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MTI XIDIAN 彩色数字电视基础 多媒体技术 第六讲 2 彩色数字电视基础 10 1彩色电视制式10 1 1简介10 1 2电视扫描和同步10 1 3彩色电视10 2彩色电视信号的类型10 2 1复合电视信号10 2 2分量电视信号10 2 3S Video信号 3 10 3电视图像数字化10 3 1数字化的方法10 3 2数字化标准10 4图像子采样10 4 1图像子采样概要10 4 24 4 4YCbCr格式10 4 34 2 2YCbCr格式10 4 44 1 1YCbCr格式10 4 54 2 0YCbCr格式 彩色数字电视基础 4 主要内容 视觉的时间域响应特性YUV YIQ与YCrCb颜色空间彩色电视制式彩色电视信号的类型电视图像数字化图像子采样数字电视简介 5 视觉的时间域响应特性 让观察者观察按时间重复的亮度脉冲 如果闪烁频率比较低 人眼就有一亮一暗的感觉 如果闪烁频率足够高 人眼看到的则是一个恒定的亮点 闪烁感刚好消失的重复频率叫做临界闪烁频率 经测定为46HZ 电影播放过程中 每秒投射24幅画面 每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次 这样就得到了48HZ的闪烁频率 要保持画面中物体运动的连续性 要求每秒钟摄取的画面数约为25帧左右 6 YUV YIQ与YCbCr颜色空间 人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低 通常把RGB空间表示的彩色图像变换到YUV或者YIQ颜色空间 每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号 而且亮度信号 Y 和色度信号 U V 是相互独立的 每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备 彩色电视信号中采用YIQ或者YUV空间一是为了兼容黑白电视 二是为了实现压缩 7 YUV YIQ与YCbCr颜色空间 YUV模型用于PAL制式的电视系统 Y表示亮度 UV并非任何单词的缩写 Y 0 299R 0 587G 0 114BU 0 493 B Y V 0 877 R Y YUV空间相当于对RGB空间做了一个解相关的线性变化 U和V的比值决定色调 而 U2 V2 1 2代表颜色的饱和度 8 YUV YIQ与YCbCr颜色空间 9 YUV YIQ与YCbCr颜色空间 YIQ模型与YUV模型类似 用于NTSC制式的电视系统 YIQ颜色空间中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转 YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间 主要用于数字电视系统中 从RGB到YCbCr的转换中 输入 输出都是8位二进制格式 10 YUV YIQ与YCrCb颜色空间 11 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SECAM制这里不包括高清晰度彩色电视HDTV High Definitiontelevision 12 NTSC彩色电视制 NTSC NationalTelevisionSystemsCommittee 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 13 PAL彩色电视制 PAL Phase AlternativeLine 彩色电视制由于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 AlternativeLine 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 14 SECAM彩色电视制 SECAM 法文 SequentialColeurAvecMemoire 彩色电视制法国制定了SECAM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 15 彩色电视制式 NTSC彩色电视制的主要特性是 1 525行 帧 30帧 秒 2 高宽比 电视画面的长宽比为4 3 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 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 7 美国 加拿大等大部分西半球国家 及日本 韩国 菲律宾和中国的台湾采用这种制式 16 彩色电视制式 倒相正交平衡调幅制PAL制式电视信号的特性 625行 扫描线 帧 25帧 秒 40ms 帧 2 每场中有25行作为场回扫 所以每帧中只有575行是有效行 3 高宽比 aspectratio 4 3 4 隔行扫描 2场 帧 312 5行 场 5 颜色模型 YUV 6 西欧 中国和朝鲜等国家采用这种制式 17 NTSC PAL和SECAM的兼容制 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 18 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 19 隔行扫描和非隔行扫描 扫描有隔行扫描 interlacedscanning 和非隔行扫描之分 非隔行扫描也称逐行扫描 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 在非隔行扫描中 电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角 在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像 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 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 20 隔行扫描 interlacedscanning 逐行扫描 non interlacedscanning 电视扫描和同步 行频 场频 帧频 21 奇数场与偶数场 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 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 22 在隔行扫描中 扫描的行数必须是奇数 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 23 彩色电视的同步信号 24 彩色电视国际标准 25 彩色图像重现过程 用彩色摄像机摄取景物时 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 26 彩色电视机中的色彩 各种不同的彩色空间在不同的应用中会比原始的RGB彩色空间具有更有用的特性 更有效且更经济 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CCIR601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 27 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 28 彩色电视信号的类型 复合电视信号 包含亮度信号 色差信号和所有定时同步信号的单一电视信号 分离电视信号 S Video信号 是亮度和色差分离的一种电视信号 它可以 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 分量电视信号 是指每个基色分量作为独立的电视信号 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 29 彩色电视信号的类型 30 一个行周期的黑白全电视信号 31 彩色电视系统的水平消隐间隔 32 S Video连接器 33 注意 不要把S Video和S VHS SuperVideoHomeSystem 相混淆S VHS是高档家用录象系统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 34 数字电视图像数据 数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据 如用YCbCr YUV YIQ或RGB彩色分量 电视图像数字化常用 分量初始化 componentdigitization 这个术语 它表示对彩色空间的每一个分量进行初始化 35 电视图像数字化 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 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 36 ITU RBT 601数字化标准 1 采样频率CCIR为NTSC制 PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率 这个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样 亮度信号采样频率fs 13 5MHZ色度信号采样频率fc 6 75MHZ或13 5MHZ每行采样点数N 864 PAL 858 NTSC 对于所有制式 每个扫描行的有效样本数均为720 CCIR 国际无线电咨询委员会 37 ITU RBT 601数字化标准 2 数字信号取值范围 亮度信号220级 色度信号225级 3 颜色空间之间的转换公式4 图像子采样格式 4 4 4 4 2 2 4 1 1 4 2 0 38 彩色空间之间的转换 用8位二进制数表示BT 601的Y CbCr和R G B 而R G B 颜色空间使用相同数值范围 0 219 的分量信号 R G B 和Y CbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示 39 采样频率 40 ITU RBT 601的亮度采样结构 41 彩色电视数数字化参数摘要 42 公用中分辨率格式 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 CommonIntermediateFormat 1 4公用中分辨率格式 Quarter CIF QCIF Sub QuarterCommonIntermediateFormat SQCIF 格式 43 CIF格式特性 1 电视图像的空间分辨率为家用录象系统 VideoHomeSystem VHS 的分辨率 即352 288 2 使用非隔行扫描 non interlacedscan 3 使用NTSC帧速率 电视图像的最大帧速率为30000 1001 29 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 RBT 601 即黑色 16 白色 235 色差的最大值等于240 最小值等于16 44 CIF QCIF和SQCIF CIF CommonIntermediateFormatQCIF QuarterCIFSQCIF Sub QuarterCIF 45 彩色电视图像采样方法 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 在彩色图像压缩技术中 最简便的图像压缩技术恐怕就要算图像子采样了 46 图像子采样压缩方法的基本原理 根据人的视觉系统所具有的两条特性 一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低 利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人不察觉 二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度 利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉 子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压缩彩色电视信号 47 目前使用的子采样格式 1 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 48 目前使用的子采样格式 2 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 49 4 4 4YCbCr格式 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 50 4 4 4子采样格式 对每个采样点 Y Cb和Cr各取一个样本 51 4 2 2YCbCr格式 625扫描行系统中采样格式为4 2 2的YCbCr的样本位置 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 在帧缓存中 每个样本需要16比特或者20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样本进行计算得到的Cr和Cb样本 52 4 2 2子采样格式 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 53 4 1 1YCbCr格式 625扫描行系统中采样格式为4 1 1的YCbCr的样本位置这是数字电视盒式磁带 digitalvideocassette 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 54 4 1 1子采样格式 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 55 4 2 0YCbCr格式 1 1 H 261 H 263和MPEG 1625扫描行系统中采样格式为4 2 0的YCbCr的样本位置这是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 56 4 2 0子采样格式 H 261 H 263和MPEG 1子采样 57 4 2 0YCbCr格式 2 2 MPEG 2虽然MPEG 2和MPEG 1使用的子采样都是4 2 0 但它们的含义有所不同 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 58 4 2 0子采样格式 MPEG 2子采样 59 图像子采样 如果对色差信号使用的采样频