第七章 彩色數(shù)字電視基礎(chǔ)

第七章

彩色數(shù)字電視基礎(chǔ)電視是當(dāng)代最有影響力的信息傳播工具！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，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，電視和計算機(jī)才開始融合在一起。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，而后半部分將介紹彩色數(shù)字電視的基本常識。第一節(jié)彩色電視制式

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NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)彩色電視制是1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會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灣采用這種制式。

二、PAL制式由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點(diǎn)，因此德國(當(dāng)時的西德)于1962年制定了PAL(Phase-AlternativeLine)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制式法國制定了SECAM(法文：SequentialColeur

AvecMemoire)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為順序傳送彩色與存儲制。法國、蘇聯(lián)及東歐國家采用這種制式。世界上約有65個地區(qū)和國家試驗(yàn)這種制式。

四、兼容制式NTSC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。為什么能兼容？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：(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、圖像載頻、伴音載頻等等。(2)需要將攝像機(jī)輸出的三基色信號轉(zhuǎn)換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，并將它們組合成一個彩色全電視信號進(jìn)行傳送。在接收端，彩色電視機(jī)將彩色全電視信號重新轉(zhuǎn)換成三個基色信號，在顯象管上重現(xiàn)發(fā)送端的彩色圖像。五、電視掃描和同步掃描有隔行掃描(interlacedscanning)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，而計算機(jī)顯示圖像時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。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。

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。正是這個原因，才要求總的行數(shù)必須是奇數(shù)。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是兩個不同的概念。

PAL制式電視的掃描特性

625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40ms/幀)每場中有25行作為場回掃，所以每幀中只有575行是有效行。高寬比(aspectratio)：4:3隔行掃描，2場/幀，312.5行/場顏色模型：YUV一幀圖像的總行數(shù)為625，分兩場掃描。行掃描頻率是15,625Hz，周期為64μs；場掃描頻率是50Hz,周期為20ms；幀頻是25Hz，是場頻的一半，周期為40ms。在發(fā)送電視信號時，每一行中傳送圖像的時間是52.2μs，其余的11.8μs不傳送圖像，是行掃描的逆程時間，同時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。下圖所示的是一個行周期的電視信號，彩色電視信號與它相似。

一個行周期的電視信號(黑白電視系統(tǒng))

NTSC制式電視的掃描特性525行/幀,30幀/秒高寬比：電視畫面的長寬比為4:3隔行掃描，1幀分成2場(field)，262.5線/場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)。每行63.5微秒，水平回掃時間10微秒(包含5微秒的水平同步脈沖)，所以顯示時間是53.5微秒顏色模型：YIQ一幀圖像的總行數(shù)為525行，分兩場掃描。行掃描頻率為15,750Hz，

周期為63.5μs；場掃描頻率是60Hz，周期為16.67ms；幀頻是30Hz，周期33.33ms。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。

六、彩色電視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。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。值得慶幸的是，科學(xué)家們對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。

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和兩個色差信號，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兩個色差信號；在PAL彩色電視制中，C1，C2分別表示U、V兩個色差信號；在CCIR601數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，C1，C2分別表示Cr，Cb兩個色差信號。所謂色差是指基色信號中的三個分量信號(即R、G、B)與亮度信號之差。YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中。從RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換中，輸入、輸出都是8位二進(jìn)制格式。在彩色電視中，使用Y、C1，C2有兩個重要優(yōu)點(diǎn)：①Y和C1，C2是獨(dú)立的，因此彩色電視和黑白電視可以同時使用，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；②可以利用人的視覺特性來節(jié)省信號的帶寬和功率，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)選擇了一個亮度信號和兩個色差信號，而不直接選擇三個基色信號進(jìn)行發(fā)送和接收。

第二節(jié)

彩色電視信號的類型

一、復(fù)合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叫做復(fù)合電視信號(compositevideosignal)，或者稱為全電視信號。

二、分量電視信號分量電視信號(componentvideosignal)是指每個基色分量作為獨(dú)立的電視信號。每個基色既可以分別用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。使用分量電視信號是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號。

三、S-Video信號分離電視信號S-Video(Separatedvideo-VHS)是亮度和色差分離的一種電視信號，是分量模擬電視信號和復(fù)合模擬電視信號的一種折中方案。使用S-Video有兩個優(yōu)點(diǎn)：(1)減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾。(2)不須要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色差信號，這樣可提高亮度信號的帶寬。

復(fù)合電視信號是把亮度信號和色差信號復(fù)合在一起，使用一條信號電纜線傳輸。而S-Video信號則使用單獨(dú)的兩條信號電纜線，一條用于亮度信號，另一條用于色差信號，這兩個信號稱為Y/C信號。S-Video使用4針連接器，如下圖所示。S-Video連接器

S-Video工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4針連接器規(guī)格

插座號信號信號電平阻抗1地(亮度)--2地(色度)--3亮度(包含同步信號)1V75ohms4色度0.3V75ohms第三節(jié)電視圖像數(shù)字化

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)字電視圖像都不會造成質(zhì)量下降，很容易進(jìn)行非線性電視編輯。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(componentdigitization)”這個術(shù)語，它表示對彩色空間的每一個分量進(jìn)行初始化。

一、電視圖像數(shù)字化常用的方法先從復(fù)合彩色電視圖像中分離出彩色分量，然后數(shù)字化。大多數(shù)電視信號源都是彩色全電視信號，如來自錄象帶、激光視盤、攝象機(jī)等的電視信號。對這類信號的數(shù)字化，通常的做法是首先把模擬的全彩色電視信號分離成YUV，YIQ或RGB彩色空間中的分量信號，然后用三個A/D轉(zhuǎn)換器分別對它們數(shù)字化。首先用一個高速A/D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數(shù)據(jù)。二、數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)早在20世紀(jì)80年代初，國際無線電咨詢委員會CCIR(InternationalRadioConsultativeCommittee)就制定了彩色電視圖像數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，稱為CCIR601標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)改為ITU-RBT.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)字圖像時使用的采樣頻率，RGB和YCbCr(或者寫成YCBCR)兩個彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等。

1.

彩色空間之間的轉(zhuǎn)換

2.

采樣頻率

CCIR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)中的電視圖像信號采樣。對PAL制、SECAM制，采樣頻率fs為fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,N=864

其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。對NTSC制，采樣頻率fs為

fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz,N=858

其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。

采樣頻率和同步信號之間的關(guān)系

3.

有效顯示分辨率

對PAL制和SECAM制的亮度信號，每一條掃描行采樣864個樣本；對NTSC制的亮度信號，每一條掃描行采樣858個樣本。對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720個。

ITU-RBT.601的亮度采樣結(jié)構(gòu)4.ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)摘要

ITU-RBT.601用于對隔行掃描電視圖像進(jìn)行數(shù)字化，對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-RBT.601推薦的采樣格式、編碼參數(shù)和采樣頻率。ITU-RBT.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，Y用13.5MHz的采樣頻率，Cr，Cb用6.75MHz的采樣頻率。采樣時，采樣頻率信號要與場同步和行同步信號同步。

采樣格式信號形式采樣頻率樣本數(shù)/掃描行數(shù)字信號取值

(MHz)NTSCPAL范圍(A/D)

Y13.5858(720)864(720)220級(16～235)4:2:2Cr6.75429(360)432(360)225級(16～240)

Cb6.75429(360)432(360)(128±112)

Y13.5858(720)864(720)220級(16～235)4:4:4Cr13.5858(720)864(720)225級(16～240)

Cb13.5858(720)864(720)(128±112)5、CIF、QCIF和SQCIF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)定了稱為公用中分辨率格式CIF(CommonIntermediateFormat)，1/4公用中分辨率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-QuarterCommonIntermediateFormat，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)(VideoHomeSystem，VHS)的分辨率，即352×288。(2)使用非隔行掃描(non-interlacedscan)。(3)使用NTSC幀速率，電視圖像的最大幀速率為30000/1001≈29.97幅/秒。(4)使用1/2的PAL水平分辨率，即288線。(5)對亮度和兩個色差信號(Y、Cb和Cr)分量分別進(jìn)行編碼，它們的取值范圍同ITU-RBT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。三、圖像子采樣對彩色電視圖像進(jìn)行采樣時，可以采用兩種采樣方法。一種是使用相同的采樣頻率對圖像的亮度信號和色差信號進(jìn)行采樣，另一種是對亮度信號和色差信號分別采用不同的采樣頻率進(jìn)行采樣。如果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，這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。

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，利用這個特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號去掉一些而使人不察覺；二是人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺。子采樣也就是利用人的視覺系統(tǒng)這兩個特性來達(dá)到壓縮彩色電視信號。

試驗(yàn)表明，使用下面介紹的子采樣格式，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。目前使用的子采樣格式有如下幾種：

(1)4:4:4

這種采樣格式不是子采樣格式，它是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、4個紅色差Cr樣本和4個藍(lán)色差Cb樣本，這就相當(dāng)于每個像素用3個樣本表示。

(2)4:2:2這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、2個紅色差Cr樣本和2個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示。(3)4:1:1

這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和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

這種子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點(diǎn)上取2個