数字电视时代的几种专业DV格式介绍.doc

数字电视时代的几种专业DV格式介绍2003-8-7 13:35:12文章来源:中华宽带网 浏览次数:640随着电子技术、数字技术和计算机技术的迅速发展，广播电视系统设备的数字化、网络化发展日新月异，令人始料不及。1998年11月美国开始数字电视广播，计划2006年将全面实现数字电视广播并全部收回模拟电视的NTSC频道，西欧和日本等发达国家也都制定了各自的数字电视广播计划。我国的数字电视广播HDTV已于1998年9月在中央电视塔上进行广播试验，并将于2000年正式试播。数字电视的时代即将到来，模拟电视终将被数字电视所取代。所以广播电视技术工作者急需知识更新。今年上半年北京广播学院举办了数字电视远程教学，学习中我作为辅导员发现许多同志对电视设备的数字格式理解不深，现把广播电视设备的数字格式做一简单介绍。格式是指表达、记录图像信息的方式，如视频标准中最基本的参数是扫描格式，规定了每行像素数、每帧行数、每秒场数和帧数。录像机的记录方式也称为格式，如D1、D5格式，DVCAM格式，DVCPRO及DigitalS格式等。模拟电视存在着许多难以克服的缺陷：多次传输或复制后会形成噪声积累，信号的线性、非线性失真，亮色互扰，行间闪烁，爬行，微分相位和微分增益失真等等，致使图像质量不断下降。但这些缺陷大多可通过将模拟信号转变为数字信号进行处理、存储、控制和传输来解决。为了用数字处理和传输电视信号，首先要将模拟电视信号数字化，即对电视信号进行抽样、量化和编码。电视信号是通过摄像机对自然景物的扫描并经光电转换形成的。对于PAL制，扫描后的图像每秒包含25帧，1帧分为两场，每场有效行为287.5行，这就是说电视信号一经产生，实际上已对自然景物在时间轴及图像垂直方向上完成抽样，留给数字电视系统的是如何在水平方向上完成抽样和量化。1CCIR601建议所确定的数字分量编码422标准(1)抽样频率的选择电视信号数字化抽样频率的选择首先应满足奈奎斯特抽样定理，即抽样频率至少要等于视频带宽的两倍。对于数字分量编码，CCIR601建议亮度抽样频率为525/60和625/50三大制式行频公倍数2.25MHz的6倍，即13.5MHz。对现行电视制式而言，亮度信号的最大带宽是6MHz，13.5MHz26MHz=12MHz，所以它符合奈奎斯特定理。而色差信号的带宽比亮度信号窄得多，所以在分量编码时两个色差信号的抽样频率可以低一些。因同时考虑到抽样的样点结构应满足正交结构要求，两个色差信号的抽样频率均选为亮度信号抽样频率的一半，即6.75MHz，这样亮度信号与两个色差信号的抽样频率之比为422。2)数字分量视频信号有效行取样点数的确定每行数字分量信号的取样点数为：对于625行/50场制式：每行亮度取样点=13.5Mhz/15625Hz=864点/行每行每个色度取样点=6.75Mhz/15625Hz=432点/行对于525行/60场制式：每行亮度取样点=13.5Mhz/15734.266Hz=858点/行每行每个色度取样点=6.75Mhz/15734Hz=429点/行可见，这两种制式选用了相同的抽样频率，但每行取样点数却不相同。所以把两者取样点数之差别放在数字有效行以外的部分，而使每个数字有效行内的取样点数相同。CCIR601建议两种制式有效行内的取样点数亮度信号取720个，两个色差信号各取360个，即每个数字有效行包括720个亮度数据和720个色度数据(两个色度各360个)，这样就统一了数字分量编码标准，使三种不同制式便于转换和统一。所以有效行亮度信号与两个色差信号的取样点数之比也为422(720360360)。上述两点即为获取高质量的后期制作由CCIR601建议所确定的数字分量编码标准：亮度信号的抽样频率为13.5MHz，每个色差信号的抽样频率为6.75MHz，其抽样频率之比为422，或者说，每数字有效行亮度信号的取样点数是720个，每个色差信号的取样点数是360个，其取样点数之比也为422，这就是数字分量编码的422标准，也称为422格式。用作演播室数字设备及其联接或国际节目交换时的数字化标准。(3)411与420格式除了标准的422格式之外，还有将色差信号的抽样频率取为3.375MHz的较低标准的411和420格式。另外还有为适合更高图像质量要求而将色差信号抽样频率取为13.5MHz的更高标准的444格式。这里只对422格式与411和420格式数字取样结构进行比较。411和420格式不仅色差信号的取样频率相对于422格式来说减半，而且使场取样比减半，丢失了后期制作中的一些重要信号信息，如色键。由于彩色信号带宽信息的减半，此信号也就不再适合作高质量的多代编辑。然而，对于普通的新闻采访和窄带传输编码可采用411或420非标准取样方式，结果是牺牲带宽换得节省设备费用的益处。422格式同411规格及420格式系统相比，其高质量视频图像的效果是显而易见的。2数字录像机格式录像机是电视节目制作的基本工具，磁带录像机的发展历程也是从模拟信号形态过渡到数字信号形态的。由于视频信号处理有422、411、420格式之分，压缩方式有场内DCT、帧内DCT和MPEG2之分，码率压缩比不同，记录码率有200Mbps左右、90Mbps左右、25Mbps和50Mbps之分，磁带宽度有3/4、1/2、1/4英寸以及MP与ME之分等等，数字录像机的格式十分多样。例如，不压缩的D1、D5格式，21压缩的DigitalBetacam格式，51压缩的DVCPRO(D7)和DVCAM格式，101压缩的BetacamSX格式，331压缩的DVCPRO50和DigitalS(D9)格式等等。(1)BetacamSX格式该格式系列产品的数字一体化摄录机及数字视频磁带录像机采用先进的MPEG2422PML压缩算法，压缩比101，可录制8bit422数字分量视频信号，并可记录重放4通道16bit不压缩数字音频信号，使用1/2英寸金属粒子带，还可兼容重放模拟信号的Betacam和BetacamSP格式带(DNWA65P和DNWA75P提供)，从而使BetacamSX向全数字化环境过渡更经济合理。(3)411与420格式除了标准的422格式之外，还有将色差信号的抽样频率取为3.375MHz的较低标准的411和420格式。另外还有为适合更高图像质量要求而将色差信号抽样频率取为13.5MHz的更高标准的444格式。这里只对422格式与411和420格式数字取样结构进行比较。411和420格式不仅色差信号的取样频率相对于422格式来说减半，而且使场取样比减半，丢失了后期制作中的一些重要信号信息，如色键。由于彩色信号带宽信息的减半，此信号也就不再适合作高质量的多代编辑。然而，对于普通的新闻采访和窄带传输编码可采用411或420非标准取样方式，结果是牺牲带宽换得节省设备费用的益处。422格式同411规格及420格式系统相比，其高质量视频图像的效果是显而易见的。2数字录像机格式录像机是电视节目制作的基本工具，磁带录像机的发展历程也是从模拟信号形态过渡到数字信号形态的。由于视频信号处理有422、411、420格式之分，压缩方式有场内DCT、帧内DCT和MPEG2之分，码率压缩比不同，记录码率有200Mbps左右、90Mbps左右、25Mbps和50Mbps之分，磁带宽度有3/4、1/2、1/4英寸以及MP与ME之分等等，数字录像机的格式十分多样。例如，不压缩的D1、D5格式，21压缩的DigitalBetacam格式，51压缩的DVCPRO(D7)和DVCAM格式，101压缩的BetacamSX格式，331压缩的DVCPRO50和DigitalS(D9)格式等等。(1)BetacamSX格式该格式系列产品的数字一体化摄录机及数字视频磁带录像机采用先进的MPEG2422PML压缩算法，压缩比101，可录制8bit422数字分量视频信号，并可记录重放4通道16bit不压缩数字音频信号，使用1/2英寸金属粒子带，还可兼容重放模拟信号的Betacam和BetacamSP格式带(DNWA65P和DNWA75P提供)，从而使BetacamSX向全数字化环境过渡更经济合理。对表一的几点说明：1MPEG2是一种对通用的活动图像及其相关音频的编码方法，是至今为止最重要的视频压缩国际标准，适用于SDTV、HDTV视频压缩编码。MPEG2的视频格式分为4级：低级视频格式、主级视频格式、高级窄屏幕视频格式、高级宽屏幕视频格式。各级视频格式按每帧行数、帧频和像素速率的不同分为5类，详细内容请查阅相关资料。2本表采用422视频分量编码格式，8bit均匀量化。3根据MPEG2的类和级中各视频格式编码的最大输出码率，可算出最小压缩比，而且取样格式不同，视频码率及压缩比也不相同。a422格式SDTV像素速率为：(7205762360576)25=(7204802360480)30=20.736兆像素/秒码率=20.736兆像素/秒8bit=165.888Mbps主级视频格式中最高传输码率为15Mbps,则最小压缩比=165.888Mbps/15Mbps=11.06。窄屏HDTV像素速率为：(1440115227201152)25=(14409602720960)30=82.944兆像素/秒码率=82.944兆像素/秒8bit=663.552Mbps。1440高级类的最高传输码率为60Mbps，则最小压缩比=663.552Mbps/60Mbps=11.06宽屏HDTV像素速率为：(1920115229601152)25=(19209602960960)30=110.592兆像素/秒码率=110.592兆像素/秒8bit=884.736Mbps高级类的最高传输码率为80Mbps,则最小压缩比=884.736Mbps/80Mbps=11.06b因为人眼对色度清晰度不太敏感，为了降低码率可采用420格式，这时各视频格式的码率及最小压缩比：SDTV像素速率为：(7205762360288)25=(7204802360240)30=15.552兆像素/秒码率=15.552兆像素/秒8bit=124.416Mbps压缩比=124.416Mbps/15Mbps=8.29窄屏HDTV像素速率为：(144011522720576)25=(14409602720480)30=62.208兆像素/秒码率=62.208兆像素/秒8bit=497.644Mbps压缩比=497.664Mbps/60Mbps=8.29宽屏HDTV像素速率为：(192011522960576)25=(19209602960480)30=82.944