第10章彩色数字电视基础 水水水水*水水水水冰水水水水水水水水水水水客水水水水水水冰水水水水冰水水水水水水水水水水水水水冰水水水冰水水水水水水水水*水水冰水水水冰水 10.1彩色电视制式 10.1.1简介 10.1.2电视扫描和同步 10.1.3彩色电视 10.2彩色电视信号的类型 10.2.1复合电视信号 10.2.2分量电视信号 10.2.3S- Video信号 10.3电视图像数字化 10.3.1数字化的方法 10.3.2数字化标准 10.4图像子采样 10.4.1图像子采样概要 10.4.24:4:4 YCbCr格式 10.4.34:2:2 YCbCr格式 10.4.44:1:1 YCbCr格式 10.4.54:2:0 YCbCr格式 练习与思考题 参考文献和站点 电视是当代最有影响力的信息传播工具! 电视是20世纪20年代的伟大发明,在50年代开发电视技术时,用任何一种数字技术来传 输和再现真实世界的图像和声音都是极其困难的,因此电视技术一直沿着模拟信号处理技术 的方向发展,直到70年代才开始开发数字电视。由于数字技术具有许多优越性,而且数字技 术发展到足以使模拟电视向数字电视过渡的水平,电视和计算机才开始融合在一起。 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本常识。这些基本常识对理解 MPEG电视是极其有用的 10.1彩色电视制式 10.1.1简介 目前世界上现行的彩色电视制式有三种:NTSC制、PAL制和 SECAM制。这里不包括高清晰 度彩色电视HDTV( High-Definition television)。数字彩色电视是从模拟彩色电视基础上 发展而来的,因此在多媒体技术中经常会碰到这些术语 NTSC( National Television Systems Committee)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。 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点,因此德国(当时的西德)于1962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(法文: Sequential Coleur Avec Memoire)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。 NTSC制、PAL制和 SECAM制都是兼容制制式。这里说的“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
第10章 彩色数字电视基础 *************************************************************************** 10.1 彩色电视制式 10.1.1 简介 10.1.2 电视扫描和同步 10.1.3 彩色电视 10.2 彩色电视信号的类型 10.2.1 复合电视信号 10.2.2 分量电视信号 10.2.3 S-Video信号 10.3 电视图像数字化 10.3.1 数字化的方法 10.3.2 数字化标准 10.4 图像子采样 10.4.1 图像子采样概要 10.4.2 4:4:4 YCbCr格式 10.4.3 4:2:2 YCbCr格式 10.4.4 4:1:1 YCbCr格式 10.4.5 4:2:0 YCbCr格式 练习与思考题 参考文献和站点 *************************************************************************** 电视是当代最有影响力的信息传播工具！ 电视是20世纪20年代的伟大发明，在50年代开发电视技术时，用任何一种数字技术来传 输和再现真实世界的图像和声音都是极其困难的，因此电视技术一直沿着模拟信号处理技术 的方向发展，直到70年代才开始开发数字电视。由于数字技术具有许多优越性，而且数字技 术发展到足以使模拟电视向数字电视过渡的水平，电视和计算机才开始融合在一起。 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本常识。这些基本常识对理解 MPEG电视是极其有用的。 10.1 彩色电视制式 10.1.1 简介 目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰 度彩色电视HDTV (High-Definition television)。数字彩色电视是从模拟彩色电视基础上 发展而来的，因此在多媒体技术中经常会碰到这些术语。 NTSC(National Television Systems Committee)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。 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962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 (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)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。 NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式。这里说的“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
第10章彩色数字电视基础 广播,显示的也是黑白图像,这叫逆兼容性。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方面的要求: (1)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。 (2)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。 10.1.2电视扫描和同步 扫描有隔行扫描( inter laced scanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描, 图10-01表示了这两种扫描方式的差别。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描 2345 678 (a)逐行扫描 4567 3.45678 (b)隔行扫描 图10-01图像的光栅扫描 在非隔行扫描中,电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角,在显示屏上扫 遍就显示一幅完整的图像,如图10-01(a)所示 在隔行扫描中,电子東扫完第1后回到第3行开始的位置接着扫,如图10-01(b)所示, 然后在第5、7、……,行上扫,直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行,这样就完成了 一帧( frame)的扫描。由此可以看到,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。因此在 隔行扫描中,无论是摄像机还是显示器,获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完 整的图像 在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。如前所述,一帧画面分两场,第一场扫描总行 数的一半,第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半,不管 电子東如何折回,它必须回到显示屏顶部的中央,这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌 在第一场各扫描线的中间。正是这个原因,才要求总的行数必须是奇数
第10章 彩色数字电视基础 2 广播，显示的也是黑白图像，这叫逆兼容性。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方面的要求： (1) 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。 (2) 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。 10.1.2 电视扫描和同步 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扫描， 图10-01表示了这两种扫描方式的差别。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描。 (a) 逐行扫描 (b) 隔行扫描 图10-01 图像的光栅扫描 在非隔行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一 遍就显示一幅完整的图像，如图10-01(a)所示。 在隔行扫描中，电子束扫完第1行后回到第3行开始的位置接着扫，如图10-01(b)所示， 然后在第5、7、……，行上扫，直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行，这样就完成了 一帧(frame)的扫描。由此可以看到，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。因此在 隔行扫描中，无论是摄像机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完 整的图像。 在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。如前所述，一帧画面分两场，第一场扫描总行 数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管 电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌 在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数
第10章彩色数字电视基础 每秒钟扫描多少行称为行频f;每秒钟扫描多少场称为场频f;每秒扫描多少帧称帧频 fraf和f是两个不同的概念 1.PAL制电视的扫描特性 PAL电视制的主要扫描特性是: (1)625行(扫描线)/帧,25帧/秒(40ms/帧) (2)高宽比( aspect ratio):4:3 (3)隔行扫描,2场/帧,312.5行/场 (4)颜色模型:YUV 帧图像的总行数为625,分两场扫描。行扫描频率是15625Hz,周期为64μs:;场扫 描频率是50Hz,周期为20ms:帧频是25Hz,是场频的一半,周期为40ms。在发送电视信 号时,每一行中传送图像的时间是52.2μs,其余的11.8μs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。图10-02 所示表示的是一个行周期的电视信号,彩色电视信号与它相似 场同步基准 偶数场结束一|奇数场开始 场消隐信号25H+1行消隐 行同步脉冲 均衡脉冲场同步脉冲|后均衡脉冲冲 6206213124|as|2|3|5|s|6|7|s||22123124|2s|26 LUULUTTLLLLLLLL几 同步电平100% 消隐电平75% 奇数场结束一偶数场开始 场消隐信号5H 白电平0 画均衡脉冲|场同步脉冲|后均衡脉冲 30s|309|310|31|31313134353317|318319|x20|321||3 3738 LLLnTTnLLLLL J Lg 步电平10090 图10-02一个行周期的电视信号(黑白电视系统) 2.NTSC制的扫描特性 NTSC彩色电视制的主要特性是 (1)525行/帧,30帧/秒(29.97fps,33.37ms/ frame) (2)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) (3)隔行扫描,一帧分成2场( field),262.5线/场 (4)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 (5)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 (6)颜色模型:YIQ 帧图像的总行数为525行,分两场扫描。行扫描频率为15750Hz,周期为63.5μs 场扫描频率是60Hz,周期为16.67ms;帧频是30Hz,周期33.33ms。每一场的扫描行数为 525/2=262.5行。除了两场的场回扫外,实际传送图像的行数为480行 3.S SECAM(法文: Sequential coleur Avec Memoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播 标准,称为顺序传送彩色与存储制。这种制式与PAL制类似,其差别是 SECAM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(R’-Y)和蓝色差(B'-Y)信号是按行的顺序
第10章 彩色数字电视基础 3 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。 1. PAL制电视的扫描特性 PAL电视制的主要扫描特性是： (1) 625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) (2) 高宽比(aspect ratio)：4:3 (3) 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 (4) 颜色模型：YUV。 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64μs；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52.2μs，其余的11.8μs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。图10-02 所示表示的是一个行周期的电视信号，彩色电视信号与它相似。 图10-02 一个行周期的电视信号(黑白电视系统) 2. NTSC制的扫描特性 NTSC彩色电视制的主要特性是： (1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) (2) 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) (3) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 (4) 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 (5) 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。 (6) 颜色模型：YIQ 一帧图像的总行数为525行，分两场扫描。行扫描频率为15 750 Hz， 周期为63.5μs； 场扫描频率是60 Hz，周期为16.67 ms；帧频是30 Hz，周期33.33 ms。每一场的扫描行数为 525/2=262.5行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480行。 3. SECAM SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播 标准，称为顺序传送彩色与存储制。这种制式与PAL制类似，其差别是SECAM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(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序
第10章彩色数字电视基础 传输的。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,图像格式为4:3, 625线,50Hz,6MHz电视信号带宽,总带宽8MHz 以上三种电视制式的主要特性如表10-01和表10-02所示。 表10-01彩色电视的同步信号 TV制式 PAL NTSC SECAM 行周期(H 64.0 63.55 64.0 水平定时 消隐宽度 10.8 11.8 前肩 色同步起 色同步宽度 2 2.67 均衡脉冲宽度 2.35 2.35 场同步脉冲宽度 27.1 27.3 垂直 消隐宽度 25H 25H 均衡脉冲数 表10-02彩色电视国际标准 TV制式 SECAM G I D M 行/帧 625 625 帧/秒(场/秒) 25(50) 30(60) 25(50) 行/秒 15625 15734 15625 参考白光 「音载频QHi2)5.56.06.5 2.2 彩色副载频(z) 4433618 3579545 4250000(+U) 4406500(-V) 彩色调制 AM QAM FM 亮度带宽QGz) 5.05.5 色度带宽QMHz) 1.3(Ut) 1.3(I)0.6(Q) >1.0(Ut) 1.3(Vt >1.0(Vt 10.1.3彩色电视 彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的。彩色电视的许多特性,如扫描、同步等都与 黑白电视相同,不同的是显示的图像的颜色不同 根据三基色的基本原理,任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混 合得到,但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的。值得庆幸的是,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 图10-03说明用彩色摄像机摄取景物时,如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量,以 及如何重显自然景物彩色的过程
第10章 彩色数字电视基础 4 传输的。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，图像格式为4:3， 625线，50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽8 MHz。 以上三种电视制式的主要特性如表10-01和表10-02所示。 表10-01 彩色电视的同步信号 TV制式 PAL NTSC SECAM 行周期(H) 64.0 63.55 64.0 水 消隐宽度 11.8 10.8 11.8 平 同步宽度 4.7 4.7 4.7 定 前肩 1.3 1.3 1.3 时 色同步起点 5.6 5.1 — (μs) 色同步宽度 2.25 2.67 — 均衡脉冲宽度 2.35 2.3 2.35 场同步脉冲宽度 27.3 27.1 27.3 垂直 消隐宽度 25H 20H 25H (场) 均衡脉冲数 5 6 5 同步 场同步脉冲数 5 6 5 表10-02 彩色电视国际标准 TV制式 PAL G I D NTSC M SECAM 行/帧 625 525 625 帧/秒(场/秒) 25(50) 30(60) 25(50) 行/秒 15625 15734 15625 参考白光 C白 D6500 D6500 声音载频(MHz) 5.5 6.0 6.5 4.5 6.5 γ 2.8 2.2 2.8 彩色副载频(Hz) 4433618 3579545 4250000(+U) 4406500(-V) 彩色调制 QAM QAM FM 亮度带宽(MHz) 5.0 5.5 4.2 6.0 色度带宽(MHz) 1.3(Ut) 1.3(Vt) 1.3(I) 0.6(Q) >1.0(Ut) >1.0(Vt) 10.1.3 彩色电视 彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的。彩色电视的许多特性，如扫描、同步等都与 黑白电视相同，不同的是显示的图像的颜色不同。 根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混 合得到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的。值得庆幸的是，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。 图10-03说明用彩色摄像机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量，以 及如何重显自然景物彩色的过程
第10章彩色数字电视基础 信号处理 |G(彩色空间变换、[c显 机 放大、同 B调制、传输等) 图10-03彩色图像重现过程 按照色度学的基本原理,用R、G、B三基色的各种线性组合可以构造出各种不同的彩色 空间来表示景物的颜色。各种不同的彩色空间在不同的应用中也许会比原始的RGB彩色空间 具有更有用的特性,更有效且更经济。因此在彩色电视中,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MTSC彩色电视制中,C,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CIR 601数字电视标准中,C1,C2分别表示Cr,Cb两个色差信号。所谓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。 在彩色电视中,使用Y、C1,C2有两个重要优点:①Y和C1,C2是独立的,因此彩色电视和 黑白电视可以同时使用,Y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 ②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C, C的带宽明显低于Y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,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。 10.2彩色电视信号的类型 10.2.1复合电视信号 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( composite video signal),或者称为全电视信号。图10-04表示的是黑白全电视信号,而色差信号是通 过色载波信号调制之后再和亮度信号混合得到,如图图10-05所示。 行同步 (4.7 行周期(H)(64μs) 同步电平 0.3V, 消隐和 黑电平 0.7 白电平 前肩1(11.8μs 后肩 (13us)行消隐 图形信号(522μs) 行时间基准点注:图中参数为我国电视系统用的参数 图10-04一个行周期的黑白全电视信号
第10章 彩色数字电视基础 5 图10-03 彩色图像重现过程 按照色度学的基本原理，用R、G、B三基色的各种线性组合可以构造出各种不同的彩色 空间来表示景物的颜色。各种不同的彩色空间在不同的应用中也许会比原始的RGB彩色空间 具有更有用的特性，更有效且更经济。因此在彩色电视中，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。所谓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。 在彩色电视中，使用Y、C1，C2有两个重要优点：①Y和C1，C2是独立的，因此彩色电视和 黑白电视可以同时使用，Y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； ②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C1， C2的带宽明显低于Y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，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。 10.2 彩色电视信号的类型 10.2.1 复合电视信号 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(composite video signal)，或者称为全电视信号。图10-04表示的是黑白全电视信号，而色差信号是通 过色载波信号调制之后再和亮度信号混合得到，如图图10-05所示。 图10-04 一个行周期的黑白全电视信号