按行、場(chǎng)、幀重復(fù)，每行中的正交，按行、場(chǎng)、幀重復(fù)，每行中的CR，CB的樣點(diǎn)同位的樣點(diǎn)同位置，并與每行第奇數(shù)個(gè)（置，并與每行第奇數(shù)個(gè)（1，3，5，）亮度的樣點(diǎn)同位）亮度的樣點(diǎn)同位置置采樣頻率采樣頻率/ MHz亮度信號(hào)亮度信號(hào)13.5色差信號(hào)色差