2010第六章 电视信号数字化原理
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P272
6
说明： （ 1）只对视频信号进行均匀量化编码，消隐及同步信号 不进行传输； （ 2）量化电平都留有少量余量电平(Headroom)； （ 3）数字电平000～003和3FC～3FF为保护电平，保护 电平在视频信号数字化过程中是绝对不能出现的，其中 000和 3FF用于传送同步信息； （ 4） 8比特字的数字信号可以通过10比特字的数字设备 和数字通路，只要在8比特的最低位后加两位0即可，在 输出端再将两位0去掉，恢复8比特字数字信号；
六、量化 量化就是把幅度连续变化的信号变为幅度离散 的数字信号。 若在输入信号的动态范围A内进行均匀量化， 把它分为M＝2n个等级，量化间隔为 ΔA = A/M， 其中M称为量化等级数, n称为量化比特数。 量化过程不可避免地回引起量化误差。量化误 的范围为+ΔA/2～-ΔA/2。 可以看出：量化间隔ΔA越小，量化误差引起 的失真功率就越小。
fs m 2.25MHz
(4) 由于编码后的比特率是fs的倍数。从降低码率考 虑，显然fs 选得越低越接近2fm越好。
fs n fH
在CCIR 601建议中，m=6，亮度信号取样频率fs 为13.5 MHz。 对于625行/50场扫描格式的亮度信号来说，每行 的取样点数为 13.5 106 864 15625 对于525行/59.94场扫描格式的亮度信号来说，每 行的取样点数为 13.5 106 858 15734.265
13.5MHz=15625Hz × 864≈15734.264Hz × 858
五、色度取样格式
由于色差信号的带宽比亮度信号窄的多，所以在分量编码 时两个色差信号的取样频率可以降低，同时也要考虑到取样点 正交结构的要求。在数字电视中有以下几种取样格式。
1 、4：4：4格式
在 4： 4： 4格式中，色差信号Cr和 Cb的取样频率和亮度信 号取样频率相同，即
二、数字分量编码方式
1、数字复合编码
数字复合编码：指对模拟复合全电视信号进 行数字化处理后得到的数字视频信号。 取样频率的选择： 受副载波谐波影响、不同模拟制式影响。 取样频率不统一
2、数字分量编码：分别对三基色信号ER、EG、EB 或对分别亮度信号Y和色差信号EY、 ER-Y、EB-Y进行 数字化处理。
第三节 数字标清电视信号接口
第四节 数字高清晰度电视
二、数字电视的发展
第一个阶段为个别电视设备的数字化阶段。 如摄像机信号处理部分的数字化、电视制式转换器、 数字特技等等。 －－ 70年代开始 第二个阶段为全功能数字电视演播室阶段。 在数字演播室中，电视信号从摄像机输出到后期制 作完全是在数字环境下进行。 －－ 1982年开始 第三个阶段为数字视频广播阶段。 数字视频广播实现了数字电视信号的直接发射和 接收，完成了整个电视系统的数字化。 －－ 90年代中期开始
（ 3）为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频 率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。现行的 扫描格式主要有625行/50场和525行/59.94场两种，它 们的行频分别为15625Hz和15734.264Hz。这两个行频 的最小公倍数是2.25MHz，也就是说取样频率应是 2.25MHz的整数倍。即：
亮度y每个色差信号crcb864432858429编码方式线性pcm810bit量化视频信号电平与量化级之间的对应关系量化技术范围亮度y每个色差信号crcb以8bit量化为例0255共220量化级消隐电平对应量化级16峰值电平对应量化级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16oh模拟行同步前沿12幅度处基准点二数字分量电视信号接口的通用信号格式两种接口方式
3、量化误差对图像的影响 （ 2） 声音信号（双极性信号）量化信噪比 量化信噪比用信号功率与量化噪声功率之比表示： 如果 n过小，量化误差会对图像产生以下影响: 颗粒杂波：量化误差会在画面上产生颗粒状的细斑， 称为颗粒杂波。 伪轮廓失真: 相邻的两个量化电平相差很大，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，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。 边缘忙乱: 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，这种图 像失真称为边缘忙乱。 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。
fc r fcb fy 13.5MHz fc r : fcb : fy 4 : 4 : 4
一般在要求高质量的信号源的情况下采用这种格式。
3
2 、4：2：2格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取 样频率的一半，即
fc r fcb
1 fy 6.75MHz 2 fc r : fcb : fy 4 : 2 : 2
ER
1.0 1.0 0 0 1.0 1.0 0 0
彩条
白 黄 青 绿 品 红 蓝 黑
EG
1.0 1.0 1.0 1.0 0 0 0 0
EB
1.0 0 1.0 0 1.0 0 1.0 0
EY
1.0 0.886 0.701 0.587 0.413 0.299 0.114 0
E（ R-Y）
0 0.114 － 0.701 0.587 0.701 － 0.114 0
在对 EY、 ER-Y、 EB-Y进行量化和编码前，为了将三个分量 归一化到相同的动态范围，还必须对ER-Y、 EB-Y进行归一化变 换和加偏置： ECR = 0.713E(R-Y ) ECB = 0.564E(B-Y) EY = 0.299 ER+0.587 EG+0.114 EB ECR = 0.713E(R-Y ) =0.500ER - 0.419 EG -0.081EB ECB = 0.564E(B-Y) =-0.169 ER - 0.331 EG + 0.500 EB
4
1、视频信号（单极性信号）的量化信噪比 视频信号一般用信号的峰-峰值与量化噪声的均 方根之比表示量化信噪比：
S p p n 20 log( 2 3 2 ) 10.8 6n(dB) N ( s ) q
均匀量化时量化比特数与量化信噪比的关系
n(bit) 量化信噪比 5 41dB 6 47dB 7 53dB 8 59dB 9 65dB 10 71dB
4 、4：1：1格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取样 频率的四分之一，即：
fc r fcb
1 fy 3.375MHz 4 fc r : fcb : fy 4 : 1 : 1
色差信号Cr和Cb在水平方向取样点数为Y的四 分之一，而在垂直方向的取样点数与Y相同。 也不属于CCIR601建议中的演播室编码参数规 范。
课程介绍
绪论 第1章 电视传像基础
电视原理
第2章 三基色原理和计色系统 第3章 彩色电视摄像原理 第4章 彩色电视信号 第5章 电视图像的显示
第6章 电视信号数字化基础
第6章 电视信号数字化基础
第一节 概述 第二节 电视信号数字化参数的选择
第一节 概述
一、模拟电视的不足 1. 亮度、色度分解力不足 2. 亮色互串 3. 亮色增益差和亮色延时差 4. 微分增益和微分相位 5. 电视信号时间利用率不充分 6. 电视信号幅度利用率不充分 7. 声音只有单声道 8. 不适合磁带节目多代复制
2 、量化级与电平的对应关系 8比特量化时，彩条信号三个分量的量化等级和 二进制码。为防止量化过载，不采取从0到255级的全 范围量化，而是在上下两端都留出了过载保护带。 其数字化表达式为： DY=INT[(219EY+16)×2n-8] DCB=INT[(224ECB+128)× 2n-8] DCR=INT[(224ECR+128)× 2n-8]
1982年国际无线电咨询委员会（CCIR）向各国推荐了 标准清晰度电视的数字分量编码参数方案，即著名的 CCIR601建议。各国都以这个建议作为本国的数字电视编码 参数标准。
2
三、取样结构
取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置， 数字电视中一般大都采用固定正交结构。 在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂 直方向取样点上下对齐排列。
（ a）固定正交结构
（ b）行交叉结构
fs n fH
有利于行、帧间信号处理。
四、取样频率 （1）满足取样定理，即取样频率应该大于亮度视频 带宽6MHz 的两倍。
f s 12MHz
（ 2）为了保证取样结构是正交的，要求行周期 TH必须是取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs 应等于行频fH的整数倍。
S max 1.76 6n(dB) Nq
七、电视信号的量化 1 、量化前归一化处理
因为： EY = 0.299 ER+0.587 EG+0.114 EB ER-Y = 0.701ER - 0.587 EG -0.114EB EB-Y = -0.299 ER - 0.587 EG + 0.886 EB
小结：
一、模拟信号数字化过程 二、数字分量编码方式 三、取样结构 四、取样频率 五、色度取样格式 六、量化 七、电视信号的量化 八、数码率的计算
E （ B-Y）
0 － 0.886 0.299 0.587 － 0.299 0.886 0
－ 0.587 － 0.587
5
亮度信号EY的动态取值在0～1之内， ER-Y信号的动态范围是±0.701， EB-Y信号的动态范围是±0.886。
0.5/0.701=0.713 0.5/0.886=0.564
3 、4：2：0格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取 样频率的二分之一，类似于4：2：2，但垂直方向 上色差信号被降采样：
色差信号Cr和Cb在水平方向上的取样点数为 亮度信号的一半，而在垂直方向的取样点数与Y相 同。这种格式主要用于标准清晰度数字电视 （SDTV）演播室中。
这种格式是信源压缩编码中常用的格式， MPEG-2也是以4：2：0格式为基础的。但不属于 CCIR601建议中的演播室编码参数规范。
音频 压缩 编码
………
数 字 接 收 机
用
第二节
电视信号数字化参数的选择
一、模拟信号数字化过程
模拟信号取样、量化、编码数字信号
01001010
+127 … +64 +32 0 -32 -64 … -128 +32767 … +512 +128 0 -128 -512 … -32768
0010101100011000
八、数码率的计算
以标清4：2：2取样标准为例 总数码率： 625/50或 525/60制式： 若采用 10bit量化 ， Y信号的数码率 为 n× fs=10bit× 13.5MHz=135Mbps， Cr信号的数码率 为 n× fs=10bit× 6.75MHz=67 . 5Mbps， Cb信号的数码率 为 n× fs=10bit× 6.75MHz=67 . 5Mbps， 总数码率为270Mbps。 若采用 8bit量化，总数码率为216Mbps
四、数字电视广播系统
数字演播室 数字摄像 数字录像 数字特技 数字音频 非线性编辑 动画制作 辅助数据 条件接收 音频 数据 流 视频 统 复 信 道 编 码 数字 调制 QPSK QAM COFDM
4 、拓宽了业务应用范围
数字电视经数据压缩后可在网上传输，实现资 源共享、视频点播、网络电视、手机电视等。
有效数码率： 625/50制式： 若采用 10bit量化 ， Y信号的有效数码率 为 一行的有效取样点数×一帧的有效行数×一个样点的bit数 ×每秒的帧数= 720× 576 × 10× 25= 103.68 Mbps Cr信号的有效数码率 为 51 . 84Mbps， Cb信号的有效数码率 为 51 . 84Mbps， 三个信号的有效数码率为207.36Mbps(总数码率为270Mbps)。 若采用 8bit量化，有效数码率为165.888 Mbps (总数码率为216Mbps) 。
现存数字电视广播系统
• 美国的ATSC－－ 96年 • 欧洲的DVB －－ 93～96年 • 日本的ISDB－－ 99年
1
三、数字电视技术的优势
1 、改善了视/音频质量 2 、提高节目制作和播出的质量和效率 3 、提高了传输效率
电视信号数字化后可以进行数据压缩， 使数据 量大为减少，加上采用先进的数字调制技术，可使 一个标准模拟电视频道（8MHz），传输4-6套标清 数字电视节目，大大提高频带的利用率。
6
说明： （ 1）只对视频信号进行均匀量化编码，消隐及同步信号 不进行传输； （ 2）量化电平都留有少量余量电平(Headroom)； （ 3）数字电平000～003和3FC～3FF为保护电平，保护 电平在视频信号数字化过程中是绝对不能出现的，其中 000和 3FF用于传送同步信息； （ 4） 8比特字的数字信号可以通过10比特字的数字设备 和数字通路，只要在8比特的最低位后加两位0即可，在 输出端再将两位0去掉，恢复8比特字数字信号；
六、量化 量化就是把幅度连续变化的信号变为幅度离散 的数字信号。 若在输入信号的动态范围A内进行均匀量化， 把它分为M＝2n个等级，量化间隔为 ΔA = A/M， 其中M称为量化等级数, n称为量化比特数。 量化过程不可避免地回引起量化误差。量化误 的范围为+ΔA/2～-ΔA/2。 可以看出：量化间隔ΔA越小，量化误差引起 的失真功率就越小。
fs m 2.25MHz
(4) 由于编码后的比特率是fs的倍数。从降低码率考 虑，显然fs 选得越低越接近2fm越好。
fs n fH
在CCIR 601建议中，m=6，亮度信号取样频率fs 为13.5 MHz。 对于625行/50场扫描格式的亮度信号来说，每行 的取样点数为 13.5 106 864 15625 对于525行/59.94场扫描格式的亮度信号来说，每 行的取样点数为 13.5 106 858 15734.265
13.5MHz=15625Hz × 864≈15734.264Hz × 858
五、色度取样格式
由于色差信号的带宽比亮度信号窄的多，所以在分量编码 时两个色差信号的取样频率可以降低，同时也要考虑到取样点 正交结构的要求。在数字电视中有以下几种取样格式。
1 、4：4：4格式
在 4： 4： 4格式中，色差信号Cr和 Cb的取样频率和亮度信 号取样频率相同，即
二、数字分量编码方式
1、数字复合编码
数字复合编码：指对模拟复合全电视信号进 行数字化处理后得到的数字视频信号。 取样频率的选择： 受副载波谐波影响、不同模拟制式影响。 取样频率不统一
2、数字分量编码：分别对三基色信号ER、EG、EB 或对分别亮度信号Y和色差信号EY、 ER-Y、EB-Y进行 数字化处理。
第三节 数字标清电视信号接口
第四节 数字高清晰度电视
二、数字电视的发展
第一个阶段为个别电视设备的数字化阶段。 如摄像机信号处理部分的数字化、电视制式转换器、 数字特技等等。 －－ 70年代开始 第二个阶段为全功能数字电视演播室阶段。 在数字演播室中，电视信号从摄像机输出到后期制 作完全是在数字环境下进行。 －－ 1982年开始 第三个阶段为数字视频广播阶段。 数字视频广播实现了数字电视信号的直接发射和 接收，完成了整个电视系统的数字化。 －－ 90年代中期开始
（ 3）为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频 率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。现行的 扫描格式主要有625行/50场和525行/59.94场两种，它 们的行频分别为15625Hz和15734.264Hz。这两个行频 的最小公倍数是2.25MHz，也就是说取样频率应是 2.25MHz的整数倍。即：
亮度y每个色差信号crcb864432858429编码方式线性pcm810bit量化视频信号电平与量化级之间的对应关系量化技术范围亮度y每个色差信号crcb以8bit量化为例0255共220量化级消隐电平对应量化级16峰值电平对应量化级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16oh模拟行同步前沿12幅度处基准点二数字分量电视信号接口的通用信号格式两种接口方式
3、量化误差对图像的影响 （ 2） 声音信号（双极性信号）量化信噪比 量化信噪比用信号功率与量化噪声功率之比表示： 如果 n过小，量化误差会对图像产生以下影响: 颗粒杂波：量化误差会在画面上产生颗粒状的细斑， 称为颗粒杂波。 伪轮廓失真: 相邻的两个量化电平相差很大，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，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。 边缘忙乱: 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，这种图 像失真称为边缘忙乱。 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。
fc r fcb fy 13.5MHz fc r : fcb : fy 4 : 4 : 4
一般在要求高质量的信号源的情况下采用这种格式。
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2 、4：2：2格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取 样频率的一半，即
fc r fcb
1 fy 6.75MHz 2 fc r : fcb : fy 4 : 2 : 2
ER
1.0 1.0 0 0 1.0 1.0 0 0
彩条
白 黄 青 绿 品 红 蓝 黑
EG
1.0 1.0 1.0 1.0 0 0 0 0
EB
1.0 0 1.0 0 1.0 0 1.0 0
EY
1.0 0.886 0.701 0.587 0.413 0.299 0.114 0
E（ R-Y）
0 0.114 － 0.701 0.587 0.701 － 0.114 0
在对 EY、 ER-Y、 EB-Y进行量化和编码前，为了将三个分量 归一化到相同的动态范围，还必须对ER-Y、 EB-Y进行归一化变 换和加偏置： ECR = 0.713E(R-Y ) ECB = 0.564E(B-Y) EY = 0.299 ER+0.587 EG+0.114 EB ECR = 0.713E(R-Y ) =0.500ER - 0.419 EG -0.081EB ECB = 0.564E(B-Y) =-0.169 ER - 0.331 EG + 0.500 EB
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1、视频信号（单极性信号）的量化信噪比 视频信号一般用信号的峰-峰值与量化噪声的均 方根之比表示量化信噪比：
S p p n 20 log( 2 3 2 ) 10.8 6n(dB) N ( s ) q
均匀量化时量化比特数与量化信噪比的关系
n(bit) 量化信噪比 5 41dB 6 47dB 7 53dB 8 59dB 9 65dB 10 71dB
4 、4：1：1格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取样 频率的四分之一，即：
fc r fcb
1 fy 3.375MHz 4 fc r : fcb : fy 4 : 1 : 1
色差信号Cr和Cb在水平方向取样点数为Y的四 分之一，而在垂直方向的取样点数与Y相同。 也不属于CCIR601建议中的演播室编码参数规 范。
课程介绍
绪论 第1章 电视传像基础
电视原理
第2章 三基色原理和计色系统 第3章 彩色电视摄像原理 第4章 彩色电视信号 第5章 电视图像的显示
第6章 电视信号数字化基础
第6章 电视信号数字化基础
第一节 概述 第二节 电视信号数字化参数的选择
第一节 概述
一、模拟电视的不足 1. 亮度、色度分解力不足 2. 亮色互串 3. 亮色增益差和亮色延时差 4. 微分增益和微分相位 5. 电视信号时间利用率不充分 6. 电视信号幅度利用率不充分 7. 声音只有单声道 8. 不适合磁带节目多代复制
2 、量化级与电平的对应关系 8比特量化时，彩条信号三个分量的量化等级和 二进制码。为防止量化过载，不采取从0到255级的全 范围量化，而是在上下两端都留出了过载保护带。 其数字化表达式为： DY=INT[(219EY+16)×2n-8] DCB=INT[(224ECB+128)× 2n-8] DCR=INT[(224ECR+128)× 2n-8]
1982年国际无线电咨询委员会（CCIR）向各国推荐了 标准清晰度电视的数字分量编码参数方案，即著名的 CCIR601建议。各国都以这个建议作为本国的数字电视编码 参数标准。
2
三、取样结构
取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置， 数字电视中一般大都采用固定正交结构。 在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂 直方向取样点上下对齐排列。
（ a）固定正交结构
（ b）行交叉结构
fs n fH
有利于行、帧间信号处理。
四、取样频率 （1）满足取样定理，即取样频率应该大于亮度视频 带宽6MHz 的两倍。
f s 12MHz
（ 2）为了保证取样结构是正交的，要求行周期 TH必须是取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs 应等于行频fH的整数倍。
S max 1.76 6n(dB) Nq
七、电视信号的量化 1 、量化前归一化处理
因为： EY = 0.299 ER+0.587 EG+0.114 EB ER-Y = 0.701ER - 0.587 EG -0.114EB EB-Y = -0.299 ER - 0.587 EG + 0.886 EB
小结：
一、模拟信号数字化过程 二、数字分量编码方式 三、取样结构 四、取样频率 五、色度取样格式 六、量化 七、电视信号的量化 八、数码率的计算
E （ B-Y）
0 － 0.886 0.299 0.587 － 0.299 0.886 0
－ 0.587 － 0.587
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亮度信号EY的动态取值在0～1之内， ER-Y信号的动态范围是±0.701， EB-Y信号的动态范围是±0.886。
0.5/0.701=0.713 0.5/0.886=0.564
3 、4：2：0格式 色差信号Cb和Cb的取样频率均为亮度信号取 样频率的二分之一，类似于4：2：2，但垂直方向 上色差信号被降采样：
色差信号Cr和Cb在水平方向上的取样点数为 亮度信号的一半，而在垂直方向的取样点数与Y相 同。这种格式主要用于标准清晰度数字电视 （SDTV）演播室中。
这种格式是信源压缩编码中常用的格式， MPEG-2也是以4：2：0格式为基础的。但不属于 CCIR601建议中的演播室编码参数规范。
音频 压缩 编码
………
数 字 接 收 机
用
第二节
电视信号数字化参数的选择
一、模拟信号数字化过程
模拟信号取样、量化、编码数字信号
01001010
+127 … +64 +32 0 -32 -64 … -128 +32767 … +512 +128 0 -128 -512 … -32768
0010101100011000
八、数码率的计算
以标清4：2：2取样标准为例 总数码率： 625/50或 525/60制式： 若采用 10bit量化 ， Y信号的数码率 为 n× fs=10bit× 13.5MHz=135Mbps， Cr信号的数码率 为 n× fs=10bit× 6.75MHz=67 . 5Mbps， Cb信号的数码率 为 n× fs=10bit× 6.75MHz=67 . 5Mbps， 总数码率为270Mbps。 若采用 8bit量化，总数码率为216Mbps
四、数字电视广播系统
数字演播室 数字摄像 数字录像 数字特技 数字音频 非线性编辑 动画制作 辅助数据 条件接收 音频 数据 流 视频 统 复 信 道 编 码 数字 调制 QPSK QAM COFDM
4 、拓宽了业务应用范围
数字电视经数据压缩后可在网上传输，实现资 源共享、视频点播、网络电视、手机电视等。
有效数码率： 625/50制式： 若采用 10bit量化 ， Y信号的有效数码率 为 一行的有效取样点数×一帧的有效行数×一个样点的bit数 ×每秒的帧数= 720× 576 × 10× 25= 103.68 Mbps Cr信号的有效数码率 为 51 . 84Mbps， Cb信号的有效数码率 为 51 . 84Mbps， 三个信号的有效数码率为207.36Mbps(总数码率为270Mbps)。 若采用 8bit量化，有效数码率为165.888 Mbps (总数码率为216Mbps) 。
现存数字电视广播系统
• 美国的ATSC－－ 96年 • 欧洲的DVB －－ 93～96年 • 日本的ISDB－－ 99年
1
三、数字电视技术的优势
1 、改善了视/音频质量 2 、提高节目制作和播出的质量和效率 3 、提高了传输效率
电视信号数字化后可以进行数据压缩， 使数据 量大为减少，加上采用先进的数字调制技术，可使 一个标准模拟电视频道（8MHz），传输4-6套标清 数字电视节目，大大提高频带的利用率。