第七章 彩色數(shù)字電視基礎(chǔ)

1、n電視是當(dāng)代最有影響力的信息傳播工具！n電視是20世紀(jì)20年代的偉大發(fā)明，在50年代開發(fā)電視技術(shù)時(shí)，用任何一種數(shù)字技術(shù)來傳輸和再現(xiàn)真實(shí)世界的圖像和聲音都是極其困難的，因此電視技術(shù)一直沿著模擬信號(hào)處理技術(shù)的方向發(fā)展，直到70年代才開始開發(fā)數(shù)字電視。由于數(shù)字技術(shù)具有許多優(yōu)越性，而且數(shù)字技術(shù)發(fā)展到足以使模擬電視向數(shù)字電視過渡的水平，電視和計(jì)算機(jī)才開始融合在一起。n彩色數(shù)字電視是從模擬電視和模擬彩色電視發(fā)展而來的，因此本章的前半部分將介紹模擬電視的一些基本常識(shí)，而后半部分將介紹彩色數(shù)字電視的基本常識(shí)。 目前世界上現(xiàn)行的彩色電視制式有三種： NTSC制、PAL制和SECAM制。 一、NTSC制式vNTS

2、C(National Television Systems Committee)彩色電視制是1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)定義的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為正交平衡調(diào)幅制。美國、加拿大等大部分西半球國家，以及日本、韓國、菲律賓等國和中國的臺(tái)灣采用這種制式。 PAL制式n由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點(diǎn)，因此德國(當(dāng)時(shí)的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為逐行倒相正交平衡調(diào)幅制。德國、英國等一些西歐國家，以及中國、朝鮮等國家采用這種制式。三、SECAM制式v法國制定了SECAM (法文：Sequential Coleur

3、Avec Memoire)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為順序傳送彩色與存儲(chǔ)制。法國、蘇聯(lián)及東歐國家采用這種制式。世界上約有65個(gè)地區(qū)和國家試驗(yàn)這種制式。兼容制式nNTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制式。這里說的“兼容”有兩層意思：一是指黑白電視機(jī)能接收彩色電視廣播，顯示的是黑白圖像，另一層意思是彩色電視機(jī)能接收黑白電視廣播，顯示的也是黑白圖像，這叫逆兼容性。v為了既能實(shí)現(xiàn)兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統(tǒng)應(yīng)滿足下列幾方面的要求：v(1) 必需采用與黑白電視相同的一些基本參數(shù)，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號(hào)、圖像載頻、伴音載頻等等。v(2) 需要將攝像機(jī)輸出的三基色信號(hào)轉(zhuǎn)換成一

4、個(gè)亮度信號(hào)，以及代表色度的兩個(gè)色差信號(hào)，并將它們組合成一個(gè)彩色全電視信號(hào)進(jìn)行傳送。在接收端，彩色電視機(jī)將彩色全電視信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成三個(gè)基色信號(hào)，在顯象管上重現(xiàn)發(fā)送端的彩色圖像。n掃描有隔行掃描(interlaced scanning)和非隔行掃描之分。非隔行掃描也稱逐行掃描，下圖表示了這兩種掃描方式的差別。黑白電視和彩色電視都用隔行掃描，而計(jì)算機(jī)顯示圖像時(shí)一般都采用非隔行掃描。(a) 逐行掃描 電子束從顯示屏的左上角一行接一行地掃到右下角，在顯示屏上掃一遍就顯示一幅完整的圖像 。(b) 隔行掃描n在隔行掃描中，電子束掃完第1行后回到第3行開始的位置接著掃，然后在第5、7、，行上掃，直到最后一行。

5、奇數(shù)行掃完后接著掃偶數(shù)行，這樣就完成了一幀(frame)的掃描。由此可以看到，隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：一部分是由奇數(shù)行組成，稱奇數(shù)場，另一部分是由偶數(shù)行組成，稱為偶數(shù)場，兩場合起來組成一幀。因此在隔行掃描中，無論是攝象機(jī)還是顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像。 n在隔行掃描中、掃描的行數(shù)必須是奇數(shù)。如前所述，一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數(shù)的一半，第二場掃描總行數(shù)的另一半。隔行掃描要求第一場結(jié)束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個(gè)原因，才要求總的行數(shù)必須是奇數(shù)。n

6、每秒鐘掃描多少行稱為行頻fH；每秒鐘掃描多少場稱為場頻ff；每秒掃描多少幀稱幀頻fF。ff和fF是兩個(gè)不同的概念。 PAL制式電視的掃描特性1. 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀) 2. 每場中有25行作為場回掃，所以每幀中只有575行是有效行。3. 高寬比(aspect ratio)：4:3 4. 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場5. 顏色模型：YUVn一幀圖像的總行數(shù)為625，分兩場掃描。行掃描頻率是15,625 Hz，周期為64s；場掃描頻率是50 Hz,周期為20 ms；幀頻是25 Hz，是場頻的一半，周期為40 ms。在發(fā)送電視信號(hào)時(shí)，每一行中傳送圖像的時(shí)間是5

7、2.2s，其余的11.8s不傳送圖像，是行掃描的逆程時(shí)間，同時(shí)用作行同步及消隱用。每一場的掃描行數(shù)為625/2=312.5行，其中25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數(shù)每場只有287.5行，因此每幀只有575行有圖像顯示。下圖所示的是一個(gè)行周期的電視信號(hào)，彩色電視信號(hào)與它相似。 一個(gè)行周期的電視信號(hào)(黑白電視系統(tǒng))制式電視的掃描特性1.525行/幀, 30幀/秒2.高寬比：電視畫面的長寬比為4:3 3.隔行掃描，1幀分成2場(field)，262.5線/場 4.在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)。 5.每行63.5微秒，水平回掃時(shí)間10微秒(包含5微秒

8、的水平同步脈沖)，所以顯示時(shí)間是53.5微秒6.顏色模型：YIQn一幀圖像的總行數(shù)為525行，分兩場掃描。行掃描頻率為15,750 Hz， 周期為63.5s；場掃描頻率是60 Hz，周期為16.67 ms；幀頻是30 Hz，周期33.33 ms。每一場的掃描行數(shù)為525/2=262.5行。除了兩場的場回掃外，實(shí)際傳送圖像的行數(shù)為480行。 n彩色電視是在黑白電視基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。彩色電視的許多特性，如掃描、同步等都與黑白電視相同，不同的是顯示的圖像的顏色不同。n根據(jù)三基色的基本原理，任何一種顏色都可以用R、G、B三個(gè)彩色分量按一定的比例混合得到，但要精確地復(fù)顯自然景物中的彩色確是相當(dāng)困難的。值

9、得慶幸的是，科學(xué)家們對(duì)人的彩色視覺特性經(jīng)過長期研究后發(fā)現(xiàn)，在重顯自然景物彩色過程中，并不一定要恢復(fù)原景物輻射的所有光波成分，而重要的是獲得與原景物相同的彩色感覺。 n按照色度學(xué)的基本原理，用R、G、B三基色的各種線性組合可以構(gòu)造出各種不同的彩色空間來表示景物的顏色。各種不同的彩色空間在不同的應(yīng)用中也許會(huì)比原始的RGB彩色空間具有更有用的特性，更有效且更經(jīng)濟(jì)。因此在彩色電視中，用Y、C1, C2彩色表示法分別表示亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)，C1，C2的含義與具體的應(yīng)用有關(guān)。在NTSC彩色電視制中，C1，C2分別表示I、Q兩個(gè)色差信號(hào)；在PAL彩色電視制中，C1，C2分別表示U、V兩個(gè)色差信號(hào)；在CC

10、IR 601數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，C1，C2分別表示Cr，Cb兩個(gè)色差信號(hào)。所謂色差是指基色信號(hào)中的三個(gè)分量信號(hào)(即R、G、B)與亮度信號(hào)之差。n在彩色電視中，使用Y、C1，C2有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：nY和C1，C2是獨(dú)立的，因此彩色電視和黑白電視可以同時(shí)使用，Y分量可由黑白電視接收機(jī)直接使用而不需做任何進(jìn)一步的處理；n可以利用人的視覺特性來節(jié)省信號(hào)的帶寬和功率，通過選擇合適的顏色模型，可以使C1，C2的帶寬明顯低于Y的帶寬，而又不明顯影響重顯彩色圖像的觀看。因此，為了滿足兼容性的要求，彩色電視系統(tǒng)選擇了一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)，而不直接選擇三個(gè)基色信號(hào)進(jìn)行發(fā)送和接收。 第二節(jié) 彩色電視信號(hào)的類型 n包

11、含亮度信號(hào)、色差信號(hào)和所有定時(shí)信號(hào)的單一信號(hào)叫做復(fù)合電視信號(hào)(composite video signal)，或者稱為全電視信號(hào)。 n分量電視信號(hào)(component video signal)是指每個(gè)基色分量作為獨(dú)立的電視信號(hào)。每個(gè)基色既可以分別用R、G和B表示，也可以用亮度-色差表示，如Y、I和Q，Y、U和V。使用分量電視信號(hào)是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號(hào)。 n分離電視信號(hào)S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分離的一種電視信號(hào)，是分量模擬電視信號(hào)和復(fù)合模擬電視信號(hào)的一種折中方案。使用S-Video有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 減少亮度信號(hào)和色差信號(hào)

12、之間的交叉干擾。(2) 不須要使用梳狀濾波器來分離亮度信號(hào)和色差信號(hào)，這樣可提高亮度信號(hào)的帶寬。 n復(fù)合電視信號(hào)是把亮度信號(hào)和色差信號(hào)復(fù)合在一起，使用一條信號(hào)電纜線傳輸。而S-Video信號(hào)則使用單獨(dú)的兩條信號(hào)電纜線，一條用于亮度信號(hào)，另一條用于色差信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)稱為Y/C信號(hào)。S-Video使用4針連接器，如下圖所示。S-Video連接器 插座號(hào)信號(hào)信號(hào)電平阻抗1地(亮度)-2地(色度)-3亮度(包含同步信號(hào))1V75 ohms4色度0.3V75 ohms第三節(jié) 電視圖像數(shù)字化 n數(shù)字電視圖像有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，可直接進(jìn)行隨機(jī)存儲(chǔ)使電視圖像的檢索變得很方便，復(fù)制數(shù)字電視圖像和在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字

13、電視圖像都不會(huì)造成質(zhì)量下降，很容易進(jìn)行非線性電視編輯。n在大多數(shù)情況下，數(shù)字電視系統(tǒng)都希望用彩色分量來表示圖像數(shù)據(jù)，如用YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色分量。因此，電視圖像數(shù)字化常用“分量初始化(component digitization)”這個(gè)術(shù)語，它表示對(duì)彩色空間的每一個(gè)分量進(jìn)行初始化。 n早在20世紀(jì)80年代初，國際無線電咨詢委員會(huì)CCIR(International Radio Consultative Committee)就制定了彩色電視圖像數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，稱為CCIR 601標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)改為ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了彩色電視圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像時(shí)使用的采樣頻率，RGB

14、和YCbCr(或者寫成YCBCR)兩個(gè)彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等。 2. 采樣頻率采樣頻率 nCCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個(gè)采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的電視圖像信號(hào)采樣。n對(duì)PAL制、SECAM制，采樣頻率fs為 fs=62525N=15625N=13.5 MHz, N=864其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。n對(duì)NTSC制，采樣頻率fs為fs=52529.97N=15734N=13.5 MHz, N=858其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。 3. 有效顯示分辨率有效顯示分辨率 n對(duì)PAL制和SECAM制的亮度信號(hào)，每一條掃描行采樣864個(gè)樣

15、本；對(duì)NTSC制的亮度信號(hào)，每一條掃描行采樣858個(gè)樣本。對(duì)所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720個(gè)。 4. ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn)摘要標(biāo)準(zhǔn)摘要 nITU-R BT.601用于對(duì)隔行掃描電視圖像進(jìn)行數(shù)字化，對(duì)NTSC和PAL制彩色電視的采樣頻率和有效顯示分辨率都作了規(guī)定。下表給出了ITU-R BT.601推薦的采樣格式、編碼參數(shù)和采樣頻率。nITU-R BT.601推薦使用4 2 2的彩色電視圖像采樣格式。使用這種采樣格式時(shí)，Y用13.5 MHz的采樣頻率，Cr，Cb用6.75 MHz的采樣頻率。采樣時(shí)，采樣頻率信號(hào)要與場同步和行同步信號(hào)同步。 采樣格采樣格式式信號(hào)信號(hào)形式形式采樣

16、頻率采樣頻率樣本數(shù)樣本數(shù)/ /掃描行掃描行數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)取值取值(MHz)NTSCPAL范圍范圍(A/D)(A/D)Y13.5858(720)864(720)220級(jí)(16 235)4:2:2Cr6.75429(360)432(360)225級(jí)(16 240)Cb6.75429(360)432(360)(128 112)Y13.5858(720)864(720)220級(jí)(16 235)4:4:4Cr13.5858(720)864(720)225級(jí)(16 240)Cb13.5858(720)864(720)(128 112) 為了既可用625行的電視圖像又可用525行的電視圖像，CCITT規(guī)定

17、了稱為公用中分辨率格式CIF(Common Intermediate Format)，1/4公用中分辨率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-Quarter Common Intermediate Format，SQCIF)格式 。 CIF格式具有如下特性：(1)電視圖像的空間分辨率為家用錄象系統(tǒng)(V Video H Home S System，VHS)的分辨率，即352288。(2)使用非隔行掃描(non-interlaced scan)。(3)使用NTSC幀速率，電視圖像的最大幀速率為30000/100129.97幅/秒。(4)使用1/2的PAL水平分辨率，即288線。(5)

18、對(duì)亮度和兩個(gè)色差信號(hào)(Y、Cb和Cr)分量分別進(jìn)行編碼，它們的取值范圍同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。n對(duì)彩色電視圖像進(jìn)行采樣時(shí)，可以采用兩種采樣方法。一種是使用相同的采樣頻率對(duì)圖像的亮度信號(hào)和色差信號(hào)進(jìn)行采樣，另一種是對(duì)亮度信號(hào)和色差信號(hào)分別采用不同的采樣頻率進(jìn)行采樣。如果對(duì)色差信號(hào)使用的采樣頻率比對(duì)亮度信號(hào)使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。 n圖像子采樣在數(shù)字圖像壓縮技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用?？梢哉f，在彩色圖像壓縮技術(shù)中，最簡便的圖像壓縮技術(shù)恐怕就要算圖像子采樣了。這種壓縮方法的基本根據(jù)是人的視覺系統(tǒng)所具有的兩條特性，一是人眼對(duì)色度信號(hào)的敏感程度比對(duì)亮度信號(hào)的敏感程度低，利用這個(gè)特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號(hào)去掉一些而使人不察覺；二是人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個(gè)特性可以把圖像中的高頻信