第五章-数字视频基础.ppt

5 1彩色电视制式 NTSC彩色电视制式是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 5 1彩色电视制式 德国在1962年制定了PAL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 5 1彩色电视制式 NTSC制 PAL制和SECAM制都是互不兼容的电视制 NTSC制 PAL制和SECAM制都是彩色和黑白兼容的制式 这里的 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 兼容性实现 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 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 电视扫描 扫描方式有隔行扫描和非隔行扫描 逐行扫描 之分 黑白电视和彩色电视都有隔行扫描 而计算机显示图像时一般都采用逐行扫描 在隔行扫描方式中 扫描的行数必须为奇数 隔行扫描要求第一场结束于最后一行的中间 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 在隔行扫描方式中 电子束扫完第1行后从第3行开始扫 接着扫第5行 7行 一直扫到最后一行的中间 奇数行扫完后以同样的方式扫描偶数行 这样就完成了一帧的扫描 由此可见 隔行扫描的一帧图像是由两部分组成 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 无论是摄像机还是显示器 获取或显示一幅图像都要扫描两遍才得到一幅完整的图像 逐行扫描 隔行扫描 在逐行扫描方式中 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 电视扫描术语 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 PAL电视制式的扫描特性 625行 扫描线 帧 25帧 秒 40ms 帧 高宽比 aspectratio 4 3隔行扫描 2场 帧 312 5行 场颜色模型 YUV 制式的含义 一帧图像的总行数为625 分两场扫描 行扫描频率是15625Hz 周期为64 s 场扫描频率是50Hz 周期为20ms 帧频是25Hz 是场频的一半 周期为40ms 在发送电视信号时 每一行中传送图像的时间是52 2 s 其余的11 8 s不传送图像 是行扫描的逆程时间 同时用作行同步及消隐用 每一场的扫描行数为625 2 312 5行 其中25行作场回扫 不传送图像 传送图像的行数每场只有287 5行 因此每帧只有575行有图像显示 NTSC制的扫描特性 525行 帧 30帧 秒 29 97fps 33 37ms frame 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 隔行扫描 一帧分成2场 field 262 5线 场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 每行63 5 s 水平回扫时间10 s 包含5 s的水平同步脉冲 所以显示时间是53 5 s颜色模型 YIQ 彩色电视信号特点 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 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 5 2彩色电视信号的类型 复合电视信号分量电视信号S video信号 复合视频信号 定义为包括亮度和色度的单路模拟信号 也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号 这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端 由于复合视频接口的传输仍然是一种亮度色度混合的视频信号 仍然需要显示设备对其进行亮 色分离和色度解码才能成像 这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号的损失 色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰从而影响最终输出的图像质量 复合电视信号 复合电视信号 复合视频信号接口又称为AV端子或Video端子 莲花线 S Video信号 分离电视信号S Video Separatedvideo 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 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰 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 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 S video信号 分量电视信号 分量电视信号 componentvideosignal 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 分量信号实际上也是亮色分离的信号 与s端子不同的是色度信号不用解调 5 3电视图象数字化 在大多数情况下 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 因此 电视图像数字化常用 分量初始化 表示对彩色空间的每一个分量进行初始化 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 如录象带 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 20世纪80年代初 国际无线电咨询委员会制定了彩色电视图像数字化标准 称为CCIR601标准 ITU RBT 601标准 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 数字化标准 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 数字化标准 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 fs 13 5MHZ 数字化标准 采样频率对PAL制 SECAM制 采样频率fs为fs 625 25 N 15625 N 13 5MHz 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 525 29 97 N 15734 N 13 5MHz N 858其中 N为每一扫描行上的采样数目 数字化标准 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 每一扫描行的采样结构 数字化标准 有效显示分辨率 数字化标准 彩色电视数字化参数 标准化格式CCITT规定了称为公用中分辨率格式 1 4公用中分辨率格式QCIF和SQCIF格式CIF格式具有如下特性 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 使用非隔行扫描 non interlacedscan 使用NTSC帧速率 电视图像的最大帧速率为30000 1001 29 97幅 秒 使用1 2的PAL水平分辨率 即288线 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 数字化标准 CIF和QCIF相关格式的参数 5 4图象子采样 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 图象子采样的压缩特性 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 子采样的格式 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 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 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 彩色图象YCrCb样本空间位置 4 4 4子采样格式 4 1 1子采样 MPEG 1使用4 2 0 MPEG 2使用4 2 0 5 6数字电视 1 数字电视是什么 数字电视 digitaltelevision DTV 是用数字压缩技术和数字传输技术的远程通信系统 目前数字电视图像使用MPEG2video标准 音频使用MPEG2audio标准或杜比数字标准 随着数据压缩技术的进展和新标准的开发 数字电视采用的标准也将不断修改 比如MPEG4AVC H 264标准 5 6数字电视 目前传输数字电视用的最多的方式是使用卫星 地面广播和电缆 用它们传输的电视分别称为卫星数字电视 地面数字电视和有线数字电视 传输数字电视需要数字电视播出系统 接收数字广播电视需要数字电视机 现有的模拟电视增加机顶盒后可以收看部分数字电视节目 5 6数字电视 2 数字电视原理在数字电视信号发送端 视像信号经过视像编码器压缩和编码 声音信号经过声音编码器压缩和编码 它们的输出与其他数据 或许还有其他电视节目数据 经过多路复合器和传输格式生成器形成MPEG2传输数据流 再通过FEC编码器 调制器和上行转换器发送到数据传输信道上 在数字电视信号接收端 来自数据传输媒体的电视信号通过下行变换器 解调器 FEC解码器 传输格式清除器 多路分解器和视像解码器与声音解码器等功能块 将来自数据传输信道的信号还原成视像信号 声音信号和其他数据 或许还有其他电视节目数据 5 6数字电视 3 数字电视的标准模拟电视有NTSC PAL和SECAM三个主要标准 数字电视也有三种主要标准 1 美国的ATSCDTV ATSC数字电视 标准 2 欧洲的DVB 数字电视广播 标准 3 日本的ISDB 综合业务数字广播 标准 中国在2002年6月批准成立了 数字音视频编解码技术标准工作组 简称AVS AudioVideoStandard 工作组 其任务时制定与其他国际标准 如MPEG 类似的AVS标准 5 6数字电视 4 数字电视图像格式与模拟电视类似 数字电视图像的格式也通常使用垂直分辨率 水平分辨率 宽高比 帧频 隔行扫描或逐行扫描等参数来刻画 1 垂直分辨率 一幅图像在垂直方向上有多少行 如720或1080行 水平分辨率 图图像在水平方向一行上有多少个像素 数字电视图像的空间分辨率通常用 水平分辨率 像素 行 垂直分辨率 行 帧 的形式表示 如1920 1080 5 6数字电视 2 逐行扫描和隔行扫描 在显示屏幕上刷新图像的方法 并分别用p和i表示 数字电视图像格式通常用 水平分辨率 像素 行 垂直分辨率 行 帧 和扫描方式 隔行扫描 p 逐行扫描 i 的形式表示 如720 480i 1920 1080p 3 刷新频率或帧频 每秒钟刷新整个显示屏幕图像的次数 用赫兹 Hz 或帧每秒 fps 来度量 所以 数字电视的格式也可以用 水平分辨率 垂直分辨率 刷新频率 的形式来表示 5 6数字电视 4 宽高比 电视图像或图像区域的宽度和高度之比 普通电视图像的宽高比是4 3 1 33 1 而高清晰度电视图像的宽高比是16 9 1 78 1 5 6数字电视 从原理上来讲 数字电视标准都使用了MPEG2 那么三种数字电视标准的电视图像格式都应该支持MPEG2的所有格式 但是事实并非如此 由于数字电视是从模拟电视发展而来的 世界上的模拟电视主要有NTSC PAL和SECAM三大不兼容的制式 因此数字电视的图像格式明显带有各种彩色电视制的痕迹 包括图像的尺寸和扫描频率等 5 6数字电视 美国高级电视系统委员会 ATSC 定义图像格式时只考虑了NTSC彩色电视制 其扫描行数为525 刷新频率为30hz 定义了18种数字电视格式 称为ATSCDTV标准格式 如 1920像素 H 1080像素 V 宽高比16 9 帧频60Hz 隔行扫描制 帧频30Hz 逐行扫描制 帧频24Hz 逐行扫描制 1280像素 H 720像素 V 宽高比16 9 帧频60Hz 逐行扫描制 帧频30Hz 逐行扫描制 帧频24Hz 逐行扫描制 704像素 H 480像素 V 宽高比16 9或4 3 帧频60Hz 隔行扫描制 帧频60Hz 逐行扫描制 帧频30Hz 逐行扫描制 帧频24Hz 逐行扫描制 640像素 H 480像素 V 宽高比4 3 帧频60Hz 隔行扫描制 帧频60Hz 逐行扫描制 帧频30Hz 逐行扫描制 帧频24Hz 逐行扫描制 5 6数字电视 欧洲电信标准学会 ETSI 既考虑了扫描行数为625 刷新频率为25Hz的PAL制 同时由考虑了扫描线行数为525 刷新频率为30Hz的NTSC制 定义了用于25Hz和30Hz的各种格式 5 6数字电视 SDTV格式标准清晰度电视 StandardDefinitionTelevision SDTV 是指电视图像的质量比传统NTSC制或PAL制模拟电视好但比HDTV制数字电视质量低的数字电视 5 6数字电视 美国ATSCDTV标准中的SDTV有如下特点 1 垂直分辨率均为480 2 图像的扫描方式均为隔行扫描 刷新频率均为30Hz 3 宽高比为4 3或16 9欧洲DVB标准定义的SDTV格式有如下特点 1 垂直分辨率可为576 288 480或240 2 图像的扫描方式可隔行扫描也可隔行扫描 刷新频率为25Hz也可为30Hz 3 宽高比为16 9 5 6数字电视 EDTV格式增强清晰度电视 EnhancedDefinitionTelevision SDTV 是ATSCDTV定义的数字电视格式中的一个子集 由9种格式组成 EDTV格式的电视图像质量优于NTSC和PAL制的图像质量 但清晰度不如HDTV图像 因此称为 增强清晰度电视 它有如下特点 1 垂直分辨率均为480行 水平分辨率为640或704像素 2 宽高比为4 3或16 9 3 扫描方式均为逐行扫描 4 刷新频率均有3种 60 30 24 5 6数字电视 HDTV格式高清晰度电视 highDefinitionTelevision HDTV 是具有正常视力的观众可得到与观看原始景物时的感受几乎相同的数字电视 通常认为 在观众与显示屏之间的距离等于3倍显示屏高度的情况下就可获得这种感受 5 6数字电视 ATSCHDTV电视图像格式是ATSCDTV定义的数字电视格式中的一个子集 由6种格式组成 有如下特点 1 HDTV屏幕的宽高比均为16 9 2 电视画面可用1920 1080像素和1280 720像素两种尺寸 3 扫描方式为逐行扫描或隔行扫描 欧洲DVB标准对HDTV电视图像格式的定义与ATSCHDTV格式基本相同 只是电视画面的刷新频率不同 5 6数字视频接口 1 DVIDVI DigitalVisualInterface 接口 即数字视频接口 它是1999年由SiliconImage Intel 英特尔 Compaq 康柏 IBM HP 惠普 NEC Fujitsu 富士通 等公司共同组成DDWG DigitalDisplayWorkingGroup 数字显示工作组 推出的接口标准 5 6数字视频接口 5 6数字视频接口 目前的DVI接口分为两种 一个是DVI D接口 只能接收数字信号 接口上只有3排8列共24个针脚 其中右上角的一个针脚为空 不兼容模拟信号 另外一种则是DVI I接口 可同时兼容模拟和数字信号 兼容模拟信号并不意味着模拟信号的接口D Sub接口可以连接在DVI I接口上 而是必须通过一个转换接头才能使用 一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头 DVI A其实就是VGA接口标准 只是换汤不换药而已 5 6数字视频接口 考虑到兼容性问题 目前显卡一般会采用DVI I接口 这样可以通过转换接头连接到普通的VGA接口 而带有DVI接口的显示器一般使用DVI D接口 因为这样的显示器一般也带有VGA接口 因此不需要带有模拟信号的DVI I接口 当然也有少数例外 有些显示器只有DVI I接口而没有VGA接口 5 6数字视频接口 DIV接口的优点速度快 画面清晰DVI传输的是数字信号 数字图像信息不需经过任何转换 就会直接被传送到显示设备上 因此减少了数字 模拟 数字繁琐的转换过程 大大节省了时间 因此它的速度更快 有效消除拖影现象 而且使用DVI进行数据传输 信号没有衰减 色彩更纯净 更逼真 支持HDCP 高带宽内容保护技术 协议DVI接口可以支持HDCP协议 为将来看带版权的高清视频打下基础 5 6数字视频接口 DIV接口的缺点没有带音频Audio联接体积偏大传输距离有限 5m 5 6数字视频接口 2 HDMIHDMI High DefinitionMultimediaInterface 又被称为高清晰度多媒体接口 HDMI能高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据 最高数据传输速度为5GbpsHDMI接口由SiliconImage美国晶像公司倡导 联合索尼 日立 松下 飞利浦 汤姆逊 东芝等八家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的 HDMI最早的接口规范HDMI1 0于2002年12月公布 目前的最高版本是HDMI1 3规范 5 6数字视频接口 HDMI接口的优点HDMI规格的接口在保持高品质的情况下能够以数码的形式传输未经压缩的高分辨率视频和多声道音频的数据 一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4Gbps HDMI规格的连接器采用单线连接 取代了产品背后的复杂的线缆 与DVI相比HDMI接口的体积更小 而且可同时传输音频及视频信号 DVI的线缆长度不能超过8米 否则将影响画面质量 而HDMI最远可传输15米 支持H