數(shù)字電視基礎(chǔ)

數(shù)字電視基礎(chǔ)第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)2/29第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)目錄8.1模擬彩色電視制8.1.1電視與電視制8.1.2重現(xiàn)彩色圖像的過程9.1.3彩色電視制8.1.4國際彩色電視標(biāo)準(zhǔn)8.2電視掃描和同步8.2.1電視的掃描方式8.2.2PAL制的掃描特性8.2.3NTSC制的掃描特性8.2.4SECAM制的掃描特性8.3彩色電視信號的類型8.3.1復(fù)合電視信號8.3.2分量電視信號8.3.3S-Video信號8.4電視圖像數(shù)字化8.4.1數(shù)字化方法8.4.2BT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)8.4.3CIF電視圖像格式8.5圖像子采樣8.5.1圖像子采樣概要8.5.24:4:4YCbCr格式8.5.34:2:2YCbCr格式8.5.44:1:1YCbCr格式8.5.54:2:0YCbCr格式8.6數(shù)字電視8.6.1數(shù)字電視是什么8.6.2數(shù)字電視的原理8.6.3數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)8.7數(shù)字電視圖像格式8.7.1數(shù)字電視圖像格式簡介8.7.2數(shù)字電視圖像格式參數(shù)8.7.3SDTV格式8.7.4EDTV格式8.7.5HDTV格式第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)3/298.1模擬彩色電視制電視是什么英文“television”的譯名，簡寫為TVtele來自希臘語，表示far(遠(yuǎn))vision來自拉丁語，表示看到的景物捕獲、廣播和重現(xiàn)活動圖像和聲音的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)兩種類型的電視系統(tǒng)黑白電視(black&whiteTV):重現(xiàn)黑白圖像的電視系統(tǒng)彩色電視(colortelevision):近似重現(xiàn)彩色圖像的電視系統(tǒng)注：彩色電視是在黑白電視基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此彩色電視系統(tǒng)的許多特性，如掃描、同步等都與黑白電視相同第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)4/298.1模擬彩色電視制(續(xù)1)重現(xiàn)彩色圖像的過程圖8-1說明用彩色攝像機(jī)攝取自然景物、轉(zhuǎn)換彩色分量信號和在彩色顯示器上重現(xiàn)自然景物的過程使用Y，C1，C2傳輸?shù)膬蓚€重要優(yōu)點：Y和色差(C1，C2)是相互獨立的，因此彩色電視接收機(jī)和黑白電視接收機(jī)可同時接收彩色電視信號可利用人的視覺特性來節(jié)省信號的帶寬和功率圖8-1彩色圖像重現(xiàn)過程第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)5/298.1模擬彩色電視制(續(xù)2)電視制(televisionsystem)傳輸圖像和聲音的方法黑白電視制按其掃描參數(shù)、電視信號帶寬以及射頻特性劃分，目前世界上在用和不再使用的黑白電視制共有14種彩色電視制按照在黑白電視系統(tǒng)上處理三種基色信號的方式，目前世界上定義了三種互不兼容的模擬彩色電視制:NTSC制PAL制SECAM制HDTV是還沒有推廣的高清晰度數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)6/298.1模擬彩色電視制(續(xù)3)NTSC彩色電視制美國、加拿大等大部分西半球國家以及日本、韓國、菲律賓和臺灣地區(qū)采用正交幅度調(diào)制QAM主要特性包括圖像的寬高比為4:3，525條掃描線，隔行掃描，30幀每秒，視像帶寬為4.2MHz，使用YIQ信號，色度信號用正交幅度調(diào)制(QAM)，聲音用調(diào)頻制(FM)，總的電視通道帶寬為6MHz第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)7/298.1模擬彩色電視制(續(xù)4)PAL彩色電視制德國、英國等一些西歐國家，以及中國、朝鮮等國家采用這種制式。由于使用的一些參數(shù)細(xì)節(jié)不同，因此PAL制有PAL-G，PAL-I和PAL-D等制式。其中，PAL-D是我國大陸采用的制式。逐行倒相(Phase-AlternativeLine，PAL)彩色電視制由于它也采用正交幅度調(diào)制，因此也稱逐行倒相正交平衡調(diào)幅制，是為克服NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點而開發(fā)的。其中，“逐行倒相”的意思是顏色分量V的相位每隔一行反相一次。主要特性包括圖像的寬高比為4:3，625條掃描線，隔行掃描，25幀圖像每秒，視像帶寬至少為4MHz，使用YUV顏色模型，色度信號用正交幅度調(diào)制，聲音用調(diào)頻制(FM)，總的電視通道帶寬為8MHz第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)8/298.1模擬彩色電視制(續(xù)5)SECAM制法文SequentialColeurAvecMemoire的縮寫，稱為“順序傳送彩色與存儲”彩色電視制法國、俄羅斯、東歐和中東等約有60多個地區(qū)和國家使用SECAM與PAL制SECAM制的色度信號使用頻率調(diào)制(FM)，PAL制用的是正交幅度調(diào)制SECAM制與PAL制具有相同的掃描線數(shù)(625線每幀)、幀頻(25幀每秒，50場每秒)和圖像寬高比(4:3)，視像帶寬最高為6MHz，總帶寬為8MHz。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)9/298.2電視掃描和同步 電視的掃描方式逐行掃描/非隔行掃描/順序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，見圖8-2(a)隔行掃描電子束掃完第1行后從第3行開始掃，接著掃第5行、7行、…，一直掃到最后一行的中間，見圖8-2(b)(a)逐行掃描圖8-2圖像掃描方式第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)10/298.2電視掃描和同步(續(xù)1)一幀圖像由兩部分組成：由奇數(shù)行組成的奇數(shù)場；由偶數(shù)行組成的偶數(shù)場(6)隔行掃描圖8-2圖像掃描方式第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)11/298.2電視掃描和同步(續(xù)2)電視掃描術(shù)語場頻/場速率(fieldrate)ff

，每秒鐘掃描的場數(shù)根據(jù)人的視覺特性和電網(wǎng)頻率(50Hz或60Hz)確定的，目的是使在屏幕上顯示的圖像看起來不會讓人感覺到在閃爍，以及減低電網(wǎng)頻率的干擾幀頻/幀速率(framerate)fF

，每秒掃描的幀數(shù)用“幀每秒(framespersecond，fps)”做單位PAL制和NTSC制電視的幀頻分別為25fps和30fps。行頻/水平行速率(horizontallinerate)fH

，每秒鐘掃描的行數(shù)例如，NTSC制精確的幀頻是29.97Hz，525行每幀，因此行頻為29.97×525＝15734行/秒。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)12/298.2電視掃描和同步(續(xù)3)PAL制的掃描特性一幀圖像的總行數(shù)為625，分兩場掃描場頻為50Hz，周期為20ms幀頻為25Hz，周期為40ms行掃描頻率(行頻)為15625Hz，周期為64μs每一行傳送圖像的時間為52.2μs行掃描逆程時間為11.8μs，兼作行同步和消隱圖8-3表示黑白電視的掃描定時與同步信號，包括水平同步(即行同步)、場同步等信號第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)13/298.2電視掃描和同步(續(xù)4)注意：由于每一場的掃描行數(shù)為625/2=312.5行，其中25行作場回掃，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。然而，計算機(jī)處理圖像時將偶數(shù)場的第一行和奇數(shù)場的最后一行都作為完整的一行，奇數(shù)場和偶數(shù)場的有效顯示行數(shù)就被認(rèn)為都是288行，因此一幀圖像的有效顯示行數(shù)為576行。這就是有不少人爭論的“575還是576”的問題圖8-3掃描定時與同步信號第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)14/29不管是行掃描還是場掃描，都有正程和逆程正程掃描的時間遠(yuǎn)大于逆程掃描的時間，這樣才能獲得更高的平均亮度

一行64us的掃描線包含了正掃54us和逆掃12us（逆掃和同步頭同時的，此時消隱)

一場64us×625的掃描線包含了正掃64us/行×576行和逆掃64us/行×49行，因此才有“PAL制的625條掃描線中，包括了50行左右的逆程線，實際有效掃描線為575～576左右?！钡恼f法，也就是說一場中有效顯示行是576行，還有50行是在逆程中不顯示的

PAL制式中一個完整幀包括奇數(shù)場和偶數(shù)場，每一場掃描625/2=312.5行，因此偶數(shù)場是從一行的中間開始掃描的，這樣，奇偶場的掃描線剛好錯開，利用熒光粉的余暉和人的視覺暫留合成后就可以得到625行的圖像了，只是其中49行是看不到的，因此實際的最高分辨率是720*576第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)15/298.3彩色電視信號的類型三種類型的彩色電視信號

1、復(fù)合電視信號--全電視信號：包含亮度信號、色差信號和所有定時信號的單一信號，使用一條信號線傳輸

2、分量電視信號--用三個顏色分量和同步信號進(jìn)行記錄和傳輸?shù)碾娨曅盘?，至?條獨立的信號線每個顏色分量可用RGB或用亮度-色差表示，如YIQ，YUV需要較寬的帶寬和同步信號主要用在數(shù)字電視系統(tǒng)、電視游戲和多媒體系統(tǒng)中

3、S-Video信號—使用2條單獨信號線，一條亮度信號(Y)一條色度信號(C)分開錄制和處理的電視信號

兩個優(yōu)點減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾不需使用梳狀濾波器分離亮度信號和色差信號

第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)16/298.4電視圖像數(shù)字化數(shù)字化方法分量數(shù)字化(componentdigitization)對彩色空間的每個分量進(jìn)行數(shù)字化，如對YCbCr，YUV，YIQ或RGB顏色空間中的分量信號源錄像帶、激光視盤和模擬攝像機(jī)等輸出的彩色全電視信號數(shù)字化方法先分離后數(shù)字化。先把模擬的全彩色電視信號分離成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空間中的分量信號用三個A/D轉(zhuǎn)換器分別對分量信號數(shù)字化先數(shù)字化后分離用一個高速A/D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化在數(shù)字域中分離出YCbCr，YUV，YIQ或RGB顏色空間中的分量數(shù)據(jù)詳見參考文獻(xiàn)和站點[4]第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)17/298.4電視圖像數(shù)字化(續(xù)1)

BT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)國際無線電咨詢委員會(CCIR)于20世紀(jì)80年代初制定的彩色電視圖像數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了彩色電視圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像時使用的采樣頻率，RGB和YCbCr彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等彩色空間轉(zhuǎn)換BT.601的Y'CbCr分量用8位二進(jìn)制數(shù)表示R'G'B'分量使用相同的數(shù)值范圍[0,219]第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)18/298.4電視圖像數(shù)字化(續(xù)2)采樣頻率CCIR為NTSC、PAL和SECAM彩色電視制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率：13.5MHz對PAL和SECAM：fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,N=864對NTSC：fs==525×29.97×N=15734×N=13.5MHz,N=858N為每一掃描行上的采樣數(shù)目第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)19/298.4電視圖像數(shù)字化(續(xù)3)有效顯示分辨率對所有制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720個每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)見圖8-8圖8-8ITU-RBT.601的亮度采樣結(jié)構(gòu)第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)20/298.4電視圖像數(shù)字化(續(xù)5)CIF電視圖像格式CommonIntermediateFormat的縮寫，可稱“公用中間分辨率格式”；CCITT規(guī)定的格式用于625行和525行的電視圖像具體規(guī)格見表8-5，其中QCIF(Quarter-CIF)——1/4公用中間分辨率格式SQCIF(Sub-QCIF)——小1/4公用中間分辨率格式第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)21/298.5圖像子采樣圖像子采樣(subsampling)對彩色電視圖像進(jìn)行采樣時，可采用兩種采樣方法對亮度信號和色差信號采用相同的采樣頻率進(jìn)行采樣對亮度信號和色差信號采用不同的采樣頻率進(jìn)行采樣圖像子采樣的概念對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低的采樣方法在數(shù)字圖像壓縮技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用最簡便的圖像壓縮技術(shù)恐怕就要算圖像子采樣?；疽罁?jù)是人的視覺系統(tǒng)所具有的兩個特性人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個特性可把顏色信號去掉一些而使人不易察覺人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)22/29

使用下面介紹的采樣格式，人的視覺系統(tǒng)對采樣前后顯示的圖像質(zhì)量沒有感到有明顯差別。(1)4:4:4

在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取

4個亮度Y樣本

4個紅色差Cr樣本

4個藍(lán)色差Cb樣本

相當(dāng)于每像素用3個樣本表示(2)4:2:2

在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取

4個亮度Y樣本

2個紅色差Cr樣本

2個藍(lán)色差Cb樣本

平均每個像素用2個樣本表示第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)23/29(3)4:1:1

在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取

4個亮度Y樣本

1個紅色差Cr樣本

1個藍(lán)色差Cb樣本平均每個像素用1.5個樣本表示。(4)4:2:0

在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點上取

2個亮度Y樣本

1個紅色差Cr樣本

1個藍(lán)色差Cb樣本平均每個像素用1.5個樣本表示。第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)24/298.6數(shù)字電視數(shù)字電視是什么

DTV數(shù)字電視是遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)字傳輸技術(shù)提供質(zhì)量高于模擬的電視的圖像和聲音圖像使用MPEG-2Video標(biāo)準(zhǔn)，聲音使用MPEG-2Audio或杜比數(shù)字(DolbyDigital)標(biāo)準(zhǔn)采用的標(biāo)準(zhǔn)不斷修改，如已有公司開始采用MPEG-4AVC/H.264標(biāo)準(zhǔn)第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)25/298.6數(shù)字電視(續(xù)1)傳輸方式衛(wèi)星轉(zhuǎn)播：衛(wèi)星數(shù)字電視(digitalsatelliteTV)地面廣播：地面數(shù)字電視(digitalterrestrialTV)電纜傳輸：有線數(shù)字電視(digitalcableTV)傳輸數(shù)字電視需要數(shù)字電視播出系統(tǒng)，接收數(shù)字廣播電視需要數(shù)字電視機(jī)現(xiàn)用的模擬電視機(jī)增加機(jī)頂盒后可收看部分?jǐn)?shù)字電視節(jié)目數(shù)字電視機(jī)可收看模擬電視節(jié)目第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)26/298.6數(shù)字電視(續(xù)2)數(shù)字電視的原理在數(shù)字電視信號發(fā)送端，見9-15(a)視像信號經(jīng)過視像編碼器壓縮和編碼聲音信號經(jīng)過聲音編碼器壓縮和編碼視像、聲音和其他數(shù)據(jù)或電視節(jié)目復(fù)合經(jīng)過多路復(fù)合器和傳輸格式生成器形成MPEG-2傳輸數(shù)據(jù)流(transportstream)通過前向錯誤校正(FEC)編碼器、調(diào)制器和上行轉(zhuǎn)換器(upperconverter)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸信道上第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)27/298.6數(shù)字電視(續(xù)3)圖8-15地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)[5]第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期六第8章數(shù)字電視基礎(chǔ)28/298.6數(shù)字電視(續(xù)4)在數(shù)字電視信號接收端通過下行變換器(downconverter)、解調(diào)器、FEC解碼器、傳輸格式清除器、多路