高清晰度电视技术基础.doc

高清晰度电视技术基础王亚明本文作者王亚明先生，Sony广播电视专业设备亚洲总部中国市场本部重要客户项目部经理。关键词：HDTVSDTV数字电视清晰度码率节目制作ITU、SMPTE和中国的HDTV标准如表所示。电视清晰度电视画面的垂直清晰度取决于每帧的有效扫描行数。标准清晰度电视(SDTV)垂直清晰度的最大值为576电视线(576/50i)，高清晰度电视(HDTV)垂直清晰度的最大值为1080线(1080/50i)。电视画面的水平清晰度取决于电视信号的传输带宽。在SDTV系统中，每1MHz带宽相当于80电视线(相对清晰度)或107线(绝对清晰度)，6MHz亮度信号传输带宽对应的最大水平清晰度为480电视线(相对清晰度)或640线(绝对清晰度)。受传输带宽的限制，每行有720个有效取样点并不等于绝对清晰度为720线，再现全部样点需要6.75MHz带宽(取样频率为13.5MHz的1/2)。在HDTV系统中，每1MHz带宽相当于29电视线(相对清晰度)或52线(绝对清晰度)，30MHz亮度信号传输带宽对应的最大水平清晰度为870电视线(相对清晰度)或1550线(绝对清晰度)。受传输带宽的限制，每行有1920个有效取样点并不等于绝对清晰度为1920线，再现全部样点需要37.125MHz带宽(取样频率74.25MHz的1/2)。数字电视系统的表示方法在数字电视系统中经常使用1080/60i之类的表示方法，1080表示每帧有效扫描行数，60表示帧或场频，最后的字母只有小写的i(interlace，隔行扫描)或大写的P(Progressive，逐行扫描)。例如，1080/60i表示有效扫描行数1080、场频60Hz的隔行扫描方式，720/60P表示有效扫描行数720、帧频60Hz的逐行扫描方式。采用上述方法，美国的NTSC制可表示为480/60i，欧洲和中国的PAL制可表示为576/50i。目前数字电视系统并没有统一的表示方法，在各种文献中也可以见到其它表示法。例如，已知帧或场频时用1080i、720P表示扫描线数和扫描方式，已知扫描线数时用50i或60P表示帧或场频和扫描方式。1080/50i、720/60P还可以分别表示为1080/50/2:1、720/60/1:1。有时还会用代替/，如108060i，72060P等。也有用总扫描线数代替有效扫描线，如1125/60i、750/60P，其它的还有1080i/50、1080i/50Hz等表示方法。数字电视信号的码率标清数字电视信号的码率在ITU-R601数字电视标准中，采用10b量化时亮度信号的码率为13.5(MHz)10(bit)=135Mb/s两个色差信号的码率为26.75(MHz)10(bit)=135Mb/s总的码率为亮度信号码率+色差信号码率= 135+135 =270Mb/s高清数字电视信号的码率在SMPTE 274M数字电视标准中，采用10b量化时亮度信号的码率为74.25(MHz)10(bit)=742.5Mb/s两个色差信号的码率为237.125(MHz)10(bit)=742.5Mb/s总的码率为742.5+742.5=1485Mb/s从上述计算可以看出，HDTV的码率是SDTV的5.5倍。数字电视信号的有效码率(视频)有效码率是在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期没有视频信息，所以有效码率一般只是码率的6080%。当使用磁带、硬盘或光盘存储数字视频信号时，可以只记录有效码率代表的视频信息。标清数字电视信号的有效码率在ITU-R601数字电视标准中，采用8b量化时480/60i(NTSC)亮度信号的有效码率为每行的取样点数有效扫描行数量化比特数帧频=720480830= 82.944Mb/s两个色差信号的有效码率为2360480830=82.944Mb/s总的有效码率为82.944+82.944=165.888Mb/s(480/60i)576/50i(PAL)总的有效码率为7205768252=165.888Mb/s (576/50i)由于480/60i的有效扫描行数少、场频高，而576/50i的有效扫描行数多、场频低，实际上二者的有效码率相同。高清数字电视信号的有效码率在SMPTE 274M数字电视标准中，采用8b量化时1080/60i 信号格式亮度信号的有效码率为每行的取样点数有效扫描行数量化比特数帧频=19201080830=497.664Mb/s两个色差信号的有效码率为29601080830=497.664Mb/s总的有效码率为2497.664=995.328Mb/s(1080/60i)1080/50i信号格式的有效码率为192010808252=829.44Mb/s (1080/50i)因为ITU推荐的HDTV标准无论帧频高低，每帧内的有效扫描行数和每行内的有效取样点数相同，所以1080/60i的有效码率是1080/50i的1.2倍。与SDTV相比，1080/60i的有效码率是480/60i (NTSC)的6倍，1080/50i的有效码率是576/50i(PAL)的5倍。高清串行数字分量接口(HD-SDI)高清数字电视使用符合SMPTE 292M标准的串行数字分量接口，传输数字分量电视信号及其内嵌的多路数字音频信号，其取样频率为74.25MHz，量化电平10b，码率为1485Mb/s。使用75WBNC连接器和75W同轴电缆，用8281电缆时最大传输距离100m。正交取样正交取样是指在每行扫描线上的取样点都处于相同的位置，把这些样点用直线连接起来，连线与扫描线正交。正交取样是图形和图像计算机处理的基础，这种取样结构对人的视觉干扰小。实际上，目前所有的演播室分量数字电视标准都采用了正交取样结构。正交取样的条件是信号取样频率必须是水平扫描频率的整数倍。方形象素在采用电子扫描的方式显示图形时，如果每个象素在水平和垂直方向上大小相同，那么在画面的垂直和水平方向上所能容纳的象素数之比应该与画面的宽高比相同。方形象素的概念最早是在计算机行业提出并实际应用的，目前计算机行业绝大多数显示标准都符合方形象素原则，例如：640480、800600、1024768、1152864、1280960、16001200均符合4:3方形象素原则，只有12801024例外。方形象素有利于图形和图像的计算机处理。日本的1125行电视标准中原有效扫描行数为1035，为符合方形象素的原则，已经将有效扫描行数修改为1080。16:9宽高比HDTV电视系统均符合方形象素原则，如19201080、1280720。而4:3宽高比的SDTV 720576和720480都不是方形象素。逐行扫描和隔行扫描逐行扫描一次连续扫描完成一帧电视画面的方式称为逐行扫描，它的优点是：没有隔行扫描所特有的帧间闪烁感；有利于图形和图象的计算机处理；长时间观看眼睛不易疲劳。其缺点是：与相同场频的隔行扫描方式相比数据量比较大；而其主要应用在计算机显示器和美国DTV的480/60P、720/60P及1080/24P。隔行扫描分两次或多次交错扫描完成一帧电视画面的方式称为隔行扫描。它的优点是：与相同帧频的逐行扫描方式相比，数据量只有一半或几分之一。其缺点是：帧间闪烁感明显(特别是大屏幕显示)；不利于图形和图像的计算机处理；长时间观看眼睛容易疲劳。2:1的逐行扫描主要应用在已经和准备播出的大多数电视系统中。美国和日本的59.94i在NTSC标准中，为避免彩色副载波对亮度信号和音频载波的干扰，各种频率之间必须满足下述关系：(1)彩色副载波是二分之一行频的整数倍(1/2行频间置)；(2)音频载波是行频的整数倍。为满足NTSC彩色信号与原黑白电视信号的兼容性要求，音频载波频率4.5MHz不能更改，因此：(1)行频取4.5MHz/286= 15734Hz (与黑白电视的15750Hz相近)；(2)帧频取15734/525=29.97Hz(与黑白电视的30Hz相近)；(3)场频取29.972=59.94Hz(与黑白电视的60Hz相近)；(4)所有频率均同比下降1。在美国和日本，为满足SDTV与HDTV信号相互转换的要求，HDTV采用了与NTSC相同的场频59.94Hz，因此与60Hz相比，所有相关频率均同比下降1。频率下降了1后应该称为59.94i，但习惯上仍旧称为60i。与NTSC相同，编辑1080/59.94i格式的高清信号时，需按失落帧方式处理。在美国和日本进行电影/电视转换时，由于60i的场频降低了1，与此相对应24P的帧频也降低为23.976Hz。1080/24P格式1080/24P(简称24P或24F)是一种专门用于后期制作的HDTV格式。它采用的24帧逐行扫描方式与每秒24幅画面的电影胶片具有每帧电视图像与每幅画面一一对应的关系，在进行胶片与磁带的相互转换时，不会产生因帧频变换而带来的图像质量损失。24P采用的逐行扫描方式、19201080方形象素，为计算机图形和图像处理提供了良好的基础。1080/24P是电影与电视结合的最佳桥梁，已经被美国的节目制作行业，特别是采用胶片拍摄的节目制作公司视为后期制作标准，可望成为国际HDTV节目的交换标准。电影与电视画面拍摄的对比电影与电视拍摄活动影像时的最大区别是，每秒拍摄的画面数量不同。由于历史原因，电影每秒拍摄24幅画面，而PAL和NTSC每秒分别拍摄50和60场电视信号。如图1。NTSC电视电影转换把胶片拍摄的电影转换成电视信号时，须要进行帧频转换。例如，把每秒24格的电影转换为每秒60场的NTSC或1080/60i信号时，要进行所谓的3-2下拉变换，即把第一幅电影画面重复3次作为电视的3场，然后把第二幅画面重复2次作为电视的2场。依次对电影画面进行这种3-2重复，就把每秒24格的电影画面转换成每秒60场的NTSC或1080/60i电视信号。PAL 电视电影转换把电影转换为每秒50场的PAL或1080/50i信号时，一般是把每秒拍摄的24格胶片以每秒25格的速度重放，然后把每幅电影画面重复2次作为电视的2场。依次对电影画面进行这种重复，就把每秒25格的电影画面转换成每秒50场的PAL或1080/50i电视信号。因为这种转换方式略微加快了胶片的重放速度，所以重放时间会缩短4%。如图2。由下拉变换造成的抖动把胶片转换成电视时的下拉变换，会让人感觉电视信号中的运动物体在抖动。只要稍加注意，就可以在观看电视时分辨出哪些内容是用胶片拍摄后转换成电视信号的，哪些是直接