第6章 数字视频基础,6.1 彩色电视制式,NTSC彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。 NTSC制存在相位敏感造成彩色失真,6.1彩色电视制式,1962年制定了制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。 法国制定了SECAM 彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。,6.1彩色电视制式,NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式。 “兼容”有两层意思： 一是指黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像， 另一层意思是彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像，这叫逆兼容性。,兼容性实现,必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等。 需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像。,电视扫描,隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描 每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fF。ff和fF是两个不同的概念。,隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一帧。,PAL电视制式的特性,625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) 高宽比：4:3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 颜色模型：YUV,制式的含义,一帧图像的总行数为625，分两场扫描。行扫描频率是15 625 Hz，周期为64s； 场扫描频率是50 Hz,周期为20 ms；帧频是25 Hz，是场频的一半，周期为40 ms。 在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是52.2s，其余的11.8s不传送图像，是行扫描的逆程时间，同时用作行同步及消隐用。 每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回扫，不传送图像，传送图像的行数每场只有287.5行，因此每帧只有575行有图像显示。彩色电视信号与它相似。,一个行周期的黑白电视信号中图像信号占52.2s，其余11.8s是扫描的逆程时间。逆程时间很短，而且逆程信号不能在屏幕上显示出来，因此逆程电平不能高于黑电平。,扫描信号的含义,NTSC制的扫描特性,525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据。Laser disc约420线，S-VHS约320线 每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒 颜色模型：YIQ,彩色电视,科学家们对人的彩色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然景物彩色过程中，并不一定要恢复原景物辐射的所有光波成分，而重要的是获得与原景物相同的彩色感觉。,彩色电视信号特点,彩色电视中，用Y、C1, C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2的含义与具体的应用有关: 在NTSC彩色电视制中，C1，C2分别表示I、Q两个色差信号； 在PAL彩色电视制中，C1，C2分别表示U、V两个色差信号； 在CCIR 601数字电视标准中，C1，C2分别表示Cr，Cb两个色差信号。 色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。,6.2彩色电视信号的类型,复合电视信号 分量电视信号 S-video信号,全电视信号主要由图像信号（视频信号）、复合消隐信号和复合同步信号组成单一信号。这些信号加在一起称为全电视信号（复合电视信号）,复合电视信号,一个行周期的黑白全电视信号,彩色电视系统的水平消隐信号,分量电视信号,分量电视信号(component video signal)是指每个基色分量作为独立的电视信号。 每个基色既可以分别用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。 使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号。,S-Video信号,分离电视信号S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。 使用S-Video有两个优点： 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。 不须要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。,S-video信号,复合电视信号是把亮度信号和色差信号复合在一起，使用一条信号电缆线传输。 S-Video信号则使用单独的两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号，这两个信号称为Y/C信号。S-Video使用4针连接器,S-video连接器规格,S-Video和S-VHS (Super Video Home System)相混淆，S-VHS是高档家用录象系统。S-Video是定义信号电缆连接插座的硬件标准，S-VHS或者写成SVHS是加强性VHS电视录象带的信号标准，提供的分辨率比VHS提供的分辨率要高一些，噪声信号要低一些。S-VHS支持分离的亮度和色度信号输入/输出，取消了亮度和色度的复合-分离过程。,6.3 电视图象数字化,在大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如用YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色分量。因此，电视图像数字化常用“分量初始化，表示对彩色空间的每一个分量进行初始化。 电视图像数字化常用的方法有两种： 先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。如录象带、激光视盘、摄象机等的电视信号。对这类信号的数字化，通常的做法是首先把模拟的全彩色电视信号分离成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空间中的分量信号，然后用三个A/D转换器分别对它们数字化。 首先用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量数据。,数字化标准,20世纪80年代初，国际无线电咨询委员会制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准（ITU-R BT.601标准）。 标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，RGB和YCbCr(或者写成YCBCR)两个彩色空间之间的转换关系等。,数字化标准,彩色空间之间的转换 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B),数字化标准,采样频率 CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样。 fs=13.5MHZ,数字化标准,采样频率 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为 fs=62525N=15625N=13.5 MHz, N=864其中，N为每一扫描行上的采样数目。 对NTSC制，采样频率fs为fs=52529.97N=15734N=13.5 MHz, N=858其中，N为每一扫描行上的采样数目。,数字化标准,数字化标准,有效显示分辨率 对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样864个样本；对NTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样858个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720个。每一扫描行的采样结构,数字化标准,有效显示分辨率,数字化标准,彩色电视数字化参数,数字化标准,标准化格式 CCITT规定了称为公用中分辨率格式，1/4公用中分辨率格式QCIF和SQCIF格式 CIF格式具有如下特性： 电视图像的空间分辨率为家用录象系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352288。 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/100129.97幅/秒。 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。 对亮度和两个色差信号(Y、Cb和Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同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。,数字化标准,CIF和QCIF相关格式的参数,6.4 图象子采样,两种采样方法： 一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样 另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样 如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling),图象子采样的压缩特性,一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人不察觉 二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉。 子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压缩彩色电视信号。,子采样的格式,4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。 4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。,彩色图象YCrCb样本空间位置,4:4:4子采样格式,4:1:1子采样,MPEG-1使用4:2:0,MPEG-2使用4:2:0,6.5 电视图象数据率,ITU-R BT.601标准数据率 在PAL、NTSC和SECAM彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数 使用4:2:2的采样格式，亮度信号Y的采样频率选择为13.5 MHz/s，而色差信号Cr和Cb的采样频率选择为6.75 MHz/s,6.5 电视图象数据率,亮度(Y): 858样本/行525行/帧30帧/秒10比特/样本 = 135兆比特/秒(NTSC) 864样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 135兆比特/秒(PAL) Cr (R-Y): 429样本/行525行/帧30帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(NTSC) 429样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(PAL) Cb (B-Y): 429样本/行525行/帧30帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(NTSC) 429样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(PAL) 总计: 27兆样本/秒10比特/样本 = 270兆比特/秒,6.5 电视图象数据率,如屏幕分辨率为720 x480，子采样是4:1:1则 亮度(Y): 7204803010= 104 Mb/s (NTSC) 7205762510 = 104 Mb/s (PAL) 色差(Cr，Cb) 23602403010= 52 Mb/s (NTSC