06彩色数字电视基础.ppt

6 6 彩色数字电视基础彩色数字电视基础彩色数字电视是从模拟电视和模拟彩彩色数字电视是从模拟电视和模拟彩色电视发展而来的，因此本章的前半色电视发展而来的，因此本章的前半部分将介绍模拟电视的一些基本常识，部分将介绍模拟电视的一些基本常识，而后半部分将介绍彩色数字电视的基而后半部分将介绍彩色数字电视的基本常识。本常识。6.1彩色电视制式彩色电视制式1）简介）简介目前世界上现行的彩色电视制式有三目前世界上现行的彩色电视制式有三种：种：NTSC制、制、PAL制和制和SECAM制。这里制。这里不包括高清晰度彩色电视不包括高清晰度彩色电视HDTV(High-Definitiontelevision)。NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)彩色电视制是彩色电视制是1952年美国国家年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，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。称为正交平衡调幅制。由于由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国真的缺点，因此德国(当时的西德当时的西德)于于1962年制定了年制定了PAL(Phase-AlternativeLine)制彩制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡色电视广播标准，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。及中国、朝鲜等国家采用这种制式。法国制定了法国制定了SECAM(法文：法文：SequentialColeurAvecMemoire)彩色电视彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。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。世法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有界上约有65个地区和国家试验这种制式。个地区和国家试验这种制式。为为了了既既能能实实现现兼兼容容性性而而又又要要有有彩彩色色特特性性，因因此此彩彩色色电电视视系系统统应应满满足足下下列列几几方面的要求：方面的要求：(1)必必需需采采用用与与黑黑白白电电视视相相同同的的一一些些基基本本参参数数，如如扫扫描描方方式式、扫扫描描行行频频、场场频频、帧帧频频、同同步步信信号号、图图像像载载频频、伴伴音音载频等等。载频等等。(2)需要将摄像机输出的三基色信号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。色全电视信号进行传送。2）电视扫描和同步电视扫描和同步扫描有隔行扫描扫描有隔行扫描(interlacedscanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描。黑白电视和彩色电视都用隔也称逐行扫描。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描。隔行扫描。(a)逐行扫描(b)隔行扫描PAL制电视的扫描特性制电视的扫描特性(1)625行行(扫描线扫描线)/帧，帧，25帧帧/秒秒(40ms/帧帧)(2)高宽比高宽比(aspectratio)：4:3(3)隔行扫描，隔行扫描，2场场/帧，帧，312.5行行/场场(4)颜色模型：颜色模型：YUVNTSC制的扫描特性制的扫描特性(1)525行行/帧帧,30帧帧/秒秒(29.97fps,33.37ms/frame)(2)高高宽宽比比：电电视视画画面面的的长长宽宽比比(电电视视为为4:3；电电影影为为3:2；高清晰度电视为；高清晰度电视为16:9)(3)隔行扫描，一帧分成隔行扫描，一帧分成2场场(field)，262.5线线/场场(4)在在每每场场的的开开始始部部分分保保留留20扫扫描描线线作作为为控控制制信信息息，因因此此只只有有485条条线线的的可可视视数数据据。Laserdisc约约420线，线，S-VHS约约320线线(5)每每行行63.5微微秒秒，水水平平回回扫扫时时间间10微微秒秒(包包含含5微微秒的水平同步脉冲秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是，所以显示时间是53.5微秒。微秒。(6)颜色模型：颜色模型：YIQSECAM这种制式与这种制式与PAL制类似，其差别是制类似，其差别是SECAM中的色度信号是频率调制中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差而且它的两个色差信号：红色差(R-Y)和蓝色差和蓝色差(B-Y)信号是按行的顺序传输信号是按行的顺序传输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65个地区和国家使用这种制式，图像格个地区和国家使用这种制式，图像格式为式为4:3，625线，线，50Hz，6MHz电视信电视信号带宽，总带宽号带宽，总带宽8MHz。以上三种电视制式的主要特性以上三种电视制式的主要特性彩彩色色电电视视的的同同步步信信号号表表TV制式制式PALNTSCSECAM行周期行周期(H)64.063.5564.0水水消隐宽度消隐宽度11.810.811.8平平同步宽度同步宽度4.74.74.7定定前肩前肩1.31.31.3时时色同步起点色同步起点5.65.1�(s)色同步宽度色同步宽度2.252.67�均衡脉冲宽度均衡脉冲宽度2.352.32.35场同步脉冲宽场同步脉冲宽度度27.327.127.3垂直垂直消隐宽度消隐宽度25H20H25H(场场)均衡脉冲数均衡脉冲数565同步同步场同步脉冲数场同步脉冲数565TVTV制式制式PALPALG I DG I DNTSCNTSCM MSECAMSECAM行行/帧帧625625525525625625帧帧/秒秒(场场/秒秒)25(50)25(50)30(60)30(60)25(50)25(50)行行/秒秒156251562515734157341562515625参考白光参考白光C C白白D D65006500D D65006500声音载频声音载频(MHz)MHz)5.5 6.0 6.55.5 6.0 6.54.54.56.56.52.82.82.22.22.82.8彩色副载频彩色副载频(Hz)Hz)44336184433618357954535795454250000(+4250000(+U)U)4406500(-V)4406500(-V)彩色调制彩色调制QAMQAMQAMQAMFMFM亮度带宽亮度带宽(MHz)MHz)5.0 5.55.0 5.54.24.26.06.0色度带宽色度带宽(MHz)MHz)1.3(1.3(UtUt)1.3(Vt)1.3(Vt)1.3(1.3(I)I)0.6(Q)0.6(Q)1.0(1.0(UtUt)1.0(Vt)1.0(Vt)彩彩色色电电视视国国际际标标准准表表3)彩色电视彩色电视下下图图说说明明用用彩彩色色摄摄象象机机摄摄取取景景物物时时，如如何何把把自自然然景景物物的的彩彩色色分分解解为为R、G、B分分量量，以以及及如如何何重重显显自然景物彩色的过程。自然景物彩色的过程。在彩色电视中，用在彩色电视中，用Y、C1,C2彩色表示法彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，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。的含义与具体的应用有关。在在NTSC彩色电视制中，彩色电视制中，C1，C2分别表分别表示示I、Q两个色差信号；两个色差信号；在在PAL彩色电视制中，彩色电视制中，C1，C2分别表示分别表示U、V两个色差信号；两个色差信号；在在CCIR601数字电视标准中，数字电视标准中，C1，C2分分别表示别表示Cr，Cb两个色差信号。两个色差信号。在彩色电视中，使用在彩色电视中，使用Y、C1，C2有两个重要有两个重要优点：优点：Y和和C1，C2是独立的，因此彩色电视和黑白电是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，视可以同时使用，Y分量可由黑白电视接收机直分量可由黑白电视接收机直接使用而不需做任何进一步的处理；接使用而不需做任何进一步的处理；可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使率，通过选择合适的颜色模型，可以使C1，C2的的带宽明显低于带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。因此，为了满足兼容性的要求，色图像的观看。因此，为了满足兼容性的要求，彩色电视系统选择了一个亮度信号和两个色差信彩色电视系统选择了一个亮度信号和两个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收。号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收。6.2彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型1）复合电视信号复合电视信号包含亮度信号、色差信号和所有定时包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号叫做复合电视信号信号的单一信号叫做复合电视信号(compositevideosignal)，或者称为全电视或者称为全电视信号。信号。2）分量电视信号分量电视信号分量电视信号分量电视信号(componentvideosignal)是指是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个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基色既可以分别用R、G和和B表示，也可以表示，也可以用亮度用亮度-色差表示，如色差表示，如Y、I和和Q，Y、U和和V。使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，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。但需要比较宽的带宽和同步信号。3）S-Video信号信号分分离离电电视视信信号号S-Video(Separatedvideo-VHS)是是亮亮度度和和色色差差分分离离的的一一种种电电视视信信号号，是是分分量量模模拟拟电电视视信信号号和和复复合合模模拟拟电电视视信信号号的的一一种种折折中中方方案案。使用使用S-Video有两个优点：有两个优点：(1)减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。(2)不不须须要要使使用用梳梳状状滤滤波波器器来来分分离离亮亮度度信信号号和和色色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。差信号，这样可提高亮度信号的带宽。S-VideoandS-VHS(SuperVideoHomeSystem)S-Video连接器 S-Video工业标准工业标准4针连接器规格表针连接器规格表插座号插座号信号信号信号电平信号电平阻抗阻抗1地地(亮度亮度)-2地地(色度色度)-3亮亮度度(包包含含同步信号同步信号)1V75ohms4色度色度0.3V75ohms6.3电视图像数字化电视图像数字化1）数字化的方法数字化的方法数字电视图像有很多优点。例如，可数字电视图像有很多优点。例如，可直接进行随机存储使电视图像的检索变得直接进行随机存储使电视图像的检索变得很方便，复制数字电视图像和在网络上传很方便，复制数字电视图像和在网络上传输数字电视图像都不会造成质量下降，很输数字电视图像都不会造成质量下降，很容易进行非线性电视编辑。容易进行非线性电视编辑。我们现在接触到的大多数电视信号源我们现在接触到的大多数电视信号源都是彩色全电视信号，如来自录像带、激都是彩色全电视信号，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电视信号。对这类信光视盘、摄像机等的电视信号。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全彩色电视信号分离成YCbCr，YUV，YIQ或或RGB彩色空间中的分量信号，然后彩色空间中的分量信号，然后用三个用三个A/D转换器分别对它们数字化。转换器分别对它们数字化。首先用一个高速首先用一个高速A/D转换器对彩色全转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或或RGB分量数据。分量数据。2）数字化标准数字化标准早在早在20世纪世纪80年代初，国际无线电咨年代初，国际无线电咨询委员会询委员会CCIR(InternationalRadioConsultativeCommittee)就制定了彩色电就制定了彩色电视图像数字化标准，称为视图像数字化标准，称为CCIR601标准，标准，现改为现改为ITU-RBT.601标准。该标准规定了标准。该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率样频率，RGB和和YCbCr(或者写成或者写成YCBCR)两个彩色空间之间的转换关系等。两个彩色空间之间的转换关系等。彩色空间之间的转换彩色空间之间的转换Y=0.299R+0.587G+0.114BCr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128采样频率采样频率对对PAL制、制、SECAM制，采样频率制，采样频率fs为为fs=62525N=15625N=13.5MHz,N=864其中其中，N为每一扫描行上的采样数目。为每一扫描行上的采样数目。对对NTSC制，采样频率制，采样频率fs为为fs=52529.97N=15734N=13.5MHz,N=858其中，其中，N为每一扫描行上的采样数目。为每一扫描行上的采样数目。有效显示分辨率有效显示分辨率对对PAL制和制和SECAM制的亮度信号，每制的亮度信号，每一条扫描行采样一条扫描行采样864个样本；对个样本；对NTSC制的制的亮度信号，每一条扫描行采样亮度信号，每一条扫描行采样858个样本。个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为均为720个。个。ITU-RBT.601标准摘要标准摘要ITU-RBT.601推荐使用推荐使用4 2 2的彩色电的彩色电视图像采样格式。使用这种采样格式时，视图像采样格式。使用这种采样格式时，Y用用13.5MHz的采样频率，的采样频率，Cr，Cb用用6.75MHz的采样频率。采样时，采样频率信号的采样频率。采样时，采样频率信号要与场同步和行同步信号同步。要与场同步和行同步信号同步。CIF、QCIF和和SQCIF为了既可用为了既可用625行的电视图像又可用行的电视图像又可用525行的电视图像行的电视图像，CCITT规定了称为公规定了称为公用中分辨率格式用中分辨率格式CIF(CommonIntermediateFormat)，1/4公用中分辨率公用中分辨率格式格式(Quarter-CIF，QCIF)和和(Sub-QuarterCommonIntermediateFormat，SQCIF)格式。格式。CIF格式具有如下特性：格式具有如下特性：(1)电电视视图图像像的的空空间间分分辨辨率率为为家家用用录录像像系系统统(VideoHomeSystem，VHS)的分辨率，即的分辨率，即352288。(2)使用非隔行扫描使用非隔行扫描(non-interlacedscan)。(3)使使用用NTSC帧帧速速率率，电电视视图图像像的的最最大大帧帧速速率率为为30000/100129.97幅幅/秒。秒。(4)使用使用1/2的的PAL水平分辨率，即水平分辨率，即288线。线。(5)对对亮亮度度和和两两个个色色差差信信号号(Y、Cb和和Cr)分分量量分分别别进进行行编编码码，它它们们的的取取值值范范围围同同ITU-RBT.601。即即黑黑色色=16，白白色色=235，色色差差的的最最大大值值等等于于240，最最小值等于小值等于16。6.4图像子采样图像子采样1）图像子采样概要图像子采样概要对彩色电视图像进行采样时，可以采用两对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频率种采样方法。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，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。不同的采样频率进行采样。如果对色差信如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采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样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。目前使用的子采样格式有如下几种：目前使用的子采样格式有如下几种：(1)4:4:4这这种种采采样样格格式式不不是是子子采采样样格格式式，它它是是指指在在每每条条扫扫描描线线上上每每4个个连连续续的的采采样样点点取取4个个亮亮度度Y样样本本、4个个红红色色差差Cr样样本本和和4个个蓝蓝色色差差Cb样样本本，这这就就相相当当于于每每个个像像素素用用3个个样本表示。样本表示。(2)4:2:2这这种种子子采采样样格格式式是是指指在在每每条条扫扫描描线线上上每每4个个连连续续的的采采样样点点取取4个个亮亮度度Y样样本本、2个个红红色色差差Cr样样本本和和2个个蓝蓝色色差差Cb样本，平均每个像素用样本，平均每个像素用2个样本表示。个样本表示。(3)4:1:1这这种种子子采采样样格格式式是是指指在在每每条条扫扫描描线线上上每每4个个连连续续的的采采样样点点取取4个个亮亮度度Y样样本本、1个个红红色色差差Cr样样本本和和1个个蓝蓝色色差差Cb样本，平均每个像素用样本，平均每个像素用1.5个样本表示。个样本表示。(4)4:2:0这这种种子子采采样样格格式式是是指指在在水水平平和和垂垂直直方方向向上上每每2个个连连续续的的采采样样点点上上取取2个个亮亮度度Y样样本本、1个个红红色色差差Cr样样本本和和1个蓝色差个蓝色差Cb样本，平均每个像素用样本，平均每个像素用1.5个样本表示。个样本表示。2）4:4:4YCbCr格式格式3）4:2:2YCbCr格式格式4）4:1:1YCbCr格式格式5）4:2:0YCbCr格式格式(1)H.261,H.263和和MPEG-1(2)MPEG-2