《彩色制式》PPT课件.ppt

第四章 彩色制式和图像编码,内容：重点介绍图像的编码，包括作为模拟方式编码的三大彩色电视制式；作为数字编码的PCM、DPCM、变换编码和熵编码；以及常用的图像压缩编码标准要求：掌握彩色电视编码（NTSC制、PAL制和SECAM制）、数字编码（PCM编码、DPCM、变换编码和熵编码）。了解常用的视频压缩标准,4.1 彩色电视制式,本节主要讨论基于模拟信号的彩色电视制式,黑白电视制式:扫描行数、场频、带宽、隔行扫描方式彩色电视制式:除上述以外，三基色信号的处理方式按传送信号的时间关系分：顺序制、同时制、顺序同时制顺序制：三基色信号顺序传送，利用时间、空间混色。设备简单、彩色图像质量好；兼容性差，占用频带宽。同时制：三基色信号同时传送，利用空间混色。兼容性好，占用频带窄，彩色图像质量较好；设备复杂、存在亮色串扰。顺序-同时制：三基色信号有顺序传送部分，也有同时传送部分，利用时间、空间混色，或只利用空间混色。优缺点类似同时制。,按使用目的分：兼容制（用于工业电视、科学研究）非兼容制（用于广播电视）兼容性：彩色电视信号能够为黑白电视机所接收，显示为黑白图像。逆兼容性：彩色电视信号能够接收黑白电视信号，显示为黑白图像,现行三大彩色电视制式：都是兼容制（一个亮度信号，两个色差信号），区别在于色差信号对副载波的调制方式上。NTSC 同时制，正交平衡调幅制。PAL 同时制，逐行倒相正交平衡调幅制。SECAM顺序-同时制，顺序传送彩色与存储制。,4.1.1 NTSC制,1、正交平衡调幅与正交检波,一般调幅波：调制信号 u(t)载波信号 usc(t)=UscCOSsct已调制信号 uAM(t)=(Usc+u(t)COSsc t=usc(t)+u(t)COSsc t,平衡调幅波：即滤除一般调幅波中的载波成份usc(t)，则为：uBM(t)=u(t)COSsct,即平衡调幅波为调制信号与单位幅度载波信号的乘积平衡调制器是一个乘法器,正交平衡调幅,正交平衡调幅与色度信号的形成,将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90的两个正交载波进行调幅，然后再将这两个调幅信号进行相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交调幅。如果两个调制信号分别对正交的两个载波进行平衡调幅，其合成信号即为正交平衡调幅信号。彩色电视系统中，为实现色度与亮度信号频谱交错，应用了正交平衡调幅的方式，只用一个副载波便实现对两个色差信号的传输，而且在解调端采用同步解调又很容易分离出红色差与蓝色差分量。,色度信号的形成,红色度分量：（R-Y）COSsc t蓝色度分量：（B-Y）COS（sc t-90）=（B-Y）Sinsc t色度信号：CF(t)=（R-Y）COSsct+（B-Y）Sinsct,色差信号为(R-Y)、(B-Y)分别对两个频率相同、相位相差90的副载波平衡调幅，减少相互干扰。,色度信号矢量：CF=CF Sin（sct+)色度矢量C的模：代表副载波的瞬时振幅，由色差信号的幅度决定。色度矢量CF的相角：,色度矢量,0360度取值，由R-Y和B-Y的符号决定象限。,代表副载波的初相位，由色差信号的比例决定。,同步检波,解调平衡调幅波不能采用普通检波，而应采用同步检波技术。其方法是将色度信号与和副载波同频同相的本振载波信号相乘。色度信号为：CF(t)=（R-Y）cossct+（B-Y）sinsct用cosSCt相乘可解出(R-Y)分量：,经低通滤波器滤去二倍频载波信号，可得到(R-Y)信号。同理，用sinSCt去乘 CF(t)，再经低通滤波后，可得到(B-Y)信号。（色差信号幅度上的衰减可以通过调整电路增益来补偿）,色同步信号,色度信号解调 需要同步(同频同相)的色副载波在行同步后肩加-K脉冲（旗脉冲），脉宽为91个副载波周期，则色同步信号为：eb(t)=K(t)Sin(sct+180),正极性电视信号的色同步信号,行同步,色同步,接收端用锁相原理恢复连续的副载波信号。,压控振荡器,鉴相器,色同步信号eb(t),V,色同步信号与压控振荡器同频同相，鉴相器输出零电压；否则，输出一定的电压控制压控振荡器。,副载波的恢复,2、U、V和Q、I色差信号,在采用正交平衡调幅波传送色度信号，色度信号是叠加在亮度信号上,U、V色差信号,对100幅度未压缩彩条信号来说，黑白电平的变化范围应在0到1之间。由表中数据可见，黄条和青条的最大值分别超过白色电平78和46；红条和蓝条的最小值又分别低于黑条电平40和78。,影响：将使发射机产生过调制(过载)；使重现图像严重失真，造成伴音中断。因为接收机中，第二伴音中频是靠图像中频和伴音中频差拍产生的，过调制将使图像载波有时为0，当然这是不能允许的。同时低于黑电平过多也会影响视频信号分离。因此需要对两个色差信号进行压缩。,压缩方法,压缩色差信号有两种方法：（R-Y）、（B-Y）同比例压缩 不同比例压缩（仅压缩超出的部分）要求Y+C的信号最大最小电平分别不超过白电平和黑电平的33%，即在-0.331.33V范围内。即：黄色：Y+C不超过1.33 蓝色：Y-C不低过-0.33按压缩系数k1、k2来压缩色差信号(B-Y)、(R-Y)，压缩后的色差信号分别用U、V表示：U=k1(B-Y)V=k2(R-Y),黄色：青色：得：,压缩后的色差信号(B-Y)、(R-Y)称为U、V信号：,k1=0.493k2=0.877,压缩后的色度信号：,C=V+U,色度矢量：,模：,相角：,Q、I色差信号,兼容制彩色电视系统亮度、色差信号在同一频带传输。如果色度信号以双边带传送，对于带宽为4.2MHz的制式来说，采用频谱交错，亮度、色差信号频带将重叠过宽，相互干扰将很严重。如果色度信号以不对称边带传送，将在检波解调时引起串色。解决不传U、V信号，传送Q、I信号人眼视觉特性对红黄之间颜色的分辨力最强 对蓝品之间颜色的分辨力最弱在色度图中：以I轴表示人眼最敏感的色轴Q轴表示最不敏感的色轴,Q、I正交轴与U、V正交轴有33夹角的关系，如图任一色度既可由U、V表示，也可由Q、I表示。Q、I正交轴与U、V正交轴关系：Q cos33 sin33 U=I sin33 cos33 V,Q、I与U、V关系,Y、Q、I与R、G、B关系,由亮度方程：Y=0.299R+0.587G+0.114B以及U、V信号与Q、I信号的关系，可以得到：Q=0.211R0.523G+0.312B I=0.596R0.275G0.322B,Q、I信号带宽,根据人眼的视觉特性，Q、I信号的理论带宽分别为：Q：0.5MHz I：1.5MHz,采用Q、I信号时的色度信号时间函数表示式：ec(t)=Q(t)cos33I(t)sin33Sinsct+Q(t)sin33+I(t)cos33cossct=Q(t)sin(sct+33)+I(t)cos(sct+33)色同步信号不变,Q分量以窄带双边带方式传送，I分量以较宽的不对称边带方式传送。,3、副载频选择,副载频选择原则（1）频谱交错原理：为使亮度和色度信号的频谱间距最大，有利于频谱交错，副载频采用半行频偏置半行频的奇数倍（副载频应该比nfH低半行频）。,（2）为了减轻副载波对亮度的干扰，应尽量使副载 频选在视频信号的高端。副载频越高，其干扰亮度的光点越细，愈不易被人眼察觉；另外，还能使色度和亮度信号的主要能量分别位于视频的高、低两端，从而减轻两者的相互干扰。,n为整数,（3）色度信号上边带（约1.5MHz）的边界值不能超过视频信号的带宽（6MHz），故副载频应低于4.5MHz fsc 1.5MHz 6MHz fsc4.5MHz（4）考虑到可能出现伴音载波和副载波的差拍干扰，所以还要求两者的差频也等于半行频的奇数倍；另外，副载波应和行频保持最简单的分频关系，从而有利于同步机电路的实现。,副载频的选择 对于525行、60场的黑白电视M制，行频为15750Hz，半行频为7875Hz，伴音载频4.5MHz。n取228，则伴音载频选择286*15750=4.5045MHz，此值与黑白电视标准差4.5kHz，在4.5MHz伴音鉴相时有干扰。NTSC制行频改为15734.264Hz，此时伴音载频为4.4999995MHz，非常接近4.5MHz。场频改为（与60Hz稍有差别）,干扰光点,副载波干扰光点：亮度信号上叠加了色度副载波，后者的起伏变化将使显示的亮度产生相应的变化，对应副载波的正峰点屏幕上出现亮的点，对应负峰点，则出现较暗的点。由于NTSC制的副载波采用半行频偏置，所以在一个行周期内包含奇数个副载波半周期。于是，在一场中相邻行上出现亮点和暗点的位置正好对换。或者，一场中相邻行上的亮、暗点相互交错。另外，一帧中包含奇数行，一帧也就包含奇数个副载波半周期，这就意味着在第一帧所有行上凡是出现亮点的位置上，第2帧就必然出现暗点，反之亦然。两帧的干扰光点有一一相消作用。,4、NTSC制彩色编、解码器原理,NTSC编码方框图,NTSC解码方框图,采用梳状滤波器实现亮色分离,梳状滤波器电路构成,yd(t)=y(t)ed(t)=ec(t-TH)=-ec(t)y(t)+ec(t)+y(t)-ec(t)=2y(t)y(t)+ec(t)-y(t)-ec(t)=2ec(t),NTSC制的主要性能,色度信号简单 色度信号的组成方式最为简单，解码电路也最简单，易集成化。对电视信号进行各种处理有利。不存在行顺序效应 NTSC色度信号每行都以同一方式传送，不存在对图像质量有损害的行顺序效应。行顺序效应：由于对传输的色度信号作逐行不同的处理而引起的，PAL和SECAM制都有这种情况。容易实现亮、色度信号的分离亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开，兼容性能好，亮度串色影响也较小。同时，容易实现亮度信号和色度信号的分离，为制造高质量接收机、制式转换和电视信号数字化提供便利条件。,Q、I两个色差信号在频谱上没能错开，要靠正交检波来分离。色度信号与检波轴两者之间的相位误差对色差信号的正确解调至关重要，即重现彩色的色调对色度信号的相位失真敏感，称为相位敏感性。当传输系统存在非线性时，色度信号在同步检波器中解调时出现与所叠加的亮度电平有关的相位误差，这种误差无法用固定移相器补偿，会破坏正交检波的解调分离。检波得到的Q、I信号发生串色,微分相位为5时可察觉，NTSC制规定了容限为12。,问题,NTSC制中，色度信号的相位失真会带来明显的色调失真。NTSC-相位敏感性高PAL(Phase Alternation Line)逐行倒相正交平衡调幅制，即色度信号U、V分量中的V分量逐行倒相。彩色相序交变原理：发端周期性改变彩色的相序收端采用平均措施，以减轻传输相位误差带来的影响，抵消相位误差,4.1.1 PAL制,1、彩色相序交变原理,在相邻两行的PAL制色度信号中，有一行与NTSC制色度信号完全相同（此行称NTSC行），而另一行的色度副载波相位则改变符号（此行称PAL行）,PAL克服相位敏感的原理,Fn表示第n行的色度矢量，Fn+1表示n+1行的色度矢量。由于行相关，可以认为它们的颜色相同。则矢量Fn和Fn+1的U分量相等，V分量绝对值相等、相位相反，即以U轴对称。如果传输过程中无相位失真，解调时V回原位，可正确地恢复出色差信号。,有相位失真时，用逐行倒相的方法消除了相位失真带来的色调失真，相位失真仅引起了饱和度下降，但色调末变。,PAL色度信号,2、色度信号和副载频的选择,k(t)表示逐行取值为+1和-1的2TH为周期的开关函数,PAL色度信号（采用1.3MHz对称边带传送U、V信号）：,其中：,隔行扫描逐行倒相的变化规律：,不倒相行（取正号）NTSC行 倒相行（取负号）PAL行,接收端检波时要识别是NTSC行还是PAL行，以决定正交同步检波器的相位。故PAL制色同步信号由恒定相位分量和逐行倒相分量两部分组成,PAL制色同步信号的相位在NTSC行为135度，在PAL行为225度，具有逐行摆动90的规律，因此也称摆动色同步信号,PAL色同步信号：,PAL色度信号的频谱交错,PAL色度信号频谱:U分量对副载波sinsct平衡调幅，频谱仍以fH为间隔，对称地分布在色副载波fsc两旁。逐行倒相的V 分量对副载波cosct平衡调幅，也可看成是V分量对逐行倒相的色副载波K(t)cossct 的平衡调幅。,逐行倒相的色副载波的各频率分量为：,图中虚线为供U信号调制用的副载波，实线为供V信号调制用的副载波。可以看出，调制V信号的副载波是谱线群，调制U信号的副载波是一根谱线。,U分量与V分量的主谱线刚好错开1/2行频,NTSC制U、V信号频谱是重合的，而PAL制色度信号本身完成了频谱交错。这也是PAL制色度不容易失真的原因。,副载波选择及色度信号与亮度信号的频谱交错,合理选择fsc，使亮度Y信号与色度信号的主谱线相互错开fsc要尽量的高，但其上边频不能超过规定的6MHz,1/4行频间置：,只采用1/4行频间置，亮度信号Y的fv场频副谱线与色度信号U、V的fv场频副谱线中的7779次副谱线的间距只有1/8fv，容易造成亮色串扰。,附加1/2场频偏置（25Hz偏置）：,采用1/2场频偏置（25Hz偏置）后，使亮度信号Y与色度信号U、V的副谱线间距增加3倍，为3/8fV，进一步减少亮色串扰。,2、PAL制彩色编码器和PALD解码原理,4.1.3 SECAM制,1、顺序传送与存储复用,SECAM制（意为“顺序传送彩色与存储”）是为了克服NTSC制的色调失真而出现的另一彩色电视制式，1966年由法国研制，属于顺序同时制。,SECAM制的主要特点是逐行顺序传送色差信号R-Y和B-Y。由于在同一时间内传输通道中只传送一个色差信号，因而 避免了两个色差分量的相互串扰(相对于PAL制的频分，这 里是时分)。亮度信号Y仍是每行都必须传送的，所以称为顺序同时制，有顺序，有同时。因为在接收机中必须同时存在Y、R-Y和B-Y三个信号才能解 调出三基色信号R、G、B，所以在SECAM制中采用了存储 复用。用存储器暂存一个色差信号，每个色差信号用两次，传输行和下一行。,存储是用副载波超声延迟线实现的。由于每行只传送一个色差信号，因而色度信号的传送不必采用正交平衡调幅的方式，而采用一般的调频方式。相位和幅度失真对调频信号影响很小按色度信号及其解调的特点来看，SECAM制可称为顺序传送与存储复用调频制。,色度信号的加权,系数取-1.9和1.5的原因：100-0-75-0彩条色差信号幅度限制在-1-+1V 之间正的(R-Y)引起负的频偏，正的(B-Y)引起正的频偏。加权后两个色差信号的摆动幅度相同，调频后它们的频偏相等,2、色度信号和副载波的处理,视频预加重 为解决兼容问题和减少副载波光点干扰，通过加权压低了色度信号的幅度，但同时降低了色度信号（特别是幅度较小的高次边频）信噪比，因此采取视频预加重和高频预加重措施。,视频预加重传输函数,视频预加重使85kHz分量相对零频分量提升2.56dB。,色差信号在调频前进行视频预加重提高信号的高频分量预加重后的色度信号用 和 表示。预加重使信号的阶跃处产生过冲，用限幅器将尖峰消去。规定：在接收端解码器中去加重。,高频预加重,对调频色度信号进行的预加重高频预加重传输函数预加重中心频率：,3.副载波的频率调制,在SECAM制中，采用两个不同频率的副载波来分别传送 和 信号，即：,如高频预加重网络频率特性曲线，两个副载波频选在曲线在最低处附近，这样当色差信号为零时，副载波幅度最小，干扰光点可见度最低,由于SECAM制采用调频方式，受传输失真的影响小，这在三大制式中是最优的,副载波处理,副载波定相每三行的第三行副载波倒相，12场一个循环。这样，一场中，每行的副载波至少与它的一个相邻行相位相反；相邻场中，光栅相邻行有相反的相位。副载波干扰光点在视觉上相互抵消，可见度下降，兼容性改善。副载波抑制在行同步期间和场同步除色同步信号的9行外，抑制副载波，防止副载波叠加到同步信号上引起扫描异常。先导副载波在行同步期间抑制副载波以后，在行消隐后肩上开始传送副载波，这段未调制的副载波称为先导副载波，作为色差信号的零电平基准。,