彩色数字电视基础课件.ppt

视频处理,彩色数字电视基础数字视频编辑初步视频编辑软件的使用、编辑视频片段视频文件压缩MPEG格式流式媒体介绍和应用WMV、ASF、RM、RMVB视频格式转换,数字处理技术彩色数字电视基础 彩色电视制式,目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV(High-Definition television)。,NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。,NTSC,PAL,由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。,法国制定了SECAM(法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、前苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。,SECAM,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。,电视制式的兼容,为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，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。,扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描,(a)逐行扫描,电视扫描和同步,隔行扫描,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，如图所示，然后在第5、7、，行上扫，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。由此可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中，无论是摄象机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。如前所述，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。,每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fF。ff和fF是两个不同的概念。,行频、帧频,PAL电视制的主要扫描特性是：(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,1.PAL制电视的扫描特性,.NTSC制的扫描特性NTSC彩色电视制的主要特性是：(1)525行/帧,30帧/秒(29.97 fps,33.37 ms/frame)(2)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)(3)隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场(4)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(5)每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒。(6)颜色模型：YIQ,3.SECAMSECAM(法文：Sequential Coleur Avec Memoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。这种制式与PAL制类似，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。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65个地区和国家使用这种制式，图像格式为4:3，625线，50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽8MHz。,三种彩色制式的特征,彩色电视的同步信号,三种彩色制式的特征,彩色电视国际标准,彩色电视中，用Y、C1,C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，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。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。因此，为了满足兼容性的要求，彩色电视系统选择了一个亮度信号和两个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收。,彩色电视信号的类型,1、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(composite video signal)，或者称为全电视信号。2、分量电视信号分量电视信号(component video signal)是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既可以分别用R、G和B表示，也可以用亮度-色差表示，如Y、I和Q，Y、U和V。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。,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：(1)减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。(2)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。,3、S-Video信号,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，如图,S-Video连接器,S-Video和S-VHS,注意：不要把S-Video和S-VHS(Super Video Home System)相混淆，S-VHS是高档家用录像系统。S-Video是定义信号电缆连接插座的硬件标准，S-VHS或者写成SVHS是加强性VHS电视录象带的信号标准，提供的分辨率比VHS提供的分辨率要高一些，噪声信号要低一些。S-VHS支持分离的亮度和色度信号输入/输出，取消了亮度和色度的复合-分离过程。,电视图像数字化,数字化的方法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。我们现在接触到的大多数电视信号源都是彩色全电视信号，如来自录象带、激光视盘、摄象机等的电视信号。对这类信号的数字化，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。,数字化标准,国际无线电咨询委员会CCIR(International Radio Consultative Committee)就制定了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。,彩色空间之间的转换,在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：Y=0.299R+0.587G+0.114BCr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128,CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。,采样频率,对PAL制、SECAM制，采样频率fs为fs=62525N=15625N=13.5 MHz,N=864其中，N为每一扫描行上的采样数目。对NTSC制，采样频率fs为fs=52529.97N=15734N=13.5 MHz,N=858其中，N为每一扫描行上的采样数目。,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。,ITU-R BT.601的亮度采样结构,ITU-R BT.601标准摘要,ITU-R BT.601推荐使用422的彩色电视图像采样格式。使用这种采样格式时，Y用13.5 MHz的采样频率，Cr，Cb用6.75 MHz的采样频率。采样时，采样频率信号要与场同步和行同步信号同步。,CIF、QCIF和SQCIF,为了既可用625行的电视图像又可用525行的电视图像，CCITT规定了称为公用中分辨率格式CIF(Common Intermediate Format)，1/4公用中分辨率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-Quarter Common Intermediate Format，SQCIF)格式，,(1)电视图像的空间分辨率为家用录象系统(Video Home 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，色差的最大值等于240，最小值等于16。,CIF格式具有如下特性：,图像子采样,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(subsampling)。,4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。(3)4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。(4)4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。,目前使用的子采样格式有如下几种：,4:4:4 YCbCr格式,图说明625扫描行系统中采样格式为4:4:4的YCbCr的样本位置。对每个采样点，Y,Cb和Cr各取一个样本。对于消费类和计算机应用，每个分量的每个样本精度为8比特；对于编辑类应用，每个分量的每个样本的精度为10比特。因此每个像素的样本需要24比特或者30比特。,4:4:4子采样格式,4:2:2 YCbCr格式,在水平扫描方向上，每2个Y样本有1个Cb样本和一个Cr样本。对于消费类和计算机应用，每个分量的每个样本的精度为8比特；对于编辑类应用，每个分量的每个样本精度为10比特。因此每个像素的样本需要24比特或者30比特。,4:2:2子采样格式,4:1:1 YCbCr格式,这是数字电视盒式磁带(digital video cassette，DVC)上使用的格式。在水平扫描方向上，每4个Y样本各有1个Cb样本和一个Cr样本，每个分量的每个样本精度为8比特。因此，在帧缓存中，每个样本需要12比特。显示像素时，对于没有Cr和Cb的Y样本，使用前后相邻的Cr和Cb样本进行计算得到该Y样本的Cr和Cb样本。,4:2:0 YCbCr格式,(1)H.261,H.263和MPEG-1,这是H.261,H.263和MPEG-1使用的子采样格式。在水平方向的2个样本和垂直方向上的2个Y样本共4个样本有1个Cb样本和一个Cr样本。如果每个分量的每个样本精度为8比特，在帧缓存中每个样本就需要12比特。,(2)MPEG-2,采样格式为4:2:0的YCbCr空间样本位置。与MPEG-1的4:2:0相比，MPEG-2的子采样在水平方向上没有半个像素的偏移。,练习,什么是隔行扫描？什么是非隔行扫描？电视机和计算机的显示器各使用什么扫描方式？对彩色图像进行子采样的理论根据是什么？,