第10章彩色数字电视基础12
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第10章彩色数字电视基础 12
22020/10/9
10.1 彩色电视制式
• 10.1.1 简介
– 现行的三种彩色电视制式：
• NTSC (National Television Systems Committee) 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。
• 10.2.1 复合电视信号
– 复合电视信号(composite video signal)
• 或者称为全电视信号，包含亮度信号、色差信号和 所有定时信号的单一信号。
52020/10/9
图10-04 一个行周期的黑白全电视信号
62020/10/9
图10-05 彩色电视系统的水平消隐间隔
72020/10/9
– 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。
– 存在相位敏感造成彩色失真的缺点。
• PAL(Phase-Alternative Line)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。 – 改进了NTSC在相位敏感造成彩色失真的缺点。
32020/10/9
• SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色 电视广播标准
– 法国制定，称为顺序传送彩色与存储制。 – 法国、前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。
• “兼Fra Baidu bibliotek”有两层意思：
– 黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像； – 彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像，也叫逆
2.35 27.3 25H
5 5
NTSC 63.55 10.8
4.7 1.3 5.1 2.67
2.3 27.1 20H
6 6
SECAM 64.0 11.8 4.7 1.3 � �
2.35 27.3 25H
5 5
02020/10/9
表10-02 彩色电视国际标准
TV制式
行/帧 帧/秒(场/秒)
000/1001≈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-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值 等于240，最小值等于16。
52020/10/9
表10-05 CIF和QCIF图像格式参数
02020/10/9
• 10.3.2 数字化标准
– 1. 彩色空间之间的转换
– 2. 采样频率
• 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为
– fs=625×25×N=15625×N=13.5 MHz, 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=13.5 MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
4:4:4 Cr
13.5 858(720) 864(720)
Cb
13.5 858(720) 864(720)
数字信号取值
范围(A/D) 220级(16 ～235) 225级(16 ～240)
(128 ± 112) 220级(16 ～235) 225级(16 ～240)
(128 ± 112)
42020/10/9
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。
12020/10/9
• 7.4.4 4:1:1 YCbCr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
22020/10/9
• 7.4.5 4:2:0 YCbCr格式
– (1) H.261, H.263和MPEG-1
• 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。
42020/10/9
• 10.1.2 电视扫描和同步
(a) 逐行扫描
b) 隔行扫描
52020/10/9
– 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， 如图7-01(b)所示，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。
1.3(Ut) 1.3(Vt)
QAM 4.2
1.3(I) 0.6(Q)
SECAM
625 25(50) 15625 D6500
6.5
2.8 4250000(+U) 4406500(-V)
FM 6.0 >1.0(Ut) >1.0(Vt)
12020/10/9
– 全电视信号：
• 经过滤波器，可得到Y信号（虑掉ωsc频率的信号）
色度
信号电平 1V
0.3V
阻抗 -
75 ohms 75 ohms
92020/10/9
10.3 电视图像数字化
• 10.3.1 数字化的方法
– 先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后 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。
– 行扫描频率是15 625 Hz，周期为64μs； – 场扫描频率是50 Hz,周期为20 ms； – 帧频是25 Hz，是场频的一半，周期为40 ms。
72020/10/9
图10-02 一个行周期的电视信号(黑白电视系统 )
82020/10/9
– 2. NTSC制的扫描特性
• (1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) • (2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2
• 两个优点：
– (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。
82020/10/9
图10-06 S-Video连接器
表10-03 S-Video工业标准4针连接器规格
插座号 1 2 3 4
信号 地(亮度) 地(色度) 亮度(包含同步信号)
– 5. CIF、QCIF和SQCIF
• CIF (Common Intermediate Format)特性：
– (1) 电视图像的空间分辨率为家用录象系统(Video Home System， VHS)的分辨率，即352×288。
– (2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 – (3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30
兼容性。
• 彩色电视系统应满足几方面的要求：
– (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。
CIF
QCIF
SQCIF
行数/帧 像素/行 行数/帧 像素/行 行数/帧 像素/行
亮度(Y) 288 360(352 144 180(176 96
128
)
)
色度
144 180(176 72 90(88) 48
64
(Cb)
)
色度
144 180(176 72 90(88) 48
64
62020/10/9
10.4 图像子采样
• 7.4.1 图像子采样概要
– 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。
– 图像子采样(subsampling)：
• 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。
• 乘上sinωsct •则
22020/10/9
∵ U的带宽在1.3MHz以内 副载波频率的二次谐波大于这个信号
∴ 通过低通滤波器可以得到 U 信号。
同理
可得到 V 信号。
32020/10/9
• 10.1.3 彩色电视
10-03 彩色图像重现过程
42020/10/9
10.2 彩色电视信号的类型
• (1) 4:4:4 • (2) 4:2:2 • (3) 4:1:1 • (4) 4:2:0
82020/10/9
图10-09 彩色图像YCbCr样本空间位置
92020/10/9
• 7.4.2 4:4:4 YCbCr格式
对每个采样点，Y, Cb和Cr各取一个样本
02020/10/9
• 7.4.3 4:2:2 YCbCr格式
– 行频、场频和帧频：
• 行频fH：每秒钟扫描多少行； • 场频ff：每秒钟扫描多少场； • 帧频fF：每秒扫描多少帧。
– 1. PAL制电视的扫描特性
• (1) 625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) • (2) 高宽比(aspect ratio)：4:3 • (3) 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 • (4) 颜色模型：YUV • 一帧图像的总行数为625，分两场扫描。
32020/10/9
– 4. ITU-R BT.601标准摘要
采样格式 信号形式 采样频率 样本数/扫描行
(MHz) NTSC
PAL
Y
13.5 858(720) 864(720)
4:2:2 Cr
6.75 429(360) 432(360)
Cb
6.75 429(360) 432(360)
Y
13.5 858(720) 864(720)
行/秒 参考白光 声音载频(MHz)
γ 彩色副载频(Hz)
PAL GI D
625 25(50) 15 625
C白 5.5 6.0 6.5
2.8 4 433 618
NTSC M 525
30(60) 15734 D6500
4.5
2.2 3579545
彩色调制 亮度带宽(MHz) 色度带宽(MHz)
QAM 5.0 5.5
• 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。
– 3. SECAM
92020/10/9
表10-01 彩色电视的同步信号
水 平 定 时 (μs )
垂直 (场) 同步
TV制式 行周期(H) 消隐宽度 同步宽度
前肩 色同步起点 色同步宽度
均衡脉冲宽度 场同步脉冲宽度
消隐宽度 均衡脉冲数 场同步脉冲数
PAL 64.0 11.8 4.7 1.3 5.6 2.25
• 隔行扫描（优越性？）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。因此在隔行扫描中，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。
• 扫描的行数必须是奇数。???
62020/10/9
12020/10/9
图10-07 采样频率
22020/10/9
– 3. 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。
图10-08 ITU-R BT.601的亮度采样结构
• 10.2.2 分量电视信号
– 分量电视信号(component video signal)
• 是指每个基色分量作为独立的电视信号
• 10.2.3 S-Video信号
– 分离电视信号S-Video(Separated videoVHS)
• 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。
；高清晰度电视为16:9) ？？？？ • (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。Laser disc约~420线，SVHS约~320线 ，HDTV：720，1080 • (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
72020/10/9
– 图像子采样压缩方法的基本根据：
• 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。
– 目前使用的子采样格式有如下几种：
22020/10/9
10.1 彩色电视制式
• 10.1.1 简介
– 现行的三种彩色电视制式：
• NTSC (National Television Systems Committee) 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。
• 10.2.1 复合电视信号
– 复合电视信号(composite video signal)
• 或者称为全电视信号，包含亮度信号、色差信号和 所有定时信号的单一信号。
52020/10/9
图10-04 一个行周期的黑白全电视信号
62020/10/9
图10-05 彩色电视系统的水平消隐间隔
72020/10/9
– 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。
– 存在相位敏感造成彩色失真的缺点。
• PAL(Phase-Alternative Line)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。 – 改进了NTSC在相位敏感造成彩色失真的缺点。
32020/10/9
• SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色 电视广播标准
– 法国制定，称为顺序传送彩色与存储制。 – 法国、前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。
• “兼Fra Baidu bibliotek”有两层意思：
– 黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像； – 彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像，也叫逆
2.35 27.3 25H
5 5
NTSC 63.55 10.8
4.7 1.3 5.1 2.67
2.3 27.1 20H
6 6
SECAM 64.0 11.8 4.7 1.3 � �
2.35 27.3 25H
5 5
02020/10/9
表10-02 彩色电视国际标准
TV制式
行/帧 帧/秒(场/秒)
000/1001≈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-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值 等于240，最小值等于16。
52020/10/9
表10-05 CIF和QCIF图像格式参数
02020/10/9
• 10.3.2 数字化标准
– 1. 彩色空间之间的转换
– 2. 采样频率
• 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为
– fs=625×25×N=15625×N=13.5 MHz, 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=13.5 MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
4:4:4 Cr
13.5 858(720) 864(720)
Cb
13.5 858(720) 864(720)
数字信号取值
范围(A/D) 220级(16 ～235) 225级(16 ～240)
(128 ± 112) 220级(16 ～235) 225级(16 ～240)
(128 ± 112)
42020/10/9
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。
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• 7.4.4 4:1:1 YCbCr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
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• 7.4.5 4:2:0 YCbCr格式
– (1) H.261, H.263和MPEG-1
• 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。
42020/10/9
• 10.1.2 电视扫描和同步
(a) 逐行扫描
b) 隔行扫描
52020/10/9
– 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， 如图7-01(b)所示，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。
1.3(Ut) 1.3(Vt)
QAM 4.2
1.3(I) 0.6(Q)
SECAM
625 25(50) 15625 D6500
6.5
2.8 4250000(+U) 4406500(-V)
FM 6.0 >1.0(Ut) >1.0(Vt)
12020/10/9
– 全电视信号：
• 经过滤波器，可得到Y信号（虑掉ωsc频率的信号）
色度
信号电平 1V
0.3V
阻抗 -
75 ohms 75 ohms
92020/10/9
10.3 电视图像数字化
• 10.3.1 数字化的方法
– 先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后 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。
– 行扫描频率是15 625 Hz，周期为64μs； – 场扫描频率是50 Hz,周期为20 ms； – 帧频是25 Hz，是场频的一半，周期为40 ms。
72020/10/9
图10-02 一个行周期的电视信号(黑白电视系统 )
82020/10/9
– 2. NTSC制的扫描特性
• (1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) • (2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2
• 两个优点：
– (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。
82020/10/9
图10-06 S-Video连接器
表10-03 S-Video工业标准4针连接器规格
插座号 1 2 3 4
信号 地(亮度) 地(色度) 亮度(包含同步信号)
– 5. CIF、QCIF和SQCIF
• CIF (Common Intermediate Format)特性：
– (1) 电视图像的空间分辨率为家用录象系统(Video Home System， VHS)的分辨率，即352×288。
– (2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 – (3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30
兼容性。
• 彩色电视系统应满足几方面的要求：
– (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。
CIF
QCIF
SQCIF
行数/帧 像素/行 行数/帧 像素/行 行数/帧 像素/行
亮度(Y) 288 360(352 144 180(176 96
128
)
)
色度
144 180(176 72 90(88) 48
64
(Cb)
)
色度
144 180(176 72 90(88) 48
64
62020/10/9
10.4 图像子采样
• 7.4.1 图像子采样概要
– 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。
– 图像子采样(subsampling)：
• 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。
• 乘上sinωsct •则
22020/10/9
∵ U的带宽在1.3MHz以内 副载波频率的二次谐波大于这个信号
∴ 通过低通滤波器可以得到 U 信号。
同理
可得到 V 信号。
32020/10/9
• 10.1.3 彩色电视
10-03 彩色图像重现过程
42020/10/9
10.2 彩色电视信号的类型
• (1) 4:4:4 • (2) 4:2:2 • (3) 4:1:1 • (4) 4:2:0
82020/10/9
图10-09 彩色图像YCbCr样本空间位置
92020/10/9
• 7.4.2 4:4:4 YCbCr格式
对每个采样点，Y, Cb和Cr各取一个样本
02020/10/9
• 7.4.3 4:2:2 YCbCr格式
– 行频、场频和帧频：
• 行频fH：每秒钟扫描多少行； • 场频ff：每秒钟扫描多少场； • 帧频fF：每秒扫描多少帧。
– 1. PAL制电视的扫描特性
• (1) 625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) • (2) 高宽比(aspect ratio)：4:3 • (3) 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 • (4) 颜色模型：YUV • 一帧图像的总行数为625，分两场扫描。
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– 4. ITU-R BT.601标准摘要
采样格式 信号形式 采样频率 样本数/扫描行
(MHz) NTSC
PAL
Y
13.5 858(720) 864(720)
4:2:2 Cr
6.75 429(360) 432(360)
Cb
6.75 429(360) 432(360)
Y
13.5 858(720) 864(720)
行/秒 参考白光 声音载频(MHz)
γ 彩色副载频(Hz)
PAL GI D
625 25(50) 15 625
C白 5.5 6.0 6.5
2.8 4 433 618
NTSC M 525
30(60) 15734 D6500
4.5
2.2 3579545
彩色调制 亮度带宽(MHz) 色度带宽(MHz)
QAM 5.0 5.5
• 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。
– 3. SECAM
92020/10/9
表10-01 彩色电视的同步信号
水 平 定 时 (μs )
垂直 (场) 同步
TV制式 行周期(H) 消隐宽度 同步宽度
前肩 色同步起点 色同步宽度
均衡脉冲宽度 场同步脉冲宽度
消隐宽度 均衡脉冲数 场同步脉冲数
PAL 64.0 11.8 4.7 1.3 5.6 2.25
• 隔行扫描（优越性？）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。因此在隔行扫描中，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。
• 扫描的行数必须是奇数。???
62020/10/9
12020/10/9
图10-07 采样频率
22020/10/9
– 3. 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。
图10-08 ITU-R BT.601的亮度采样结构
• 10.2.2 分量电视信号
– 分量电视信号(component video signal)
• 是指每个基色分量作为独立的电视信号
• 10.2.3 S-Video信号
– 分离电视信号S-Video(Separated videoVHS)
• 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。
；高清晰度电视为16:9) ？？？？ • (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。Laser disc约~420线，SVHS约~320线 ，HDTV：720，1080 • (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
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– 图像子采样压缩方法的基本根据：
• 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。
– 目前使用的子采样格式有如下几种：