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彩色数字电视基础,彩色数字电视是从模拟电视和模拟彩色电视发展而来的，因此本章的前半部分将介绍模拟电视的一些基本常识，而后半部分将介绍彩色数字电视的基本常识。,1 彩色电视制式,1.1 简介 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。,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、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。,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。,1.2 电视扫描和同步扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描，图7-01表示了这两种扫描方式的差别。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描。,(b)隔行扫描,PAL制电视的扫描特性 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,2.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.SECAM 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。,以上三种电视制式的主要特性如表7-01和表7-02所示。,表7-01 彩色电视的同步信号,表7-02 彩色电视国际标准,1.3 彩色电视 图7-03说明用彩色摄象机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量，以及如何重显自然景物彩色的过程。,在彩色电视中，用Y、C1,C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2的含义与具体的应用有关。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。,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。,2 彩色电视信号的类型,2.1 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(posite video signal)，或者称为全电视信号。,2.2 分量电视信号 分量电视信号(ponent 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。,2.3 S-Video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。S-Video and S-VHS(Super Video Home System),图7-06 S-Video连接器,表7-03 S-Video工业标准4针连接器规格,3 电视图像数字化,3.1 数字化的方法 数字电视图像有很多优点。例如，可直接进行随机存储使电视图像的检索变得很方便，复制数字电视图像和在网络上传输数字电视图像都不会造成质量下降，很容易进行非线性电视编辑。,电视图像数字化常用的两种方法,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，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电视信号。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。,3.2 数字化标准 早在20世纪80年代初，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 Y=0.299R+0.587G+0.114BCr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128,2.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。,3.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。,4.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。,5.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，,CIF格式具有如下特性：(1)电视图像的空间分辨率为家用录像系统(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。,4 图像子采样,4.1 图像子采样概要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)。,目前使用的子采样格式有如下几种：(1)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。(2)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。,4.2 4:4:4 YCbCr格式,4.3 4:2:2 YCbCr格式,4.4 4:1:1 YCbCr格式,4.5 4:2:0 YCbCr格式(1)H.261,H.263和MPEG-1,(2)MPEG-2,