高清晰度数字电视技术基础

高清晰度数字电视技术基础篇•HDTV标准•电视的清晰度–垂直清晰度–水平清晰度-绝对清晰度–水平清晰度-相对清晰度–电视信号传输带宽与水平清晰度的关系•在数字电视系统中电视系统的表示方法•数字电视信号的码率•数字电视信号的有效码率•HD-SDI高清晰度串行数字分量接口•方形像素•逐行扫描和隔行扫描•美国和日本的59.94i•1080/24P格式•影响图象质量的2个因素ITU(国际电联)推荐的HDTV标准•ITU-RBT.709-3建议书部分内容–每行有效样点数:1920–每帧有效扫描行:1080–取样结构:正交取样–像素形状:方形像素–画面宽高比:16:9–每帧扫描行数:1125行(原1250行标准已经取消)–垂直扫描类型:逐行或2:1隔行扫描–垂直扫描频率:逐行23.976/24/25/29.97/30/50/59.94/60帧隔行50/59.94/60场–取样频率:亮度74.25MHz，色度37.125MHz–标称带宽:亮度30MHz，色度15MHz–量化电平:8或10比特美国电影电视工程师协会的HDTV标准•SMPTE274M部分内容–每行有效样点数:1920–每帧有效扫描行:1080–取样结构:正交取样–像素形状:方形像素–画面宽高比:16:9–每帧扫描行数:1125行–垂直扫描类型:逐行或2:1隔行扫描–垂直扫描频率:逐行59.94/60帧隔行59.94/60场–取样频率:亮度74.25MHz，色度37.125MHz–标称带宽:亮度30MHz，色度15MHz–量化电平:8或10比特#ActivelinesPixels/lineAspectPictures/secFramerate(Hz)160p60259.94p59.94350p50460i30559.94i29.97650i25730p30829.97p29.97925p251024p241123.98p23.981248psF241347.95psF23.9816:910801920HD格式a:Linesb:SamplesAspectratio1080(1125)192016:960i30p24p720(750)128016:960p30p24pc:Pictures/sec1.HD格式概要abc)sec/(1fieldC2.Interlace&ProgressiveScan（NTSC）（逐行和隔行扫描）NTSC60i=60Field/sec262.5lines60p=60frame/sec30p=30frame/sec24p=24frame/secODDEVENODDEVENODDPAL50i=50Field/sec312.5linesInterlacescanProgressivescan国家广电总局的HDTV标准•GY/T155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值部分内容–每行有效样点数:1920–每帧有效扫描行:1080–取样结构:正交取样–像素形状:方形像素–画面宽高比:16:9–每帧扫描行数:1125行–垂直扫描类型:逐行或2:1隔行扫描–垂直扫描频率:隔行50场，逐行24帧–取样频率:亮度74.25MHz，色度37.125MHz–标称带宽:亮度30MHz，色度15MHz–量化电平:8或10比特1080Format◆HighDefinition（Morethan1,000lines）◆WideAspect(16:9)◆SMPTE274M5mEye=1.0a:Linesb:SamplesAspectratio1080(1125)192016:960i30p24p720(750)128016:960p30p24pc:Pictures/sec720Format◆WriteweightDATA⇒Simulcast（withSDTV）◆WideAspect(16:9)◆SMPTE296Ma:Linesb:SamplesAspectratio1080(1125)192016:960i30p24p720(750)128016:960p30p24pc:Pictures/sec1,080ACTIVEPICTURE1,920X1,0801,1251,9202,200ACTIVEPICTURE720X480480525858720SD(525i)HD1080i)720X480=345,6001,920×1,080=2,073,600SD与HD像素比较ACTIVEPICTURE720X576576625858720SD(625i)720X576=414,720720ACTIVEPICTURE1,280X7207501,2801,650HD(720P)1,280×720=921,600水平清晰度垂直清晰度电视的清晰度有效扫描行数垂直清晰度•电视的垂直清晰度用线数表示，与有效扫描行数有关•在理想的条件下垂直清晰度与有效扫描行数相同，在一般情况下垂直清晰度相当于有效扫描行数的70%(科尔系数)显示的线条总数水平清晰度-绝对清晰度•绝对清晰度的定义:水平方向上实际显示的线条数•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•电影与电视的清晰度定义不同–电影:400线清晰度是指显示400对(800条)线–电视:400线清晰度是指显示400条(200对)线43水平清晰度-相对清晰度•因为电视画面的宽高比是4:3，所以在象素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条线水平清晰度-相对清晰度•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水平清晰度-相对清晰度•用电视线概念表达的水平清晰度是相对值，在显示线条数量相同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电视线电视的清晰度-总结•电视画面的垂直清晰度取决于每帧的有效扫描行数–标准清晰度电视垂直清晰度的最大值为576线(576/50i)–高清晰度电视垂直清晰度的最大值为1080线(1080/50i)•电视画面的水平清晰度取决于电视信号的传输带宽–在标准清晰度电视系统中每1MHz带宽相当于80电视线(相对清晰度)或107线(绝对清晰度)，6MHz亮度信号传输带宽对应的最大水平清晰度为480电视线(相对清晰度)或640线(绝对清晰度)–受传输带宽的限制每行有720个有效取样点并不等于绝对清晰度为720线，再现全部样点需要6.75MHz带宽(13.5MHz/2)–在高清晰度电视系统中每1MHz带宽相当于29电视线(相对清晰度)或52线(绝对清晰度)，30MHz亮度信号传输带宽对应的最大水平清晰度为870电视线(相对清晰度)或1550线(绝对清晰度)–受传输带宽的限制每行有1920个有效取样点并不等于绝对清晰度为1920线，再现全部样点需要37.125MHz带宽(74.25MHz/2)1080/60i每帧有效扫描行数在数字电视技术中电视系统的表示方法帧或场频扫描方式:P-逐行扫描i-隔行扫描例如，1080/60i表示有效扫描行数1080行，场频60Hz，隔行扫描方式720/60P表示有效扫描行数720行，帧频60Hz，逐行扫描方式在数字电视技术中电视系统的表示方法采用上述方法，美国的NTSC制可表示为480/60i中国和欧洲的PAL制可表示为576/50i在数字电视技术中电视系统的表示方法在数字电视技术中电视系统的表示方法•目前数字电视系统并没有统一的表示方法，因此在各种文献中也经常可以见到其它的表示法–已知帧/场频时用1080i、720P表示扫描线数和扫描方式–已知扫描线数时用50i或60P表示帧/场频和扫描方式–1080/50i，720/60P可以表示为1080/50/2:1，720/60/1:1–用@代替/，如1080@60i，720@60P–用总扫描线数代替有效扫描线，如1125/60i，750/60P–其它，如1080i/50，1080i/50Hz等数字电视信号的码率•码率是在单位时间内系统所能达到的最大数据量•传输数字电视信号时信道设备(如矩阵、光端机等)的带宽必须大于通过该通道的码率•标准清晰度数字电视信号的码率在ITU-R601数字电视标准中，采用10比特量化时亮度信号的码率为取样频率x量化比特数=13.5(MHz)x10(Bit)=135Mbit/S2个色差信号的码率为2x6.75(MHz)x10(Bit)=135Mbit/S总的码率为亮度信号码率+色差信号码率=135+135=270Mbit/S•270Mbit/S是数字分量演播室使用的SDI接口标准码率数字电视信号的码率•高清晰度数字电视信号的码率在SMPTE274M数字电视标准中，采用10比特量化时亮度信号的码率为取样频率x量化比特数=74.25(MHz)x10(Bit)=742.5Mbit/S2个色差信号的码率为2x37.125(MHz)x10(Bit)=742.5Mbit/S总的码率为亮度信号码率+色差信号码率=742.5+742.5=1485Mbit/S•高清晰度电视的码率是标准清晰度电视的5.5倍•1485Mbit/S是高清晰度数字分量演播室使用的HD-SDI接口标准码率数字电视信号的有效码率•有效码率(视频有效码率)是在单位时间内与视频信号有关的数据量•因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信息，所以有效码率一般只是码率的60-80%•当使用磁带、硬盘或光盘存储数字视频信号时可以只记录有效码率代表的视频信息数字电视信号的有效码率•标准清晰度数字电视信号的有效码率在ITU-R601数字电视标准中，采用8比特量化时–480/60i(NTSC)亮度信号的有效码率为每行的取样点数x有效扫描行数x量化比特数x帧频=720x480x8x30=82.944Mbit/s2个色差信号的有效码率为2x360x480x8x30=82.944Mbit/s总的有效码率为亮度信号有效码率+色差信号有效码率=82.944+82.944=165.888Mbit/S(480/60i)–576/50i(PAL)总的有效码率为720x576x8x25x2=165.888Mbit/S(576/50i)•480/60i与576/50i的有效码率相同数字电视信号的有效码率•高清晰度数字电视信号的有效码率在SMPTE274M数字电视标准中，采用8比特量化时–1080/60i信号格式亮度信号的有效码率为每行的取样点数x有效扫描行数x量化比特数x帧频=1920x1080x8x30=497.664Mbit/s2个色差信号的有效码率为2x960x1080x8x30=497.664Mbit/s总的有效码率为2x497.664=995.328Mbit/S(1080/60i)–1080/50i信号格式的有效码率为1920x1080x8x25x2=829.44Mbit/S(1080/50i)•高清晰度电视1080/60i的有效码率是标准清晰度电视480/60i(NTSC)的6倍•1080/50i的有效码率是576/50i(PAL)的5倍不同取样结构高清晰度电视信号的码率1920x1080/60i10比特4:4:4取样1866.24Mbps1920x1080/60i10比特4:2:2取样1244.16Mbps1920x1080/60i8比特4:2:2取样995.328MbpsGRBYCbCr1920192019201080108010801920960960108010801080YCbCr19209609601080108010801920x1080/60i8比特4:2:0取样746.496MbpsYCbCr19209609601080540540高清记录码率5-1