电视原理-第7章--电视信号数字化基础

1CUC1•信息工程学院•2009电视原理第一节电视信号数字化参数的选择第七章电视信号数字化基础石东新[e-mail]中国传媒大学信息工程学院CUC2•信息工程学院•石东新2009模拟电视的缺点:1.亮度、色度分解力不足2.亮色互串3.亮色增益差和亮色延时差4.微分增益和微分相位5.电视信号时间利用率不充分6.电视信号幅度利用率不充分7.声音只有单声道8.不适合磁带节目多代复制9.宽高比不适合人眼视觉特性CUC3•信息工程学院•石东新2009数字电视基本概念1、什么是数字电视?数字电视指的是将数字电视信号进行传输、处理或进行存储的系统，或还原成图像（可先还原成模拟信号）。„数字电视是一个系统工程。从数字电视节目源到信号处理手段，以及相应的接收、显示设备，都是数字的。CUC4•信息工程学院•石东新2009DTVDTVSDTVHDTVLDTVVCD300线1920*1080i(1280*720p)1000线DVD500线CUC5•信息工程学院•石东新2009数字电视广播系统视频数据流视频压缩编码音频压缩编码信道：卫星、有线电视地面广播系统复用信道编码数字调制QPSKQAMCOFDM数字接收机辅助数据条件接收数字演播室非线性编辑数字音频数字特技数字录像数字摄像动画制作音频数据流………了解！现存数字电视广播系统z美国的ATSC－－96年z欧洲的DVB－－93～96年z日本的ISDB－－99年CUC6•信息工程学院•2009第二节电视信号的数字化一、信号的数字化二、音频信号的数字化三、视频信号的数字化2CUC7•信息工程学院•石东新2009采样:Nyquist取样定理：否则，产生“混叠”现象，无法重构原连续信号。2/or2TTffss≤≥模拟信号数字化过程:模拟信号Æ取样、量化、编码Æ数字信号CUC8•信息工程学院•石东新2009•量化•用有限的离散值近似表示“无穷”的连续量。•量化误差:－Δ/2～+Δ/2•量化比特数（n)与量化级数（M)之间的关系：M=2n4比特量化为16个量化级CUC9•信息工程学院•石东新2009•均匀量化时，满量化范围的单极性信号的量化信噪比S/N与量化比特数n之间的关系：•S/N≈10.8+6n(dB)•对于双极性信号，量化信噪比S/N与量化比特数n之间的关系：•S/N≈1.8+6n(dB)•均匀量化造成大信号时信噪比有余而小信号时信噪比不足的缺点。CUC10•信息工程学院•石东新2009采样量化编码按照一定规律，把量化后的离散值用二进制数字表示。CUC11•信息工程学院•石东新2009数字复合编码取样频率的选择需考虑：副载波谐波影响&不同模拟制式影响SMPTE244M标准规定了NTSC数字复合信号的特性和并行传输接口。4fscNTSC数字复合视频信号抽样频率为4×fsc=14.318MHz（标称14.3MHz）。抽样时钟从模拟信号的色同步导出。在抽样后的信号频谱中，在基带的最高频率（NTSC制标称带宽4.2MHz）和奈奎斯特频率7.16MHz之间留有相当的矩离。4fscPAL数字复合视频信号抽样频率是PAL色度副载频的4倍，即17.734475MHz（标称值17.73MHz）抽样时钟要从模拟的彩色副载波获得。最高信号频率为6MHz，奈奎斯特频率为8.86MHz。了解！一、数字复合编码和数字分量编码欧洲由于4fsc数字复合录像机不能处理SECAM信号，所以对4fsc数字复合录像机兴趣不大，倾向采用数字分量设备。CUC12•信息工程学院•石东新2009数字分量编码：分别对三基色信号ER、EG、EB或对分别亮度信号Y和色差信号EY、ER-Y、EB-Y进行数字化处理。1982年国际无线电咨询委员会（CCIR）向各国推荐了标准清晰度电视的数字分量编码参数方案，即著名的CCIR601建议。各国都以这个建议作为本国的数字电视编码参数标准。3CUC13•信息工程学院•石东新2009二、取样结构取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置，数字电视中采用固定正交结构。有利于行、帧间信号处理。CUC14•信息工程学院•石东新2009（b）行交叉结构（a）固定正交结构Hfnfs⋅=CUC15•信息工程学院•石东新2009三、取样频率？（1）满足取样定理，即取样频率应该大于亮度视频带宽6MHz的两倍:MHzfs12≥（2）为了保证取样结构是正交的，要求行周期TH必须是取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs应等于行频fH的整数倍。HHTnTsfsnf=⋅=⋅掌握！CUC16•信息工程学院•石东新2009（3）为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。现行的扫描格式主要有625行/50场和525行/59.94场两种，它们的行频分别为15625Hz和15734.265Hz。这两个行频的最小公倍数是2.25MHz，也就是说取样频率应是2.25MHz的整数倍。即：MHzmfs25.2⋅=注--NTSC制，帧频＝29.97Hz：4.5MHz/(525*30*1000/1001)=286（4）为了减少传输数据量，取样频率应在满足以上条件，尽量低。CUC17•信息工程学院•石东新2009在ITU-R601建议中，m=6，亮度信号取样频率fs为13.5MHz。对于625行/50场扫描格式的亮度信号来说，每行的取样点数为864＝13.5MHz×64μs;对于525行/59.94场扫描格式的亮度信号来说，每行的取样点数为858＝13.5MHz÷(525×30Hz÷1.001)。13.5MHz=15625Hz×864＝525×30×1000/1001Hz×858CUC18•信息工程学院•石东新2009四、色度格式由于色差信号的带宽比亮度信号窄的多，所以在分量编码时两个色差信号的取样频率可以降低，同时也要考虑到取样点正交结构的要求。在数字电视中有以下几种取样格式。z4:4:4z4:2:2z4:2:0z4:1:1掌握！4CUC19•信息工程学院•石东新20094:4:4（RGB）的取样结构N行N+1行N+2行N+3行CUC20•信息工程学院•石东新20094:2:2（Y/R-Y/B-Y）的取样结构N行N+1行N+2行N+3行YB-YR-YCUC21•信息工程学院•石东新20094:1:1（Y/R-Y/B-Y）的取样结构N行N+1行N+2行N+3行CUC22•信息工程学院•石东新20094:2:0（Y/R-Y/B-Y）的取样结构-1N行N+1行N+2行N+3行YB-YR-YY4:2:24:0:0CUC23•信息工程学院•石东新20094:2:0（Y/R-Y/B-Y）的取样结构-2N行N+1行N+2行N+3行YB-YYR-YYB-YYR-YCUC24•信息工程学院•石东新2009z4:4:4：表示RGB取样，RGB信号的取样点数量一样z4:2:2：色差信号Cr和Cb在水平方向取样点数为Y的二分之一，而垂直方向取样点数与Y相同。z4:2:2:4：最后的4表示键控信号的取样点数z4:2:0：色差信号Cr和Cb在水平和垂直方向的取样点数均为Y的二分之一。z4:1:1：色差信号Cr和Cb在水平方向取样点数为Y的四分之一，而垂直方向取样点数与Y相同。z4:0:0：表示每行电视信号中只有亮度信号。z表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比z4:2:2，4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z4的原始含义是亮度信号的取样频率约是色度副载波的4倍即13.5MHz（NTSC的副载波频率是3.58MHz）z2的含义是色差信号的取样频率约是副载波的2倍即6.75MHz5CUC25•信息工程学院•石东新2009（1）4：4：4格式在4：4：4本格式中，R、G、B分量信号取样频率相同，即13.5::4:4:4RGBRGBfffMHzfff====一般在要求高质量的信号源的情况下采用这种格式，由于没有降低取样频率，所以为R、G、B分量模式。CUC26•信息工程学院•石东新2009（2）4：2：2格式色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即色差信号Cr和Cb在水平方向上的取样点数为亮度信号的一半，而在垂直方向的取样点数与Y相同。这种格式主要用于标准清晰度数字电视（SDTV）演播室中。2:2:4::75.621====fyfcfcMHzfyfcfcbrbrCUC27•信息工程学院•石东新2009（3）4：2：0格式色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，类似于4：2：2，但垂直方向上色差信号被降采样：这种格式是信源压缩编码中常用的格式，MPEG-2也是以4：2：0格式为基础的。但不属于CCIR601建议中的演播室编码参数规范。MHzfyfcfcbr375.341===CUC28•信息工程学院•石东新2009（4）4：1：1格式色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即：色差信号Cr和Cb在水平方向取样点数为Y的四分之一，而在垂直方向的取样点数与Y相同。不属于CCIR601建议中的演播室编码参数规范。1:1:4::375.341====fyfcfcMHzfyfcfcbrbrCUC29•信息工程学院•石东新2009图像子采样？CUC30•信息工程学院•石东新2009编码信号EY′=0.299ER′+0.587EG′+0.114EB′ECB′=0.564(EB′―EY′)ECR′=0.713(ER′―EY′)每行总的样点数Y:858CB:429CR:429总样点数:1716每个有效行的样点数Y:720CB:360CR:360总样点数:1440抽样结构正交行、场、帧内，每行的CB、CR样点位置与Y的奇数样点位置一致抽样频率Y＝858fH=13.5MHzCB和CR＝429fH=6.75MHz编码方式均匀量化的PCM码量化分辨率对亮度和两个色差信号的每个样值都以8或10比特量化525/60扫描标准的4:2:2编码参数了解！6CUC31•信息工程学院•石东新2009编码信号EY′=0.299ER′+0.587EG′+0.114EB′ECB′=0.564(EB′―EY′)ECR′=0.713(ER′―EY′)每行总的样点数Y:864CB:432CR:432总样点数:1728每个有效行的样点数Y:720CB:360CR:360总样点数:1440抽样结构正交行、场、帧内，每行的CB、CR样点位置与Y的奇数样点位置一致抽样频率Y＝864fH=13.5MHzCB和CR＝432fH=6.75MHz编码方式均匀量化的PCM码量化分辨率对亮度和两个色差信号的每个样值都以8或10比特量化625/50扫描标准的4:2:2编码参数掌握！CUC32•信息工程学院•石东新20097177187197207217307317327338628630123593603653664310101359360365366491FIGURE116:9or4:3at13.5MHzAnaloguelinen–1AnaloguelinenOH625Digitalblanking12T132TT:luminancesamplingperiodLuminancesamples4:2:2,chromoCsamplesRB4:2:2,chromoCsamplesDigitallinen–1DigitallinenFig.1for625-line13.5MHzCUC33•信息工程学院•石东新2009斜波信号及图象斜波信号4bit量化后的图象斜波信号3bit量化后的图象五、量化CUC34•信息工程学院•石东新2009（1）视频信号（单极性信号）的量化信噪比视频信号一般用信号的峰-峰值与量化噪声的均方根之比表示量化信噪比：)(68.10)232log(20)(dBnsNSnqpp+=⋅=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−71dB65dB59dB53dB47dB41dB量化信噪比1098765n(bit)CUC35•信息工程学院•石东新2009（2）声音信号（双极性信号）量化信噪比量化信噪比用信号功率与量化噪声功率之比表示：)(67