数字视频原理 课件 第6章 视频信号的数字化

1数字视频原理PrinciplesofDigitalVideo授课教师第6章视频信号的数字化26.1数字化基础6.2标准清晰度数字电视演播室编码参数标准6.3高清晰度数字电视演播室编码参数标准6.4超高清晰度电视编码参数标准6.5电视演播室信号接口6.6不同清晰度数字电视编码参数处比较6.1.1采样6.1.2量化6.1.3编码6.1.4视频信号的采样结构6.2.1归一化处理6.2.2视频信号采样频率的选取6.2.3视频信号量化电平分配6.2.4标准清晰度数字电视演播室编码主要参数6.3.1数字高清晰度视频参数的确定6.3.2高清晰度数字电视演播室编码主要参数6.5.1SD16.5.2P传输6.4.1SDR超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值6.4.2HDR电视节目制作和交换图像参数值36.1数字化基础模拟信号转化为数字信号的过程46.1数字化基础--6.1.1采样取样:Nyquist取样定理：否则，产生“混叠”现象，无法重构原连续信号。模拟信号数字化过程:模拟信号

取样、量化、编码数字信号提高采样频率：增加采样频率至信号最高频率的两倍以上。使用前置滤波器：通过滤波器限制信号的最高频率，使其低于采样频率的一半。预防混叠失真:设A为信号幅度，△为量化间隔，M为量化电平数采用二进制编码，所需比特数为n

M=2n

均匀量化时的量化噪声功率为Nqm3m4m5m2m1m0m6A0△均匀量化qi为第i个量化区间的量化电平量化间隔=（输入信号的最大值一最小值）/量化电平数6.1数字化基础--6.1.2量化1.均匀量化原理单极性信号的(峰值)量化信噪比为：结论：均匀量化比特数n每增加1bit，则量化信噪比上升6dB；反之，量化比特数n每减少1bit，则量化信噪比降低6dB。设视频信号的最大幅度为A，它是从0到A范围内变化。对它均匀量化成M级，有：A=M△

=2n△,则视频信号在单位电阻上的峰值功率为：量化信噪比:

用分贝表示:

2.量化信噪比73.量化噪声对图像的影响如果n过小，量化误差会对图像产生以下影响:1)颗粒杂波(GranularNoise)量化误差会在画面上产生颗粒状的细斑，画面不均匀，称为颗粒杂波。2)边缘忙乱(EdgeBusyness)

在图像亮度急剧变化部位，如轮廓边沿，量化产生的幅值误差会转换为图像边沿的位置误差，使得在荧光屏上显示的图像变为左右晃动的锯齿状边缘(不齐，不平滑)，这种图像失真称为边缘忙乱。量化比特数n需要大于4-5比特，可基本消除。3)伪轮廓失真(FalseContour)在亮度信号缓慢上升或下降区，由于量化结果而变为阶梯式的上升或下降曲线，画面出现原本不该有的轮廓，称为伪轮廓失真。主观测试表明，要使人眼察觉不到轮廓失真，量化比特数n需要大于6-7比特。量化比特数的选择最终由主观评价来决定。主观评价实验表明，n≥8比特对广播电视是合适的。96.1数字化基础--6.1.3编码

采样、量化后，再转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码。具体说来，就是用nbit二进制码来表示已经量化了的样值，例如，若4bit量化，则有16个量化电平，分别用自然二进制码0000~1111表示。每个二进制数对应一个量化电平，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字符号流。在接收端，可以按所收到的符号重新组成原来的样值，再经过低通滤波器恢复原信号。106.1数字化基础--6.1.4视频信号的采样结构视频信号的数字化时间采样：时间轴上分为一系列离散的图像帧，空间采样：每帧图像在垂直方向上离散为一条一条的扫描行，每行在水平方向上采样得到一个一个像素。数字图像与视频中采用的固定正交采样结构11视频图像帧数字分量信号编码框图121.4:4:4格式一般，视频分量信号的采样结构均以亮度信号的四个样点为单元进行划分，因此色度采样格式三个分量信号的采样频率的比值均为“4:X:Y”的形式。4:4:4格式一般用在要求高质量视频源的场合三个分量信号可以是亮度信号Y和蓝色差信号Cb、红色差信号Cr，也可以是R、G、B信号132.4:2:2格式两个色差信号的采样频率均为亮度信号采样频率的一半高质量数字视频信号所采用的主要方式之一，应用于数字电视演播室中的节目制作143.4:1:1格式两个色差信号的采样频率均为亮度信号的采样频率的1/4水平和垂直方向上色差信号的样点分布不均匀，因此在视频信号中较少采用154.4:2:0格式两个色差信号在水平方向和垂直方向上的采样点数均为亮度信号的一半色差样点在水平和垂直方向分布均匀，在视频信号中被广泛采用，是数字电视和网络视频的主流采样格式166.2标准清晰度数字电视演播室编码参数标准ITU-RBT.601标准，全称为“Studioencodingparametersofdigitaltelevisionforstandard4:3andwide-screen16:9aspectratios”，为标清模拟视频分量信号的数字化提供了一套统一的规范，标准中规定了525/59.94场和625/50场两种扫描格式的SDTV演播室编码参数。我国1993年制定了《GB/T14857—93演播室数字电视编码参数规范》国家标准，等同采用了ITU-RBT.601标准6.2.1归一化处理

176.2.2视频信号采样频率的选取

18

SDTV演播室编码参数标准中，色差信号的色度采样格式可选为4:2:2或者4:4:4。色度采样格式为4:4:4时，三分量信号采样点结构相互重合，采样频率均为13.5MHz。色度采样格式为4:2:2时，红蓝色差信号的采样频率为6.75MHz，每行中色差信号的采样点和亮度信号的奇数（1，3，5…）采样点位置相同。196.2.3视频信号量化电平分配1.亮度信号量化电平分配ITU-RBT.601标准中,量化比特数可以为8bit或10bit。余量电平，作为信号超越标准动态范围的保护带，为信号量化提供一定的余量，避免峰值切割出现的非线性失真。码电平0和255为保护电平，用做传送同步信息的标识关键字，不允许出现在视频数据流中。202.色差信号量化电平分配8bit量化时，色差信号动态范围共占225个量化级，峰值电平对应码电平240，0电平对应码电平16，上端留15级、下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。213.码电平数字表达式

224.窄域和全域视频信号码电平的转换视频信号分计算机/网络视频和数字广播电视两类，计算机、网络视频R、G、B信号无余量及保护电平要求，可充分利用量化比特数全范围。视频信号按电平利用分窄域（SDTV、HDTV唯一方式，UHDTV默认方式，预留余量电平和保护电平）和全域（用于计算机、网络视频，UHDTV也可用，全部电平可用）两种。

因电平利用方式不同，视频信号或需在窄域和全域间转换：

235.视频信号的颜色种类

经计算，有效的Y'、

CB、

CR颜色数量，仅约是R'、G'、B'颜色数量的1/4。窄域信号8bit量化电平下，Y'、

CB、

CR信号仅能表示出大约250万种颜色。

Y'、CB、CR均为220，计算得到的R'=349、G'=123、B'=383，246.2.4标准清晰度数字电视演播室编码主要参数参数625/50扫描格式525/59.94扫描格式编码信号Y、CR、CB采样结构正交，行和帧扫描位置重复，每行中CR和CB的采样点和Y的奇数（1，3，5…）采样点同位（即4:2:2）采样频率：亮度（Y）每个色差信号（CR、CB）13.5MHz6.75MHz每个数字有效行的采样数：亮度（Y）每个色差信号（CR、CB）

720360每一整行的采样数：亮度（Y）每个色差信号（CR、CB）

864432

858429编码方式线性PCM，8、10bit量化视频信号电平与量化级之间的对应关系量化级数范围亮度（Y）每个色差信号（CR、CB）（以8bit量化为例）0～255共220量化级，消隐电平对应量化级16峰值白电平对应量化级235共225量化级，零电平对应量化级128最大正电平对应量化级240最大负电平对应量化级16256.3高清晰度数字电视演播室编码参数标准ITU-R于1990年发布了ITU-RBT.709标准，全称“ParametervaluesfortheHDTVstandardsforproductionandinternationalprogrammeexchange”。我国于2000年颁布了《高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》行业标准GY/T155-2000，该标准等效采用了国际电信联盟的建议书ITU-RBT.709中的方形像素通用格式。6.3.1数字高清晰度视频参数的确定图像分解力、宽高比、屏幕尺寸、色域和伴音声道数方面都有所改进。1.分解力与带宽HDTV最早由NHK设计，经过主观实验的分析，将视频帧分解力确定为SDTV水平/垂直分解力的2倍。兼容625/50和525/59.94两种标清格式，采用隔行扫描方式

1）分解力26水平分解力

垂直分解力

2）带宽主观评价结果表明，增加信号带宽后图像质量将提高，但在20MHz附近就出现了饱和的倾向，因此HDTV要求亮度信号带宽大于20MHz以上。考虑到制作节目时对原素材的清晰度要求较高，一般将R、G、B和Y信号的带宽分别设定为30MHz。

需要注意的是，HDTV仍然有模拟视频带宽这一参数，而UHDTV没有对应的模拟视频带宽。4:32.35:1

16:9272.临场感要求（1）临场感与水平视角

基础研究表明，当视野在水平视角上超过20°时，产生“身临其境”感，当视野在水平视角上达到60°时，达到饱和。HDTV的最佳观看距离约为电视高度的3倍距离，水平视角约处于30°。（2）临场感与画面尺寸参数系统值宽高比16:9每扫描行有效样点数1920采样结构正交每帧有效行数1080像素宽高比1:1（正方形像素）画面尺寸越大，临场感也就越强3.展宽的色域4.高质量环绕立体声HDTV标准BT.709规范了比SDTV稍宽一些的色域，以提高电视色彩的感染力HDTV应配有高质量的环绕立体声，至少有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。286.3.2高清晰度数字电视演播室编码主要参数1.编码方程

2.亮度信号采样频率的选择

29（3）为了便于国际上的节目交流，亮度信号采样频率的选择还应兼顾国际不同的扫描格式。采样频率应是各种扫描格式行频的整数倍。（4）应该在满足采样定理的条件下，尽量降低采样频率，一般选采样频率为信号带宽的2.2~2.4倍。（5）虽然67.5MHz采样频率也满足上述四点要求，但1125/60i制式下，每行总采样点数仅为2000，去除每行有效样点数1920，行逆程样点数仅有80，这意味着行逆程系数仅为0.04，水平消隐期过短，不利于高清CRT显示器的制造，此外也不便于利用逆程期间传输音频等辅助数据。

30参数系统值60/P30/P30/PsF60/I50/P25/P25/PsF50/I24/P24/PsF扫描系统采样点呈现顺序从左到右，从上到下对于隔行和分段帧系统，画面顶部为第一场的第一个有效扫描行总行数1125场频/帧频/分段频率(Hz)60,60/1.00130,

30/1.00160,60/1.00150255024,24/1.00148,48/1.001隔行比1:12:11:12:11:1帧频(Hz)60,60/1.00130,30/1.001502524,24/1.001每行采样数：–R、G、B、Y–CB、CR

2

2001

100

2

6401

320

2

7501

375标称模拟信号带宽(MHz)60306030采样频率(MHz)：–R、G、B、Y148.5,148.5/1.00174.25,74.25/1.001148.574.2574.25,74.25/1.001采样频率(2)(MHz)：CB、CR74.25,74.25/1.00137.125,37.125/1.00174.2537.12537.125,37.125/1.001逐行系统，采样频率为74.25的两倍，即148.5MHz。PsF（Segmentedframe，逐行分段帧）一种视频信号格式，允许逐行扫描的视频使用隔行扫描设备进行传输、存储和处理。ITU-RBT.709中规定的图像扫描特性参数31我国HDTV演播室编码参数参数数值编码信号R、G、B或Y、CB、CR图像扫描顺序从左到右，从上到下隔行时，第一场的第一行在第二场的第一行之上帧总行数1125隔行比2:1（隔行）1:1（逐行）帧频(Hz)2524行频(Hz)28125.000±0.001%27000.000±0.001%每行总采样点数R、G、B、YCB、CR2640132027501375模拟信号标称带宽(MHz)30R、G、B、Y采样频率(MHz)74.25CB、CR采样频率(MHz)37.125R、G、B、Y采样结构正交，采样位置逐行逐帧重复CB、CR采样结构正交，采样位置逐行逐帧重复，采样点相互重合，与亮度采样点隔点重合每行有效采样点数R、G、B、YCB、CR1920960编码格式线性，10或8bit/分量样值量化电平R、G、B、Y黑电平CB、CR消色电平R、G、B、Y标称峰值电平CB、CR标称峰值电平10bit编码8bit编码64 16512 128940 23564和960 16和240量化电平分配视频数据同步基准10bit编码4~10190~3和1020~10238bit编码1~2540和255与活动图像质量相关的6个因素（2D画面）分辨率（空间分辨率）8K4K2K帧速率（时间分辨率）色域（彩色分辨率）Rec709DCI-P3Rec.2020120P(100P)60/50P60/50i量化（灰度分辨率）12bit10bit8bitLCD1,000:1CRT40,000:1OLED1,000,000

:124/25/30PRec.2020HDR(HighDynamicRange)，Rec.2100需要显示高亮度需要显示纯黑动态范围（宽容度分辨率）环绕声三维声立体声音质（沉浸真实声场）6.4超高清晰度电视编码参数标准4K/8K=HR+HDR+HFR+HQS+HBP+WCGHR：

高分辨率HFR：

高帧率WCG：

宽色域HBD：

高bit深度HQS：

高环绕立体声HDR：

高动态范围“五高(H)一宽(W)”UHD超高清电视(4K/8K)BT.2020BT.2100346.4.1SDR超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值2012年ITU发布ITU-RBT.2020标准，全称“Parametervaluesforultra-highdefinitiontelevisionsystemsforproductionandinternationalprogrammeexchange”，定义了具有SDR的超高清电视的各个方面。1.超高清电视的空间特性参数名称取值图像宽高比16:9像素数水平×垂直3840×21607680×4320采样结构阵正交像素宽高比1:1（方形像素）像素寻址顺序每行像素的顺序是从左向右，行的顺序是从上至下ITU-RBT.2020标准中规定的超高清电视图像空间特性35

SDTVHDTVUHDTV1/UHDTV2分辨率720×576/720×4831920×10803840×2160/7680×4320参考标准ITU-RBT.601ITU-RBT.709ITU-RBT.2020、ITU-RBT.2100（HDR）像素1.07/0.8811水平视角13度/11度32度58度/96度观看距离屏幕高度6倍屏幕高度3.1(3)倍屏幕高度1.5倍/0.75倍超高清与标清、高清电视的最优观看角度和距离等参数对比2.超高清电视的时间特性参数值帧率（Hz）120,120/1.001,100,60,60/1.001,50,30,30/1.001,25,24,24/1.001扫描模式逐行超高清电视时间特性363.超高清电视的色域和编码方程三基色和用于参考的白色色度坐标

（CIE,1931）xy红基色（R）0.7080.292绿基色（G）0.1700.797兰基色（B）0.1310.046参考白（D65）0.31270.3290

非恒定亮度编码方程：374.超高清电视的比特深度及量化电平分配参数值编码格式每个分量为10或12bitR',G',B',Y',Y'C,C'B,C'R,C'BC,C'RC的量化量化电平– 黑电平

DR',DG',DB',DY',DY'C– 消色电平

DC'B,DC'R,DC'BC,DC'RC– 标称峰值电平

DR',DG',DB',DY',DY'C DC'B,DC'R,DC'BC,DC'RC10bit编码12bit编码64512

94064和960

256

20483760256和3840量化电平分配– 视频数据– 同步基准10bit编码12bit编码4至10190-3和1020-102316至40790-15和4080-4095386.4.2HDR电视节目制作和交换图像参数值2016年ITU发布ITU-RBT.2100，全称“Imageparametervaluesforhighdynamicrangetelevisionforuseinproduction

andinternationalprogrammeexchange”，用于定义HDR电视图像参数值，以便在制作和国际节目交换中使用。HDR相较于SDR，能够呈现更自然的图像和更大的亮度变化。室内场景中，HDR亮度通常与传统电视系统相似。室外阳光照射的场景下具有更宽的亮度范围，并增强了在黑暗区域显示细节的能力，从而呈现出更自然的效果。39参数数值背景和环境D65中性灰背景亮度5cd/m2环境亮度≤5cd/m2室内环境光照明避免光线落在屏幕上观看距离对于1

920

×

1

080格式：3.2倍图像高度对于3

840

×

2

160格式：1.6至3.2倍图像高度对于7

680

×

4

320格式：0.8至3.2倍图像高度显示器的峰值亮度≥1000cd/m2显示器的亮度最小值≤0.005cd/m2

ITU-RBT.2100规定的观看HDR视频的参考观看环境参数40视频中，系统白通常被称为参考白，其既不是信号的最大白电平，也不是显示器的峰值。当使用校准卡设置参考白时，其是放置在卡上并测量的漫反射白（Diffusewhite）。高于参考白的亮度称为高亮度区域，主要对应光源（Emissivelightsource）和镜面反射（Spectacular）。41SDR（电视伽玛）动态范围的压缩和扩展HDR对输入信号的非线性转换处理范围覆盖全部拍摄动态范围，需要表达更多灰阶的量化资源，制作和传输时8bit量化是不够的，需要10~12bit。HDR充分利用了人眼的非线性特性，用10或12bit数据量实现了14~16bit性能，完整再现了高亮度动态信息。

421.视频系统的结构（a）线性OOTF图像

（b）非线性OOTF图像线性和非线性OOTF图像显示效果场景光OETFEOTF显示光摄像机显示器OOTF摄像机端OETF和显示器端EOTF都是非线性的。一般来说，OOTF也为非线性，即γ＞1，使得图像颜色更加鲜艳、画面对比强烈、整体亮度稍偏低，整体图像观看体验更佳。43电视系统采用“参考OOTF”的标准整体非线性转换函数，作用是将摄像机捕捉的场景光线与显示器的显示光线进行适配，以确保图像在显示时的一致性和兼容性。ITU-RBT.2100定义了两种用于HDR电视的参考非线性转换函数感知量化（PerceptualQuantization，PQ）混合对数伽马（HybridLog-Gamma，HLG）442.PQ系统参考非线性转换函数PQ由杜比视界（DolbyVision）提出，起初专为电影和网络视频流设计，后来被纳入HDR电视系统的ITU-RBT.2100标准。1）PQ系统模型

PQ系统模型只定义了EOTFE'代表在PQ区间[0:1]范围内非线性颜色值{R',

G',B'}或者

Y',，FD

是显示的线性分量

{RD,GD,BD}、YD，单位是cd/m2，Y代表归一化的线性色值。OETF=OOTF×EOTF-145

ITU-RBT.2100对PQ的OOTF进行了规范，旨在与现有的SDRBT.709信号源和符合BT.1886标准的显示器兼容。

PQ系统模型中，HDROOTF将亮度延伸至PQ显示的最高亮度10000cd/m21.显示亮度只与信号电平有关，与设备无关，在任何峰值亮度的显示屏上信号电平与显示亮度都是一一对应的关系：

51%电平对应100nit，58%对应203nit，70%对应600nit，75%对应1000nit，83%对应2000nit，89%对应4000nit，100%对应10000nit。2.因为采用绝对亮度体系，能够获得最高质量的HDR图像，观众与导演、调色师看到的图像差别不大。3.后期需要对信号进行处理，以适配显示器的亮度等级，所以被称为“显示参考”。4.因为适配不同亮度等级显示器需要，如1knit，2knit等。显示设备没达到输出亮度要求，则高亮部分会被切掉，因此需要静态“元数据”进行说明。DolbyVision则更进一步，用动态元数据控制显示设备的方法优化显示图像质量。5.PQ对制作的要求比HLG更高，几乎所有采用PQ制作的节目都是调色师反复精心调整的结果，而不是电视的直播形态。（2）PQ特点PQ电视机亮度低于制作母版时不能显示母版中高于电视机亮度的灰度层次和彩色注：用1000尼特监视器制作的PQHDR母版称为PQ1000，其余以此类推。PQ制作的HDR节目，监视器亮度越高制作出的HDR母版亮度越高，如果节目母版是用高亮度监视器制作的，电视机的亮度越高，能够显示HDR节目中高亮度层次和彩色的内容就越多。PQ电视机亮度高于制作母版时只能显示与母版相同的最高亮度

PQ对显示设备精度要求高，必须在播出码流中加入表达制作监视器硬件性能以及节目亮度等信息的元数据，构成完善的HDR方案才能充分发挥其优势。通过色调映射技术，如在1400尼特的显示器上，从1400尼特到4000尼特的高光会重新映射到1400尼特以下，需要终端一定的算力，或专用芯片。483.HLG系统参考非线性转换函数HLG是BBC和NHK联合开发的非线性转换函数，专为HDR电视系统设计，设计目标是能够同时兼容HDR和SDR电视设备。HLG系统模型只定义了OETF，将相对场景线性光映射到非线性信号值。

E是与场景线性光成比例的颜色分量{RS,

GS,BS}信号，归一化为0~1。E′是0~1范围内产生的非线性信号

EOTF=OOTF×OETF-11）HLG系统模型49（2）HLG特点HLGHDR与SDR摄像机灵敏度相同时：50%以下电平HLGOETF曲线与SDR摄像机几乎相同，兼容性好，此范围内二者OETF曲线接近人眼视觉特性，能还原亮度和细节；50%以上信号电平中，HDR的OETF呈对数特性，可捕获更高亮度场景。HLG非线性转换函数是SDR和HDR函数混合，此为HLG混合对数伽玛名称由来。两条曲线在黑色区域处理方式不同：SDR的OETF，在低亮度区用分线性表示，可避免放大噪声、保证低光区质量；HLG则在低亮度区用纯平方根曲线，能实现更高动态范围，但要求摄像机避免放大黑色部分噪声以保质量。

线性场景光50

E是与场景线性光成比例的颜色分量{RS,

GS,BS}信号，归一化为0~1。

HLGOETF：51HLG采用与传统电视相同的相对亮度体系（“场景参考”），显示亮度与信号电平及显示设备峰值亮度相关，信号最高电平对应设备最高亮度。对于HDR，显示器和背景/环绕的亮度会有很大的变化，系统伽玛也需要相应地变化。

当显示器标称峰值亮度LW为1000cd/m2时，

=1.2。如果背景光和环境光更亮，应降低系统伽马。HLG因采用相对亮度体系无需元数据，可后向兼容SDR，在现有设备上呈现效果出色。

524.HDR信号域数字视频信号的窄域和全域表示法比较HLG推荐用窄域信号，以保信号保真度、降低误认信号风险。常用视频处理技术（图像调整、滤波和压缩）会产生过冲（“超白”）和下冲（“超黑”），为保图像保真度，应避免对全域信号产生的过冲和下冲削波。全域表示法对PQ信号有优势，且PQ动态范围大，像素值很少接近极值，过冲和下冲不太会被削波。535.SDR与HDR非线性转换函数的比较SDR、PQ与HLG的OETF曲线比较SDR高光部分为98%~109%，约占电平资源的10%HLG高光部分为75%~109%，约占电平资源的34%PQ高光部分为58%~100%，约占电平资源的42%HLG在兼容现有SDR电视的基础上提升了动态范围，因此更适合广播电视行业应用。54反射对象或参考（亮度系数，%）基准亮度，cd/m2（PQ和1000cd/m2HLG）基准信号电平%PQ%HLG灰度卡（18%）263838灰阶卡最大（83%）1625671灰阶卡最大（90%）1795773参考电平：HDR参考白（100%）亦为漫反射白和图形白2035875HLG和PQ制作的基准信号电平参考白基准电平确定PQ或HLG拍摄曝光的基准，也是HDR白色字幕推荐电平。HDR参考白基准信号电平与显示亮度的关系为：PQ和1000cd/m2

HLG监视器上，白色亮度为

203cd/m2时，PQ信号电平幅度58%，HLG信号电平幅度75%。此电平是一个分界线，低于为

SDR部分，高于为HDR高光部分。55SDR、PQ与HLG的EOTF曲线比较PQ是绝对亮度体系，EOTF曲线唯一，不同峰值亮度显示设备仅改变上截止点位置，58%PQ电平对应HDR参考白亮度恒为203尼特；HLG是相对亮度体系，表现为不同EOTF曲线，75%HLG电平对应HDR参考白亮度随监视器峰值亮度变化。PQ用于SDR亮度资源固定为203尼特，峰值亮度高则HDR比例大；HLG用于HDR的亮度资源占比固定为75-80%。HDR（对数伽玛）对动态范围的压缩、扩展显示设备EOTF扩展了动态范围节目制作OETF压缩了动态范围成像器件特性实际显示亮度xVo输出电平输出电平16比特线性10比特非线性对数伽玛HDR的非线性对数处理范围覆盖全部拍摄动态范围充分利用了人眼的非线性特性用10/12比特数据量实现了14-16比特性能，完整再现了高亮度动态信息Vo输出电平显示亮度100%V输入电平100%输入电平V

输入电平入射光量576.HDR视频标准规范HDR10+开放标准,三星同AmazonVideo（内容提供商）于2017年共同推出HDR10的增强标准,SMPTE2094技术标准的一部分(ST.2094-40)基于感知量化PQ相比HDR10，增添了逐帧画面调整的“动态色调映射”技术。DolbyVision(杜比视界)版权标准基于感知量化PQ，兼容HDR10格式动态元数据作为影片的每秒每帧画面而进行色彩及亮度调控(BDA蓝光碟片组织采纳)。采用双层编码技术,不需要准备单独的HDR和SDR内容,而是在SDR内容的基本层上再增加支持HDR的增强层,从而达到兼容SDR的目的。HDR10开放标准,通常认为是CAT

(ConsumerTechnologyAssociation,美国消费电子协会)于2015年8月公布的HDR格式标准,最为广泛的HDR标准基于感知量化PQ用单一静态绝对元数据(Metadata)作为控制整段视频序列色彩及亮度。HLG设计用于电视HLG不需要元数据，能后向兼容SDR，再现被摄景物相对亮度,根据不同的显示设备显示出不同程度的HDR效果，具备自适应性能。ATSC3.0标准采用了AdvancedHDR标准，涵盖了三种HDR格式。SMPTEST2094-10=DolbyVisionSMPTEST2094-40=HDR10+用于彩色体积变换的动态元数据（DMCVT），这俩就是动态元数据了。HLG=ARIBSTD-B672015年6月正式发布，ffmpeg压缩参数中，HDR10的transfer=smpte2084，HLG的transfer=arib-std-b67HDR10+59中国HDR标准：HDRVivid（菁彩HDR）

--华为主导开发AVS2AVS2、AVS3、HEVC、VVC2025年11月5日，HDRVivid标准在DVBsteeringboard会议获得通过，是HDRVivid国际化进程中的里程碑事件，标志着HDRVivid的技术先进性和产业可行性获得了国际主流平台的验证。后续HDRVivid标准将进入ETSI(欧洲电信标准化协会)的标准制定流程，预计将于2026年5月在ETSI正式发布，为全球彩电产业链提供一个开放、先进且极具竞争力的HDR技术选择。6061

626.5电视演播室信号接口--6.5.1SDI串行数字接口（SerialDigitalInterface，SDI）是无压缩数字视频传输格式规范，通过单一同轴电缆/光纤传输高质量数字视频信号。比特串行传输更经济，原有模拟视频同轴电缆可传串行数字信号，同轴电缆适于中等长度、光纤适于超长连接。

规格与格式接口特性SDTVITU-RBT.601ITU-RBT.656HDTVITU-RBT.709ITU-RBT.1120UHDTVITU-RBT.2020ITU-RBT.2077标清信号的SDI标清SDI接口格式由ITU-RBT.656标准进行规范，规定了4:2:2色度采样格式的标清信号并行信号数据结构以及ITU-RBT.601建议书中定义的525/625行数字信号串行接口。63数字电视系统时钟频率为27MHz，每个样值时间T：Cb0Y0Cr0,Y1,Cb1Y2Cr1,Y3,

Cb2Y4Cr2

,Y5,…….Cb359Y718Cr359,Y719625/50制式：

一行有864＋432＋432＝1728个字（标准中编号：0号～1727号，0号位于行同步前沿后第264个字），Ｙ864,Cr、Cb各432。行正程0～1439号（共1440个字），行消隐1440～1727号（共288个字）。

1)4:2:2数字分量信号的时分复用传输01234…17271726172517241723143914381440定时基准信号（TRS）----表示行场的分界，有效视频起始（SAV:StartofActiveVideo）有效视频结束（EAV:EndofActiveVideo

）

3)数字消隐期的传输内容数字消隐期288个字节视频定时基准信号SAV和EAV

和其他辅助信息

2)视频数据与模拟行同步间的定时关系65

SAV和EAV用16进制表示为：3FF000000XYZ

3FF000000留给定时基准信号用；第四个字定义了场奇偶标识、行场消隐/正程状态以及校验位。不对模拟同步脉冲进行取样。EAV和SAV在行消隐期间，EAV的字号是1440~1443，SAV的字号是1724~1727，各4个字节。4:2:2数据流的构成定时基准信号（TRS）定时基准信号（TRS）EAVSAV66数据bit位第1字（3FF）第2字（00）第3字（00）第4字（XYZ）B9（MSB）1001B8100FB7100VB6100HB5100P3B4100P2B3100P1B2100P0B11000B01000F–奇偶场标志位0：奇数场，1：偶数场。V–场正程、逆程标志位0：场正程，1：场消隐。H–行正程、行消隐标志位

0：SAV，1：EAV671000111700110116010110151110001401101103110101021011100100000000P0P1P2P3HVF参数编码关于纠错编码---采用线性分组码（7，3）码

B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0B9FVHP3P2P1P0B1B0B5=B7+B6B4=B8+B6B3=B8+B7B2=B8+B7+B6能纠正1位错误能检2位错误68625/50定时基准信号：3FF000000XYZ通过F、V：0变1、1变0，来确定行号。69数字消隐期288个字节：视频定时基准信号SAV和EAV和其他辅助信息辅助数据（ANCiliary）的插入：1.时间码的传送：纵向时间码LTC，场消隐期时间码VITC等

2.数字声音传送：多达16路AES/EBU20bit数字声音信号3.监测与诊断信息传送：可插入误码检测校验字和状态标识位4.图像显示信息传送：4：3和16：9指示（格式混用时）5.其它应用：图文，操作指令704）串行接口处理流程①并/串变换：移位寄存器将10位的输入数据又由27MHZ的时钟信号予以并行写入，然后用10倍频的270MHZ时钟进行串行读出，LSB（最低有效位）在先，MSB（最高有效位）在后，码型为NRZ不归零码。71解决方案是用一个PN序列(PRBS,伪随机二进制序列）与原数据进行模2加，以达到扰码的效果。经过扰码后数据流中就只会有很短的连"0"、连"1"，从而电平跳变多，时钟信息丰富。②扰码处理：

NRZI码仍有直流分量和明显的低频分量。为进一步改进接收端的时钟再生，采用了扰码方式（scrambling）。扰码器使长串连0和连1序列以及数据重复方式随机化并扰乱，限制了直流分量，提供了足够的信号电平转换次数，保证时钟恢复可靠。7201001110111100NRZ非归零码NRZI非归零反相码③码型变换编码（NRZ-NRZI）：NRZ码为逻辑1，NRZI码的电平变化（低变高或高变低）NRZ码为逻辑0，NRZI码的电平保持不变（高或低）

在NRZ码信号为很长的连1时，则其NRZI码就成为方波信号。

NRZI码比NRZ码有更多的电平变换次数，即脉冲沿增多，这可改进时钟再生锁相环的工作，稳定时钟信号。显然NRZI码的极性并不重要，只要检测出电平变换，就可以恢复数据。（5）SD-SDI码率。对于4:2:2格式，10bit串行传输，所以其接口码率为

732.高清信号的串行数字接口高清SDI接口格式由ITU-RBT.1120标准进行规范，规定了用于1920×1080高清信号的串行数字接口。我国于2000年颁布了基于4:2:2格式的数字高清晰度电视演播室视频信号接口标准GY/T157-2000，等同于ITU-RBT.1120。（1）数据的时分复用包括视频数据、定时基准码(EAV和SAV）、辅助数据（音频等）。

视频数据

一帧画面亮度像素数为1920×1080，两个色差信号像素各为960×1080。

Y信号一路；色差信号Cb和Cr时分复用成一路（Cb、Cr、Cb、Cr…）；

两路长度相同的信号分别加入定时基准码(EAV和SAV），然后两路信号再时分复用。74.25MHz74.25MHz74（2）数字视频行与模拟视频行定时关系行期间视频数据与模拟行的详细定时关系75（3）数字消隐期的传输内容（4）HD-SDI码率

763.超高清信号的串行数字接口超高清信号的SDI由ITU-RBT.2077标准进行规范，规定了未压缩的4K和8K超高清信号通过单模和多模光纤及同轴电缆进行实时串行传输方案。ITU-RBT.2077规定的UHDTVSDI接口类型主要包括：多链路10Gbit/s光接口（10bit字容器）、多链路10Gbit/s光接口（12bit字容器）、单链路和多链路6Gbit/s、12Gbit/s和24Gbit/s光接口和电接口。UHDTVSDI2SI数据映射方式773840×2160/100P或120P超高清图像通过2帧2SI模式进行映射示意图

78四路平方分割（SquareDivision，SQD）794K信号需要4条HD-SDI线缆，IP化之后一条10G以太网线缆就可以传输，线缆数量由此大大减少，便于维护；以太网的可扩展性，提供有力保障；IP链路支持多路SD-SDI、HD-SDI和3G-SDI信号混合，支持长距离传输，而且组网简单，保证向超高清的平滑升级。解决：IP化SDI面临的问题：SDI在标清或者高清具有优势，超高清（4K及以上）会带来一系列问题，主要表现在几个方面：电缆多且维护困难。SDI信号传输距离的限制。SDI高清产品及其传输线缆和后端存储产品的品种单调、价格比较高，导致系统方案选择性少、整体造价比较高。6.5.2IP传输1.SDI在超高清时代面临的问题及解决方案2.SMPTEST2022-6与ST2110“双向”，“复用”，“互联”是传统SDI没有的IP化优点。ST2022-6和ST2110是支持SDIoverIP的技术，两者最主要的差别在于，ST2022-6是ST2110的前代技术。ST2022-6只是单纯地把SDI信号封装进了IP包里，视频部分、音频部分、辅助数据部分都在同一个包里进行传输，当某台设备需要单独处理音视频业务数据的时候，需要对装着SDI信号的IP流进行解嵌，然后处理完了再加嵌回去。ST2110把SDI信号中的视频、音频、辅助数据分开，分别封装进不同的IP包里单独传输传输，无需复杂的解嵌、加嵌操作。ST2110传输系统的分离传输策略对同步提出要求，采用了PTP（PrecisionTimeProtocol，精确时间控制协议）与RTP时间戳等方式同步。音视频业务和数据在ST2022-6中的传输音视频业务和数据在ST2110中的传输SMPTEST2110标准套件可以构建一个与其中所携带的特定音视频格式无关的系统，不用管理不同格式的SDI，也无需考虑分辨率，位深度，帧速率，通道数等。更好的促进IP上的媒体和相关数据传输，并且更加灵活，效率更高，成本更低。SMPTEST2110标准套件可以应用于电影后期制作，发行，播出，广播和OTT服务；现场活动制作等。3.NDINDI是NetworkDeviceInterface的简称，IP网络设备接口协议。NDI是由美国NewTek基于局域网研发的高质量、低延迟、多通道的IP视频传输标准。音视频信号在进行NDI编码后，能实时通过IP网络对多重广播级质量信号进行传输和接收，同时具有低延迟、精确帧视频、数据流相互识别和通信等特性。FULLNDI是I帧高比特率压缩协议，具备超低延迟（1帧或更少）和质量视觉无损的优势特点，可取代复杂的SDI/HDMI连线，但是需要占用一定带宽，比如单个1080p60的NDI流可能需要140Mbps，单个4Kp60的NDI流则需要250Mbps。NDI|HX是NDI的低带宽版本，是一种压缩版的长GOPH.264变体，优点是低带宽要求，允许简单千兆网络承载多个视频流，而不会占用大量网络流量，如单个1080p60的NDI流仅需10Mbps左右。NDI|HX2是下一代高效的NDI协议，它即可以使用H.264，又可以使用H.265（HEVC）。与NDI|HX相比的主要区别在于，NDI|HX2是真正的原生NDI流，从源设备一直到目的地。由于有了更高的比特率和HEVC的选择，NDI|HX2可以通过WiFi提供类似FullNDI的画面质量。NDI解决方案与WiFi6结合，摄像机则可以通过编码器设备，直接将输出的SDI转换成NDI信号，通过网线或Wifi传输到局域网中的导播电脑。2021年6月2日推出

NDI5，NDI5借助于NDIBridge和NDIRemote技术，可以实现跨互联网的视频传输应用。本地的演播室可以连接到云端的演播室，高效地将远程视频制作本地化。NDI各版本介绍版本发布功能/增强功能1.02016.04初始发行2.02016.09支持跨子网、支持ARM编码、支持iOSSDK3.02017.07NDI-HX支持、带FEC的多播传输选项、PTZ支持3.52018.06默认为带有FEC的单播UDP传输方法3.62018.07数据包级别绑定改进3.72018.09自动发现机制，设备自动发现建立连接3.82018.11性能增强，用于FPGA开发的NDI嵌入式SDK4.02019.09多TCP传输模式、NDI|HX2、发现机制4.12019.11性能改进4.52020.03新的多TCP实现、使用NDI-HX降低延迟4.62020.11可以使用NVENC在计算机上支持NDI-HX2编码5.02021.07RUDP、冗余发现服务器支持、NDI5工具5.12022.02NDIBridge增强功能、mDNS的DNS名称支持5.52022.08NDI网络摄像头输入上的四路输入，支持4K视频6.02024.04原生HDR支持、10+位色深和改进的WAN连接4.NVI（NetworkVideoInterface，网络视频接口）联盟成立：2024年8月，由中央广播电视总台与中国电影电视技术学会联合牵头组建网络视频接口（NVI）技术创新联盟。协议研发：联盟核心目标是联合开发自主可控的跨域、跨平台超低延时视频传输协议——NVI，由总台与成都索贝数码科技股份有限公司共同研制，实现稳定可靠传输，显著缩短延迟。传输模式与应用场景传输模式：支持局域网内组播、点对点传输及公网远程点对点传输。应用场景：实时云渲染、云制作、云演播、高清/超高清直播、企业视频会议、全媒体直播活动等。自主知识产权协议特点国产化、开放性和广电级标准。低延迟、高画质，适用于轻量化融媒体演播室等场景。具备动态安全策略，支持多种压缩格式和广电级元数据。支持4K、8K等大幅面、高码率视频数据传输。