视频测量技术数字分量实用教案

1、模拟视频结构(jigu)特点模拟视频 ：模拟视频信号通过行、场结构的设计，通过亮度信号与调制色度副载波频谱复用，采用一个波形传递所有亮、色信息，在层次结构上耦合紧密，很难在层次接口上进行(jnxng)分割。 第1页/共120页第一页，共120页。数字视频结构(jigu)特点 数字视频系统：原本相对封闭的视频开始融入到数字信息技术领域，开始借鉴并遵从数字信息系统的结构、层次、流程、规律(gul)，以及其他特性第2页/共120页第二页，共120页。数字视频层次模型和标准(biozhn)框架第3页/共120页第三页，共120页。GY/T 224-2007第4页/共120页第四页，共120页。第5页/

2、共120页第五页，共120页。第6页/共120页第六页，共120页。第7页/共120页第七页，共120页。第8页/共120页第八页，共120页。第9页/共120页第九页，共120页。第10页/共120页第十页，共120页。第11页/共120页第十一页，共120页。第12页/共120页第十二页，共120页。第13页/共120页第十三页，共120页。串行数字信号 串行数字(shz)分量信号形成第14页/共120页第十四页，共120页。串行数字信号形成(xngchng) 抽样(chu yn)原理第15页/共120页第十五页，共120页。电视信号取样(qyng)（1）满足取样定理，即取样频率应该大于视

3、频带宽(di kun)的两倍，亮度信号带宽(di kun)是6MHz，因此有 fs 12MHz（2）为了保证取样结构是固定正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍，即： fs=n fH（3）兼顾625行/50场和525行/60场，这两个行频的最小公倍数是2.25MHz，取样频率应是2.25MHz的整数倍。取m=6，亮度信号取样频率fs为13.5 MHz。第16页/共120页第十六页，共120页。4:2:21 Luminance sample Y2 Chrominance samples Cb, Cr取样(qyng)结构 亮度信号的取样频率为13.5MHz，两个(lin )色差信号的取样频率均为6

4、.75MHz 第17页/共120页第十七页，共120页。样点数 Y：13.5 106(1个/秒) 64X10-6(秒/行)=864(个/行） R-Y：432(个/行） B-Y： 432(个/行）第18页/共120页第十八页，共120页。量化 量化：将抽样的样值变为在幅度上离散的有限(yuxin)个二进制信号 抽样使时间上连续信号变为离散的信号，量化又使幅度上的连续变为离散的 10比特量化，就是用十位二进制数来代表有限(yuxin)个（1024个）幅度值第19页/共120页第十九页，共120页。量化范围(fnwi)-51.1mv 000ExcludedExcluded 766.3mv 3FF70

5、0.0mv 3AC 0.0mv 040BlackPeak 6401023d940 3FC10193 003储备电平储备电平第20页/共120页第二十页，共120页。ExcludedZeroMax NegMax PosExcluded-350.0mv 040-400.0 mV 0000.0mv 200+350.0mv 3C0+399.2mv 3FF6405121023d960 3FC 1019 0033第21页/共120页第二十一页，共120页。电视节目各流程压缩编码参数(cnsh)选择第22页/共120页第二十二页，共120页。4:2:2或4:2:0取样格式：ITU-R BT.1203建议书对

6、节目( jim)传送要求使用4:2:2；仅在一次分配、二次分配及地面、卫星（到用户）中使用4:2:0；考虑到目前的应用状况，对于低码率的高清和标清均增加了4:2:0方式。新闻类节目( jim)回传可采用4:2:0方式，体育比赛采用4:2:2方式。 第23页/共120页第二十三页，共120页。SDTV码率建议SDTV传送码率为2025Mbps；收录、编辑(binj)制作、媒资为50Mbps;播出上载为1525Mbps；传输为3.28Mbps，建议45Mbps为保证(bozhng)广播级质量的码率：第24页/共120页第二十四页，共120页。HDTV码率ITU-R BO.788建议书中对HDTV

7、“透明传输”的压缩码率进行测试的结果（1994年）：在105Mbps码率下可察觉损伤，但程度很轻微；在140 Mbps码率下损伤不可见，达到“透明”；在60 Mbps码率下，单次压缩满足图像质量下降小于12%。该建议书推荐使用(shyng)的码率为110 Mbps。澳大利亚使用(shyng)的HDTV传送码率为90Mbps；日本NHK使用(shyng)的HDTV传送码率为80Mbps；第25页/共120页第二十五页，共120页。H DT V 合 理 ( h l ) 码 率 为 S DT V 的 大 约 4 倍 。为保证广播级质量的码率：HDTV传送码率为8090Mbps；收录、编辑制作、媒资为

8、110120Mbps;高端185Mbps播出上载(shn zi)为100120Mbps；传输为1620Mbps第26页/共120页第二十六页，共120页。常见(chn jin)编解码环节 传送 台外信号采集后向台内的信号传递。 传输(chun sh) 台内信号收录后，在台内以及由台向用户的信号传递。 收录 编辑制作 媒资存储 播出上载 新媒体分发第27页/共120页第二十七页，共120页。 为减少重复编解码和转码造成的节目质量损伤，在系统业务流程设计中应当考虑以下几个方面：（1）在系统链路中，尽量避免A/D、D/A转换和YUVRGB色域转换。（2）尽量采用文件传输，避免往复使用磁带进行上下载。

9、（3）合理规划各个环节的视音频文件编码格式和码流，尽量减少系统链路中编解码、转码的次数(csh)，除特殊情况外，最多不应超过4次。系统(xtng)流程规划设计原则第28页/共120页第二十八页，共120页。（4）对于级联编解码，尽量采用相同的编码算法和GOP结构、采样方式。建议选用具备GOP结构重用(zhngyng)功能的高质量编解码设备，减少质量的劣化。（5）提倡原码上载、原码编辑；板块之间相互调用素材文件时，尽量直接迁移源格式文件，减少反复转码造成的质量损伤。第29页/共120页第二十九页，共120页。（6）由于最终到户的图像会经过多次的编解码，在台内各环节应使用尽可能高的码率，或采用(c

10、iyng)主流码率。（7）根据ITU-R BT.1203，节目制播环节对图像质量的损伤必须控制在12%之内。第30页/共120页第三十页，共120页。国标规定(gudng)：第31页/共120页第三十一页，共120页。数字信号行场定时(dn sh)关系 每行总样点数： Y=864 R-Y=432 B-Y=432 每行有效样点数： Y=720 R-Y=360 B-Y=360 每行总字节(z ji)数：864+432+432=1728 有效字节(z ji)：720+360+360=1440 每行消隐期间字节(z ji)数：144+72+72=288 第32页/共120页第三十二页，共120页。第3

11、3页/共120页第三十三页，共120页。SDI的定时(dn sh)基准信号 定时基准信号TRS： 在行消隐(xio yn)期间留出8个数据字位置，用于传送定时基准信号。 SAV： 行有效开始 第17241727个字 EAV：行有效结束 第14401443个字第34页/共120页第三十四页，共120页。定时(dn sh)基准信号 每个定时(dn sh)基准信号由4个字组成 16进制： 3FF 000 000 XYZ 前3个字固定格式不变 XYZ可变，包含的信息有： 场标志符号；行消隐状态；垂直消隐状态第35页/共120页第三十五页，共120页。亮色(lin s)数据的时分复用第36页/共120页

12、第三十六页，共120页。亮色(lin s)数据的时分复用CbYCrYCbYCrYCbYCrYCbYCrYA/DA/DA/DYCbCr13.5MHz4:2:210 Parallel Bits10 Bit Parallel Samples at 27MHzParallel to Serial ConverterITU-R BT.601-2Serial Digital Component270Mb/s第37页/共120页第三十七页，共120页。串行信号传输(chun sh)-SDI接口 通道编码 4：2：2串行分量(fn ling)数字信号的数码率： 13.510+6.7510+6.7510=270

13、（Mbps） （86421062525） NRZI： 倒相的不归零码，对极性不敏感 “1”有跳变，“0”不变化 扰码：提供足够的信号电平转换次数，利于时钟恢复。第38页/共120页第三十八页，共120页。NRZ码和NRZI码特性(txng)第39页/共120页第三十九页，共120页。扰码第40页/共120页第四十页，共120页。SDI 接口(ji ku)传输标准 在串行接口中，每一个10比特的数据字用并/串转换电路(dinl)变成串行的数据流，传输码率从27Mbps变为270 Mbps，用单芯同轴电缆传输。 眼图的形成第41页/共120页第四十一页，共120页。眼图形成(xngchng)的原理

14、第42页/共120页第四十二页，共120页。眼图指标(zhbio)单位(dnwi)间隔0.8 Volts+ 10%抖动(dudng)0.2 UI p-p20% to 80%上升时间0.4 to 1.5 ns过冲单位间隔：UI 3.7ns 第43页/共120页第四十三页，共120页。第44页/共120页第四十四页，共120页。不良(bling)的眼图抖动(dudng)反射(fnsh)第45页/共120页第四十五页，共120页。眼图测试(csh) 幅度(fd) 上升、下降时间 过冲 抖动第46页/共120页第四十六页，共120页。影响(yngxing)数字信号质量的因素 传输的距离（电缆损耗）和信

15、号的电平 噪声将直接影响眼图的开启度； 电缆或接口的反射将导致眼图畸变； 信号的抖动和时钟的重建将影响数据判断； 数字系统的关键是恢复(huf)正确的数码流！第47页/共120页第四十七页，共120页。抖动(dudng)的测量 抖动的定义：抖动是数字信号的跳变相对于它们理想位置在时间上的变化。抖动的测量单位为UI(单位间隔( jin g)。1TU=1/270MHz=3.7ns抖动会造成时钟在时间上的瞬间偏离, 以至造成接受机截取数据时错位.还会使D/A产生非线性失真。第48页/共120页第四十八页，共120页。抖动(dudng)的影响第49页/共120页第四十九页，共120页。抖动(dudng

16、)的影响第50页/共120页第五十页，共120页。抖动(dudng)的分类 抖动(dudng)的分类一般主要以抖动(dudng)所包含的频率成分为依据进行划分。 可大致分为 绝对抖动(dudng)(abso1ute jitter)、 定时抖动(dudng)(timing jitter)、 校正抖动(dudng)(A1ignment jitter) 低频抖动(dudng)(low frequency jitter)。第51页/共120页第五十一页，共120页。抖动(dudng)的分类 定时抖动是抖动速率高于规定速率(典型值为10Hz或更低)的信号跳变位置的变化。 定时抖动通常用于表征整个系统的运

17、行状况。它能够通过把时钟恢复系统环路滤波器的低频截止频率(pnl)设定为f1来测量。这样，测量结果中将包括从环路滤波器截止频率(pnl)到测量上限频率(pnl)的所有频率(pnl)的抖动。第52页/共120页第五十二页，共120页。抖动(dudng)的分类 校正抖动是信号(xnho)的跳变位置相对于从该信号(xnho)中提取的时钟跳变位置的变化。 时钟提取处理的带宽确定了校正抖动的低频限值。通常这个带宽的下限截止频率可在1KHz100KHz之间选取。校正抖动低频限值的典型值为1KHz或100KHz。 与绝对抖动、定时抖动及低频抖动相比，校正抖动是最重要的抖动测量参数。校正抖动能够直接给出影响数

18、字接收机正确恢复数据能力的信息。第53页/共120页第五十三页，共120页。抖动(dudng)的测量范围第54页/共120页第五十四页，共120页。抖动(dudng)测量 综合测试仪中采用提取时钟测量抖动 利用(lyng)时钟提取器获得的时钟信号去触发示波器第55页/共120页第五十五页，共120页。抖动(dudng)测量 在测量抖动时，当滤波器选择(xunz)10Hz时可测得定时抖动值，当滤波器选择(xunz)1KHz时可测得校正抖动值。第56页/共120页第五十六页，共120页。抖动(dudng)测量 VM700眼图测量，抖动(dudng)直读； VM700抖动(dudng)频谱显示2种模

19、式：帧速率和行速率显示。能够显示出与帧频和行频相关的抖动(dudng)。第57页/共120页第五十七页，共120页。WM700测试(csh)实例第58页/共120页第五十八页，共120页。抖动(dudng)的帧显示第59页/共120页第五十九页，共120页。抖动(dudng)的行显示第60页/共120页第六十页，共120页。误码检测(jin c) 误码的定义 在信号源和接收机之间存在任何一个数据字的数值改变称之误码。 误码对图像的影响 误码不仅使电视(dinsh)图像出错，严重时还会造成图像丢失。第61页/共120页第六十一页，共120页。误码检测(jin c) 误码产生的原因 误码的产生很大

20、程度上取决于传输(chun sh)的环境如信杂比下降、高频抖动、设备接地问题、设备间连接的电气特性不好、电源纹波、脉冲干扰等。第62页/共120页第六十二页，共120页。误码率 误码率(BER)定义为错误比特数与总比特数的比率。通常用于对随机噪声引起的误码进行的概率统计。 例：如果每个视频帧出现(chxin)一个误码，则误码率为： 1b/40*10-3s*270*106b/s=0.9310-7第63页/共120页第六十三页，共120页。误码率 数字视频信号(xnho)的误码与信杂比有关。测试串行系统时一种直观方法是增加电缆长度，这也是降低信杂比的简单方法。因为电缆使信号(xnho)幅度衰减，从

21、而降低了信杂比。 误码率与信噪比有一定的关系，并且可以折成某种型号的电缆长度。在实际工程设计中电缆长度应有80米的富裕量。第64页/共120页第六十四页，共120页。误码率模拟(mn)电视数字电视(sh z din sh)第65页/共120页第六十五页，共120页。误码率与误码秒 误码率常用于随机噪声引起的误码统计. 评价(pngji)系统极限性能的一个理论指标；在系统初级设计阶段有指导作用。实际系统运行往往大大高于这些指标； 误码率是一个长时间的统计数据，一个准确的误码率测试是需要一个较长的时间周期。第66页/共120页第六十六页，共120页。误码率与误码秒 误码秒定义为单位秒发生的误码个数

22、. 误码秒常应用于评价系统抗干扰的能力 ； 尤其适合评价因短脉冲干扰引起同步信号遭受破坏,造成图象纷乱的误码统计。 电视节目的制作者更关心的是节目出错的次数,而不是多少比特受影响。因此(ync)误码秒更加直观；第67页/共120页第六十七页，共120页。干扰(gnro)误码特点 脉冲干扰误码为最典型的视频误码,具有间隔出现的特点。一个(y )数据字的出错会引起数百个相同数据字的出错.（系统有干扰） 干扰引起的误码在工程中一般通过纠错编码克服。无论怎样提高信噪比都是难消除的。 通过纠错编码克服；第68页/共120页第六十八页，共120页。误码检测(jin c) 误码率检测( jin c)需停机检

23、测( jin c) 实际意义不大；系统设计过程中的理论分析还是很重要的； SMPTE PR165标准 “EDH”,意为误码检测( jin c)和处理.第69页/共120页第六十九页，共120页。EDH检测(jin c)第70页/共120页第七十页，共120页。EDH检测(jin c) 优点： 在线监视、测试提前给出故障的警告,并能自动地精确地作出报告。不需要中断(zhngdun)播出； CRC数据是串行电视信号的一部分(625/5/318行),因此对系统性能可提供很好的测试效果.第71页/共120页第七十一页，共120页。EDH 检测(jin c)方法 固定图形测试法：给定一个特定的图像序列（

24、测试信号），它的CRC字是固定和已知。通过特定仪器（WFM601)检测它的CRC字，如果发生(fshng)了变化，就说明有错码产生； 在线EDH误码检测处理：利用EDH附件计算一场图像的CRC数据，并和其他辅助数据一起插入到下一场场消隐的开始端。接收端将从接收图像计算得出的EDH数据与接收到的EDH数据比较，确定是否一致，来判定系统是否存在误码；第72页/共120页第七十二页，共120页。SDI 检测(jin c)场 SDI检测场信号 SDI 检测场(又称为“异常”信号或“有病”信号)对串行数字(shz)系统而言,它是一种很难处理的信号.为了测试系统的性能,它具有十分重要的价值. SDI 检测

25、场的特点是,在一场中上（浅紫色阴影）下（浅灰色阴影）半场各有一种信号,该信号包含大量的低频能量.其中一种信号用于测试自动均衡器的工作情况,另一种信号用于测试锁相环的性能. SDI检测场是全场测试信号,只能非在线测试第73页/共120页第七十三页，共120页。SDI检测(jin c)场 SDI检测场也称作“病理检测信号”； 病理检测信号产生(chnshng)的原因：尽管扰码器的采用是为了避免串行数据中出现连“0”或连“1”，但是，某种特定的数据和扰码器的初始状态组合，就会产生(chnshng)长时间的“0”。长时间的连“0”会使串行数据中的跳变沿减少，并使信号中的低频成分加大。第74页/共120

26、页第七十四页，共120页。SDI检测(jin c)场(C,Y)(C,Y)第75页/共120页第七十五页，共120页。SDI检测(jin c)场 测试信号(xnho)经过扰码和非归零倒相后为19个“0”、1个“1”的信号(xnho)，此信号(xnho)有很大的直流分量。19 bits1 bit-19 bits1 bit均衡(jnhng)性能测量第76页/共120页第七十六页，共120页。SDI检测(jin c)场 自动电缆均衡器测试 测试信号通过被测接收机的自动均衡器时,持续的“0” 导致信号含有(hn yu)大量直流分量。线性不良的均衡器在跳变点就会产生误码。观察EDH，如果这时产生错码就说明

27、电缆均衡器不良；第77页/共120页第七十七页，共120页。SDI检测(jin c)场 测试信号(xnho)经过扰码和非归零倒相后为20个“0”、20个“1”的信号(xnho)，此信号(xnho)“0”和“1”的变换次数最少。20 bits20 bits锁相性能(xngnng)测量第78页/共120页第七十八页，共120页。SDI检测(jin c)场 PLL的锁相测试 这种测试信号(xnho)因富含低频成分和最少的过零点.给时钟的恢复和PLL的锁相增加了压力. 利用SDI检测场进行测试时，当输入的测试信号(xnho)为检查锁相环的信号(xnho)时，如果出现误码，则表明设备内的时钟再生器有问题

28、。第79页/共120页第七十九页，共120页。电视广播声音和图像的相对(xingdu)定时 GB/T 22150-2008 第80页/共120页第八十页，共120页。总容限电视广播声音和图像相对(xingdu)定时的总容限，应不超过+90ms 和-185ms，可察觉门限大约为+45ms和-125ms（不对称） 第81页/共120页第八十一页，共120页。第82页/共120页第八十二页，共120页。总误差(wch)容限分配 定时定时(dn sh)参考点：定时参考点：定时(dn sh)参考点位于最后节目源选择点，它作为参考点位于最后节目源选择点，它作为以后声音和图像相对定时以后声音和图像相对定时(

29、dn sh)测量测量的参考点。的参考点。第83页/共120页第八十三页，共120页。总误差(wch)容限分配总容限电视节目采集源端（图1中的点1）和定时参考点间的相对定时误差应不超过+25ms 和-100 ms。从定时参考点至传输分配的输入（图1中点(zhn din)4）端之间引入的相对定时误差应不超过+22.5 ms 和-30ms，如果其中包含一个或多个数字编解码器，则由单个编解码器引入的相对定时误差应在2ms以内。如果无法对声音和图像的相对定时进行校正，则每一个下行设备引入的相对定时误差应在2ms以内。第84页/共120页第八十四页，共120页。相对(xingdu)延时的测量第85页/共1

30、20页第八十五页，共120页。SDI的其它(qt)测量 视频有效行 嵌入音频问题 格式(g shi)问题 辅助数据问题 第86页/共120页第八十六页，共120页。综合(zngh)测试仪测试项 Eye diagram display with automatic limit violation detection External and embedded digital audio measurements Conformance testing to SMPTE 259M SMPTE RP165 digital error detection and reporting Jitter me

31、asurements with wide-band spectral analysis Ancillary data analysis with data distribution display Audio to video timing measurements Digital video wander measurements第87页/共120页第八十七页，共120页。数字信号的性能(xngnng)测试 前面所述为信号传输域的测量 问题：视频信号有质量损失吗？ 如何评价数字系统或通道的质量？ 现象：图像质量从肉眼看出不是(b shi)很好，但是眼图很好。 肉眼不能看出图像质量有改变，但是

32、眼图很差。 数字眼图与图像质量不是(b shi)一一相关的。第88页/共120页第八十八页，共120页。数字通道(tngdo)技术要求 通道： 输入和输出均为标清串行数字视频(shpn)信号。包括或不包括比特变换、压缩编码、色域变换等视频(shpn)信号处理。 如：播出通道、制作系统、网络制播、传输系统等第89页/共120页第八十九页，共120页。数字通道技术(jsh)要求 技术要求包括：接口特性数据格式分量视频特性图像主观(zhgun)评价第90页/共120页第九十页，共120页。数字(shz)通道技术要求 接口特性输入输出的幅度(fd)上升、下降时间过冲情况、直流电平、抖动反射损耗最小接收

33、灵敏度第91页/共120页第九十一页，共120页。数字(shz)通道技术要求 数据格式TRS数据字：EAV、SAV数值附属数据区数字(shz)逆程填充字数据字的有效性第92页/共120页第九十二页，共120页。数字(shz)通道技术要求 分量视频特性介入增益(zngy) 彩条、条信号、白场幅频特性 多波群、扫频信号、SinX/X非线性失真 阶梯波信杂比 斜波信号K系数 2T、4T、10T脉冲亮色增益(zngy)、时延差 彩条、蝴蝶结彩条矢量相位误差 彩条音视频相对延时 专有信号第93页/共120页第九十三页，共120页。数字系统(xtng)分量测试框图第94页/共120页第九十四页，共120页

34、。正弦(zhngxin)平方波和条脉冲信号 第95页/共120页第九十五页，共120页。多波群第96页/共120页第九十六页，共120页。扫频 信号(xnho)第97页/共120页第九十七页，共120页。蝴蝶结信号(xnho)第98页/共120页第九十八页，共120页。斜坡(xip)信号第99页/共120页第九十九页，共120页。阶梯(jit) 波第100页/共120页第一百页，共120页。数字通道(tngdo)技术要求图像主观评价对有压缩编码、色域变化等处理的信号，需要进行主观评价使用特殊(tsh)的图像序列，在特定环境下进行测试，或使用图像质量分析仪。详见下讲。第101页/共120页第一百

35、零一页，共120页。视频分量(fn ling)显示模式 钻石 箭头( jintu) 闪电第102页/共120页第一百零二页，共120页。分量信号（RGB)的钻石(zunsh)显示 钻石(zunsh)显示R+GR-G显示(xinsh)在下半部第103页/共120页第一百零三页，共120页。第104页/共120页第一百零四页，共120页。分量信号的箭头(jintu)显示 箭头( jintu)显示第105页/共120页第一百零五页，共120页。-CYC FY+C FY-C167o283o241o 61o103o347o308441413 413441308第106页/共120页第一百零六页，共120页。分量色差信号(xnho)闪电显示第107页/共120页第一百零七页，共120页。测试(csh)圆图第108页/共120页第一百零八页，共120页。测试圆图包含(bohn)的信号彩条多波群色块方格(fn )和圆阶梯(ji