第十章 彩色数字电视基础

1、第第十十章章 彩色数字电视基础彩色数字电视基础 10.1 彩色电视制式 10.2 彩色电视信号的类型 10.3 电视图像数字化 10.4 图像子采样 本章要点本章要点前半部分将介绍模拟电视的一些基本常识；后半部分将介绍彩色数字电视的基本常识。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 一、一、简介简介 彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。 NTSC(N National T Television S Systems C Committee)彩色电视制，称为正交平衡调幅制。美国、日本等采用。 PAL(P Phase-A Alternative L Line)制彩色电视，称

2、为逐行倒相正交平衡调幅制。中国、德国等采用。 SECAM (法文：SeSequential C Coleur A Avec M Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联等采用。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 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广播，显示的也是黑白图像，这叫逆兼容性。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 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

3、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 10.1 彩色电视制式彩色电视制式二、二、电视扫描和同步电视扫描和同步 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。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式在隔行扫描中，电子束扫完第1行后回到第3行开始的位置接着扫，然后在第5、7、，行上扫，

4、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。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。这是因为，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。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式行频fH：每秒钟扫描的行数场频ff：每秒钟扫描的场数帧频fF：每秒扫描的帧数 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式1.P

5、AL制电视的扫描特性 (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 fH:行扫描频率是15 625 Hz，周期为64s ff:场扫描频率是50 Hz,周期为20 ms fF:帧频是25 Hz，是场频的一半，周期为40 ms 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 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，

6、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。 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式2. 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

7、步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒。 (1) 颜色模型：YIQ 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式fH:行扫描频率是15 750 Hz，周期为63.5s ff:场扫描频率是60Hz,周期为16.67ms fF:帧频是30Hz，是场频的一半，周期为33.33ms实际传送图像的行数为480行 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 3. SECAM图像格式为4:3，625线，50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽8 MHz,这与PAL制相类似。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)信号是按行的顺序传输的。 而

8、PAL是QAM调制。10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式TVTV制式制式PALPALNTSCNTSCSECAMSECAM行周期(H)64.063.5564.0水消隐宽度11.810.811.8平同步宽度4.74.74.7定前肩1.31.31.3时色同步起点5.65.1(s)色同步宽度2.252.67均衡脉冲宽度2.352.32.35场同步脉冲宽度27.327.127.3垂直消隐宽度25H20H25H(场)均衡脉冲数565同步场同步脉冲数56510.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式三、三、彩色电视彩色电视 彩色图像重现过程 10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 在彩色电视中

9、，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。 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。10.1 10.1 彩色电视制式彩色电视制式 在彩色电视中，使用Y、C1，C2有两个重要优点：Y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；可以利用人的视觉特

10、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。 10.2 10.2 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型 一、一、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信号的单一信号叫做复合电视信号复合电视信号(composite video signal)，或者称为全电视信号全电视信号。 10.2 10.2 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型 10.2 10.2 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型二、二、分量电视信号分量电视信号 分量电视信号(component video signal)是指每个基色分量作

11、为独立的电视信号。每个基色既可以用RGB表示，也可以用亮度-色差表示，如YIQ，YUV。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。 10.2 10.2 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型三、三、S-VideoS-Video信号信号 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。 (1)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。 10.2 10.2 彩色电视信号的类型

12、彩色电视信号的类型 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。而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： 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化 一、一、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。 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化 由于在大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如

13、用YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色分量。因此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。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。 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化二、二、数字化标准数字化标准 彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准，现改为ITU-R BT.601标准。 该标准规定了彩色电视图像

14、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。 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化1. 彩色空间之间的转换 BT.601的YCbCr和RGB两个彩色空间之间的转换关系用下式表示： 601219219219 0.2990 0.5870 0.1140160.1726 0.3388 0.5114128 0.5114 0.4282 0.0832128YRCbGCrB 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化2. 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。 对PAL制、SECAM制，采

15、样频率fs为 fs=62525N=15625N=13.5 MHz, N=864 对NTSC制，采样频率fs为 fs=52529.97N=15734N=13.5MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化3. 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。 122象素12象素PAL制SECAM制NTSC制有效采样样本720象素16象素720象素132象素10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字

16、化4. ITU-R BT.601标准摘要 采样格式 信号形式采样频率样本数样本数/ /扫描行扫描行 数字信号取值范数字信号取值范围围(A/D)(A/D) (MHz) NTSCPAL4:2:2Y 13.5858(720) 864(720) 220级(16 235) Cr 6.75429(360) 432(360) 225级(16 240) (128 112) Cb 6.75429(360) 432(360) 4:4:4Y 13.5858(720) 864(720) 220级(16 235) Cr 13.5858(720) 864(720) 225级(16 240) (128 112) Cb 13

17、.5858(720) 864(720) 5. CIF、QCIF和SQCIF CCITT规定了称为公用中分辨率格式CIF(C Common I Intermediate F Format)，1/4公用中分辨率格式(Q Quarter-CIFCIF，QCIF)和(S Sub-Q Quarter C Common I Intermediate F Format，SQCIF)格式 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化CIFQCIFSQCIF行数/帧 像素/行 行数/帧像素/行行数/帧像素/行亮度(Y) 288360(352) 144180(176)96128色度(Cb) 144180(17

18、6)7290(88)4864色度(Cr) 144180(176)7290(88)4864 CIF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(V Video H Home S System，VHS)的分辨率，即352288。 (2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 (3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/100129.97幅/秒。 (4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。 (5) 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

19、值等于240，最小值等于16。 10.3 10.3 电视图像数字化电视图像数字化10.4 10.4 图像子采样图像子采样 一、一、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图像子采样(subsampling)(subsampling)。 10.4 10.4 图像子采样图像子采样 人的视觉系统具有两条特性：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。 图像子采样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的。 10.4 10.4 图像子采样图像子采样目前使用的子采样格式有如下几种：4:4:44:4:4 4:2:24:2:2 4:1:14:1:1 (1)(1) 4:2:04:2:0 10.4 10.4 图像子