四川大学计算机学院多媒体基础电视技术简介

彩色数字电视简介视觉的时间域响应特性•让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比较低，人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高，人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做临界闪烁频率，经测定为46HZ。•电影播放过程中，每秒投射24幅画面，每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次，这样就得到了48HZ的闪烁频率。•要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画面数约为25帧左右。YUV、YIQ与YCbCr颜色空间•人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到YUV或者YIQ颜色空间。每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而且亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的，每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。•彩色电视信号中采用YIQ或者YUV空间一是为了兼容黑白电视，二是为了实现压缩。YUV、YIQ与YCbCr颜色空间•YUV模型用于PAL制式的电视系统，Y表示亮度，UV并非任何单词的缩写。Y=0.299R+0.587G+0.114BU=0.493(B–Y)V=0.877(R–Y)•YUV空间相当于对RGB空间做了一个解相关的线性变化。U和V的比值决定色调，而(U2+V2)1/2代表颜色的饱和度。YUV、YIQ与YCbCr颜色空间YUV、YIQ与YCbCr颜色空间•YIQ模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。YIQ颜色空间中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转。•YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间，主要用于数字电视系统中。从RGB到YCbCr的转换中，输入、输出都是8位二进制格式。YUV、YIQ与YCrCb颜色空间清晰度（分辨率）的表达方法•不同行业表达清晰度（分辨率）的方法–电视清晰度的表示法•线、电视线、带宽、调制度–胶片清晰度的表示法•每毫米线对（LinePair/mm）–计算机图形、数码相机清晰度表示法•像素•总的趋势是不同的行业都采用像素表达清晰度–数字电视和数字电影的拍摄和显示都采用了有限像素的器件如CCD、CMOS、LCD、PDP–电视/电影信号数字化后其取样点数量是有限的–采用像素有利于统一不同行业有关清晰度的表达方法电视清晰度的表达法–线、电视线、带宽、调制度•模拟电视时代用“线”或“电视线”表示清晰度–垂直清晰度•垂直清晰度用线数表示，与有效扫描行数相关–垂直清晰度一般相当于有效扫描行数的50–70%（科尔系数）–在理想的极端条件下其最大值与有效扫描行数相同有效扫描行数水平清晰度–绝对清晰度（线）•水平清晰度的两种表达法–绝对清晰度：线–相对清晰度：电视线•绝对清晰度的定义:水平方向上实际显示的黑白线条数–例如，在水平方向上显示400条线(黑色/白色各200条)时称水平清晰度为400线显示的线条总数43水平清晰度–相对清晰度（电视线）•相对清晰度考虑了画面宽高比的因素–因为电视画面的宽高比是4:3，所以在象素宽高尺寸相同的条件下水平方向上能够容纳的象素数量是垂直方向上的4/3倍–例如，在线距相同的情况下垂直方向显示300条线时水平方向上能够显示400条线相对清晰度（电视线）•为了在同一系统中用相同的度量方法表示不同方向上的清晰度，在电视技术中把画面宽高比与水平方向上显示线条数的乘积称为电视线–例如，在水平方向上显示400条线时称水平清晰度为400x3/4=300电视线显示400条线时称水平清晰度为300线43169相对清晰度（电视线）•因为用电视线表达的水平清晰度是相对值，所以在显示相同线条数量的情况下画面宽高比不同时水平清晰度是不同的–例如，同样在水平方向上显示400条线时如果画面宽高比是16:9则水平清晰度为400x9/16=225电视线水平清晰度–带宽与调制度•电视的水平清晰度还可以用带宽或调制度表示–带宽与调制度是频率与电平（幅度）之间的函数关系，是MTF（调制传输函数）在电视技术中的专用表述•带宽是在约定电平值的位置计量频带宽度–电视技术中经常使用的三种带宽•0dB带宽，最大电平处对应的带宽•-1dB带宽，与0dB相比电平下降10%处对应的带宽•-3dB带宽，与0dB相比电平下降30%处对应的带宽•调制度是在约定频率点的位置计量电平值–例如标清摄像机以0.5MHz的输出幅度作为参考电平，5MHz频率点的输出电平与参考电平之比即为调制度，用百分比表示某电视系统的幅度–频率特性0dB电平频率05MHz6MHz4MHz3MHz1MHz2MHz-3dB-1dB0dB带宽4MHz-1dB带宽5MHz-3dB带宽6MHz6MHz调制度70%5MHz调制度90%•标准清晰度电视(ITURBT.601-2)在水平方向上显示400条黑色和白色线条相当于在一行的有效扫描期间(53.3微秒)内使正弦波变化200次200个周期/53.3微秒=3.75MHz电视信号传输带宽与水平清晰度的关系53.3μS内正弦波变化200个周期1行标清传输带宽与水平清晰度的关系•标准清晰度电视画面宽高比为4:3时在水平方向上显示400条黑白线称水平清晰度为400线或300电视线每1MHz带宽相当于300电视线/3.75MHz=80电视线/1MHz或400线/3.75MHz=107线/1MHz•标准清晰度电视亮度信号的0dB传输带宽为6MHz，相当于水平清晰度6MHzx80电视线/1MHz=480电视线或6MHzx107线/1MHz=640线（ITU-RBT.601-5规定的标清亮度信号0dB带宽为5.75MHz，但实际产品的0dB带宽大多为6MHz）•重现720线需要的带宽为720/107=6.75MHz(取样频率13.5MHz的1/2)高清传输带宽与水平清晰度的关系•高清晰度电视(ITU-RBT.709-3)在水平方向上显示400条黑色和白色线条相当于在一行的有效扫描期间(25.858微秒)内使正弦波变化200次200个周期/25.858微秒=7.734MHz25.858μS内正弦波变化200个周期1行高清传输带宽与水平清晰度的关系•高清晰度电视画面宽高比为16:9，在水平方向上显示400条黑白线称水平清晰度为400线或225电视线每1MHz带宽相当于225电视线/7.734MHz=29电视线/1MHz或400线/7.734MHz=52线/1MHz•高清晰度电视亮度信号的0dB传输带宽为30MHz，相当于水平清晰度30MHzx29电视线/1MHz=870电视线或30MHzx52线/1MHz=1550线•重现1920线需要的带宽为–1920/52=37.125MHz(取样频率74.25MHz的1/2)电影胶片清晰度的表达方法–线对•胶片采用每毫米线对（LinePair/mm）表示清晰度•电视与胶片对清晰度的定义不同–胶片：400线清晰度是指400线对（LinePair），显示400线对就是800条线–电视：400线清晰度是指显示400条线，相当于胶片的200线对数字影像清晰度的表达方法–像素•像素是组成图像的最小单位•数字影像（如数码相机等）和计算机图形处理采用像素表示清晰度•传送彩色图像需要RGB（或Y/B-Y/R-Y）三个独立的分量，因此每个像素实际上都是由3个单色像素组成的•用像素表达数字电视清晰度–标清数字电视•480/60i：每行720个取样点（亮度），每帧有效扫描线480行720x480，每帧画面34万像素•576/50i，每行720个取样点（亮度），每帧有效扫描线576行720x576，每帧画面41万像素–高清数字电视•1080i或P：每行1920个取样点（亮度），每帧有效扫描线1080行1920x1080，每帧画面207万像素•720P：每行1280个取样点（亮度），每帧有效扫描线720行1280x720，每帧画面92万像素清晰度表达方式小结•表达清晰度的方式–电视采用线、电视线–摄影胶片采用每毫米线对（LinePair/mm）–计算机图形处理采用像素–上述三种表达方式的优点是简单直观，缺点是不够严谨•调制传输函数（MTF）–优点：可以准确清晰地表达系统性能–缺点：不够简单直观•带宽和调制度–带宽和调制度实际上就是MTF在电视行业的应用特例•常用表示法–用带宽描述系统性能–用调制度描述摄像机的清晰度–像素既可以表达拍摄、显示和放映设备的清晰度，也可以表达系统性能电视信号的数字化•数字化就是把在时间轴和电平轴上连续变化的模拟电视信号离散化–包括电视信号在内的各种信息的原始形态都是模拟的，需要用有限的取样点和有限的电平阶去表现在时间和电平上无限变化的模拟信号–取样•取样就是把电视信号在时间轴上离散化，用有限像素表现无限清晰的景物•根据尼奎斯特定理，只要了解了取样频率（单位时间内的取样点数）就知道了该系统能够传输信号的带宽，也就是清晰度–量化•量化就是把电视信号在电平（幅度）轴上离散化，用有限的灰度阶表现无限的灰度•只要了解了量化比特就知道了该系统所能达到的最高信噪比电影、模拟电视和数字电视•看电影相当于隔着一个巨大的旋转扇叶观看活动的景物–观众看到的只是在两个扇叶之间未被遮挡的画面，当旋转的扇叶挡住眼睛的时候观众什么都看不到–实际上这也是一种取样，这个取样就是把空间运动离散化，用有限数量的静止画面表达在空间上连续运动的景物•看电视相当于隔着一个旋转的扇叶和帘子观看景物–扇叶的旋转速度就是场频或帧频–帘子的缝隙相当于扫描线，观众只能看到帘子缝隙间的景物，被帘子挡住的部分看不到–帘子的缝隙数量越多相当于扫描线越多，图像的垂直清晰度就越高–扫描也是一种取样，这个取样就是在垂直方向上对两维空间画面离散化，用有限数量的水平扫描线表达完整的静止画面•看数字电视相当于隔着一个旋转的扇叶和筛子观看景物–电视信号数字化后原来在时间轴上连续变化的每行信号被离散化成了有限的取样点–筛子水平方向上的孔越多相当于取样点越多也就是取样频率越高，图像的水平清晰度就越高胶片电影看电影相当于隔着一个巨大的旋转扇叶观看景物模拟电视看电视相当于隔着一个旋转的扇叶和帘子观看景物数字电视看数字电视相当于隔着一个旋转的扇叶和筛子观看景物正交取样•正交取样是指在每行扫描线上的取样点都处于相同的位置，把这些样点用直线连接起来，连线与扫描线正交•正交取样是图形和图像计算机处理的基础–正交取样结构对人的视觉干扰小，目前所有演播室分量数字电视标准都采用了正交取样结构•实现正交取样的条件是取样频率必须是水平扫描频率（行频）的整倍数扫描线扫描线取样点取样点方形像素•如果每个像素在水平和垂直方向上的大小是相同的，那么在画面的垂直和水平方向上所能容纳的像素数量之比应该与画面的宽高比相同•方形像素的概念最早是在计算机行业提出并实际应用的，目前计算机行业绝大多数显示标准都符合方形像素原则•例如:–VGA（640x480）–SVGA（800x600）–XGA（1024x768）–UXGA（1600x1200）均符合方形像素原则–只有SXGA（1280x1024）例外。•方形像素有利于图形和图像的计算机处理，早期1125行高清电视标准中有效扫描行数是1035行，为符合方形像素的原则已经将有效扫描行数修改为1080行•16:9宽高比高清电视系统均符合方形像素原则，如1920x1080，1280x720。而4:3宽高比的标准清晰度电视720x576和720x480都不是方形像素取样结构（清晰度）•在数字电视技术中经常用4:2:2、4:2:0等方式表达数字分量电视信号的取样结构•这种表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比或取样点数量之比•例如–4:2:2表示Y/B-Y/R-Y取样，色度信号的取样点数量是亮度信号的一半–4:2:2:4最后的4表示键控信号的取样点数–4:4:4表示RGB取样，RGB信号的取样点数量一样–4:0:0表示每行电视信号中只有亮度信号•取样结构表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比–4:2:2，4表示亮度信号的取样频率，2和2表示两个色差信号的取样频率–4的原始含义是亮度信号的取样频率是付载