06彩色数字电视基础

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制这里不包括高清晰度彩色电视不包括高清晰度彩色电视HDTV(High-Definition television)NTSC(National Television Systems Committee)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制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国失真的缺点，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-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交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，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以及中国、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：Sequential Coleur Avec Memoire)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了既能实现兼容性而又要有彩色为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求：方面的要求：(1)必需采用与黑白电视相同的一些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、伴音频、帧频、同步信号、图像载频、伴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(interlaced scanning)和非隔行扫描之分非隔行扫描也称逐行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行扫描，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隔行扫而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描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(40 ms/帧帧)(2)高宽比高宽比(aspect ratio)：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：YUV NTSC制的扫描特性制的扫描特性(1)525行行/帧帧,30帧帧/秒秒(29.97 fps,33.37 ms/frame)(2)高宽比：电视画面的长宽比高宽比：电视画面的长宽比(电视为电视为4:3；电影；电影为为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)在每场的开始部分保留在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信扫描线作为控制信息，因此只有息，因此只有485条线的可视数据。

条线的可视数据Laser disc约约420线，线，S-VHS约约320线线(5)每行每行63.5微秒，水平回扫时间微秒，水平回扫时间10微秒微秒(包含包含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，50 Hz，6 MHz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 下图说明用彩色摄象机摄取景物时，如何把自然下图说明用彩色摄象机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为景物的彩色分解为R、G、B分量，以及如何重显分量，以及如何重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CCIR 601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(composite video signal)，或者称为全电视或者称为全电视信号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(component video signal)是是指每个基色分量作为独立的电视信号每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个基色既可以分别用R、G和和B表示，也可表示，也可以用亮度以用亮度-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好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号3）S-Video信号信号 分离电视信号分离电视信号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。

电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案使用使用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)不须要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色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差信号，这样可提高亮度信号的带宽S-Video and S-VHS(Super Video Home System)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亮度亮度(包含包含同步信号同步信号)1V75 ohms4色度色度0.3V75 ohms6.3 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(International Radio Consultative Committee)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CCIR 601标准，标准，现改为现改为ITU-R BT.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=13.5 MHz,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=13.5 MHz,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ITU-R BT.601标准摘要标准摘要 ITU-R BT.601推荐使用推荐使用4 2 2的彩色的彩色电视图像采样格式使用这种采样格式时，电视图像采样格式使用这种采样格式时，Y用用13.5 MHz的采样频率，的采样频率，Cr，Cb用用6.75 MHz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规定了称为规定了称为公用中分辨率格式公用中分辨率格式CIF(Common Intermediate Format)，1/4公用中分辨率公用中分辨率格式格式(Quarter-CIF，QCIF)和和(Sub-Quarter Common Intermediate Format，SQCIF)格式CIF格式具有如下特性：格式具有如下特性：(1)电视图像的空间分辨率为家用录像系统电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，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-interlaced scan)3)使用使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/100129.97幅幅/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5)对亮度和两个色差信号对亮度和两个色差信号(Y、Cb和和Cr)分量分别分量分别进行编码，它们的取值范围同进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601即即黑色黑色=16，白色，白色=235，色差的最大值等于，色差的最大值等于240，最，最小值等于小值等于166.4 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 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每扫描线上每4个连续的采样点取个连续的采样点取4个亮度个亮度Y样本、样本、4个红色个红色差差Cr样本和样本和4个蓝色差个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用样本，这就相当于每个像素用3个样本表示个样本表示2)4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续个连续的采样点取的采样点取4个亮度个亮度Y样本、样本、2个红色差个红色差Cr样本和样本和2个蓝色个蓝色差差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 这种子采样格式是指在每条扫描线上每这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续个连续的采样点取的采样点取4个亮度个亮度Y样本、样本、1个红色差个红色差Cr样本和样本和1个蓝色个蓝色差差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 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个个连续的采样点上取连续的采样点上取2个亮度个亮度Y样本、样本、1个红色差个红色差Cr样本和样本和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）4:4:4 YCbCr格式格式 3）4:2:2 YCbCr格式格式 4）4:1:1 YCbCr格式格式 5）4:2:0 YCbCr格式格式(1)H.261,H.263和和MPEG-1(2)MPEG-2 。