高清电视

高清晰度电视的技术现状与市场发展
2004-7-15 9:14:00 中国报告大厅市场研究报告网[打印本页] [推荐给朋友]
【报告名称】: 高清晰度电视的技术现状与市场发展
【关键字】: 电视
【报告来源】: 家庭影院技术
〖报告内容〗
自上一世纪20年代电视问世以来，这一伟大发明给人们的生活、娱乐、工作和学习带来了无可估量的作用。

从早期的黑白电视到上世纪六十年代彩电问世，到数字电视和高清晰度电视的诞生，无一不引起人们的极大关注和带来播放、家电产品的革命。

电视对于当今世界的任何国家来说，都是最重要的消费电子产品，它已经不仅仅是一种电子产品，而是成为了改变人们生活方式的工具。

据国家统计局统计，目前我国的电视机社会保有量约3.5亿台，而且仍在不断增长之中，由于全世界没有一个统一的电视制式标准，加上视频处理方式千差万别，技术性很强，因此对于一般用户而言，尽管人们每天都与电视和影视产品打交道，但对很多相关的技术概念和影视产品的原理、性能，如NTSC/PAL等电视制式、分辨率、清晰度、逐行扫描等还不很清楚，面对五彩缤纷的彩电和显示类产品，以及厂家天花乱坠的高调宣传广告，购买时往往无从入手。

21世纪是数字化的信息时代，数字电视和高清晰度电视（HDTV）成为人们关注的焦点，国内市场上的电视产品也纷纷打数字电视和高清电视牌来吸引消费者，尤其是最近闹得沸沸扬扬的高清电视概念，风头一时无两。

事实上，美国已从2002年开始在所有商业电视台播放数字电视节目，计划到2006年5月结束所有的模拟电视广播，全面被数字信号取代。

美国四大广播公司的23个直属和附属电视台均已开始在黄金时段播出HDTV节目，日本继模拟MUSE制式的高清Hi-Vision节目之后，已经开通BS-hi的数字高清电视业务。

而中国继中央电视台1999年国庆阅兵式在44频道试播高清晰度电视节目之后，在2000年深圳高交会期间，首次采用自主研制的四种DTV制式第天试播12小时，HDTV的产业化已提上日程，国家计委选定了北京、上海和深圳三个城市进行HDTV研发和产业化试点。

所有这些迹象均表明：HDTV正在代替传统的模拟电视走入家庭。

然而，HDTV的开播和产业化，首当其冲就是制定标准。

电视标准不仅涉衣到节目播送的技术问题，还关系到整机的生产和利润分配等市场问题，目前欧、美、日等主要工业国在数字电视传输制上仍存在分岐，我国的高清晰度电视标准也还未最终敲定，虽然这些因素并不能阻挡高HDTV 的发展大潮，但毕竟给市场和消费者造成不小的困惑。

究竟目前国内市场上涌现的各种数字电视和高清电视与HDTV是不是同一个概念？HDTV到底能给观众带来什么？
本期的热点聚焦试图从彩色数字电视的分辨率、清晰度、制式和标准等基本问题谈起，让大家对电视技术和图像质量的关系作一个简单而全面的了解，可以看到目前彩电市场上所谓数字电视，其实并非真正意义上的数字电视，只不过是在传统电视机的电路中采用了多种数字化处理技术，如：数码100扫描技术、3D/5D数字化图像处理技术、I2C数字总线技术、数字画中画技术、NICAM数字伴音技术、逐行扫描等，市场上的高清电视也不等于就是HDTV，真正的HDTV是从电视节目制作、发送、传输到接收的全过程均采用数字电视技术。

一、电视的基本原理概述
1、人的视觉特性和彩色电视图像的空间变换
要谈彩色电视的标准和清晰度，首先得从人的视觉特性谈起。

人们获取信息的70%来自视觉系统，颜色是视觉系统对可见光的感知结果。

人眼对不同频率的红（R）绿（G）蓝（B）光的感知度不同，例如对蓝光的感知度最弱，只有0.1左右，对绿光的感知度最强，约为0.6。

人眼对亮度的感知度较大，为0.8左右。

通常，我们看到的光不是一种波长的光，而是许多不同波长的光的组合。

自然界中的任何一种颜色都可用这三种基本颜色按不同的比例混合得到，它们构成一个三维的RGB矢量空间。

某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述：
颜色=R（红色的百分比）+G（绿色的百分比）+B（蓝色的百分比）
例如，电视机和计算机的显示器的阴极射线管（CRT），就是使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色的。

一幅彩色图像可以看成由许多点组合，这些点称为像素。

电视画面也是分解成许许多多细小单元（像素）加以传输。

在接收端，像素按行和列排列构成电视画面。

由于每个像素反映的阴暗和色彩不一，人眼分辨细节的能力又有限，因此在人们面前就呈现出一幅幅明暗有别、色彩分明的完整图像。

如前所述，由于人眼对红绿蓝光和亮度的感知度不同，利用人眼的这一特性，可降低电视图像传输所需要的容量。

人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。

若把人眼刚能分辨出的黑白相间的条纹换成不同颜色的彩色条纹，那么眼睛就不再能分辨出这些条纹来。

由于这个原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明显影响图像的质量，也就是可以把几个相邻像素不同的彩色值当作一个相同的彩色值来处理（见图1）。

为了将彩色图像按亮度和颜色分别处理，就要把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。

目前采用的彩色空间变换有三种：YIQ、YUV和YCrCb。

每种变换使用的参数是为了适应某种类型的显示设备。

例如，YIQ用于NTSC彩色电视制式，YUV用于PAL制和SECAM彩色电视制式，而YCrCb用于计算机用的显示器。

在YUV模型中，Y表示亮度，U、V是构成彩色的两个分量。

考虑人的视觉系统和阴极射线管的非线性特性，YUV和RGB的对应关系可以近似地用下面的式子来表示：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
U=-0.147R-0.289G+0.436B
V=0.615R-0.515T-0.100B；
用YUV或YIQ模型来表示彩色图像的优点是亮度信号Y和色差信号UV（或IQ）是相互独立的，可对Y，U和V三种图像进行单独编辑和编码。

同时，由于亮度（灰度）信号是独立传输的，我们使用的黑白电视机也能够接受彩色电视信号。

在电视和计算机工业中，由于彩色显像管使用红、绿、蓝这三种磷光材料发光合成彩色，这就需要把用YUV或YIQ表示的图像信号转换成用RGB表示的图像信号才能显示。

现在人们已经开发了一套标准转换表，用来表示在这几种彩色空间中颜色值的对应关系。

2、图像分辨率和显示分辨率
既然图像可以看成由许多像素组成，一幅图像包含的像素越多，图像的清晰度也就越高。

图像像素的多少也称为分辨率。

分辨率有两种：图像分辨率和显示分辨率。

（1）图像分辨率
图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。

对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。

相反，图像显得越粗糙。

在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点（DIP）表示，如果用300DIP来扫描一幅8＂×10＂的彩色图像，就职得到一幅2400×3000个像素的图像。

像素深度是存储每个像素所用的位数，像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者是灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。

如果像素深度太浅，也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然。

（2）显示分辨率
显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。

例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。

屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。

在计算机上，显示分辨率可人为设定。

显示屏上的每个彩色像点由代表R、G、B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。

计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩膜和所涂的荧光物不同。

孔眼之间的距离称为点距。

因此常用点距来衡量一个显示屏的分辨率。

普通电视机用的CRT的分辨率为0.76mm，而标准SVGA显示器的分辨为为0.28mm。

孔眼越小，分辨率就越高。

目前已有点距为0.19mm。

图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。

图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而在某一显示分辨率下，可确定显示图像的区域大小。

例如显示屏的分辨率为640×480，那么一幅320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一幅完整的画面。

3、电视制式及清晰度
目前世界上流行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。

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。

PAL称为逐行倒相正交平衡调幅制，是1962年德国制定的彩色电视广播标准，中国使用这种制式。

SECAM为法国制定的彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与
存储制。

这三种电视制式都是兼容制制式。

我国使用PAL彩色电视制式规定，一帧图像的总行数为625，隔行扫描。

行扫描频率是15625Hz，周期为64μs；场扫描频率是50Hz，帧帧是25Hz。

在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是52.2μs，其余的11.8μs是行扫描的逆程时间，不传送图像，每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回归，不传送图像，因此每帧只有575行有图像。

颜色模型采用YUV。

决定电视的清晰度的重要参数是场频率和视频系统的频带宽度。

最大垂直清晰度由垂直扫描总行数所决定。

由于隔行扫描会造成局部的并行，所以实际的垂直清晰度还要把有效扫描行数乘以一个Kell系数。

在2:1隔行扫描方式中，Kell系数为0.7，即垂直清晰度为电视有效行数的0.7倍。

水平清晰度定义为图像上可以分清的垂直线条数。

水平清晰度与图像传感器的像素数和视频系统的频带宽度有直接关系。

理论上，水平清晰度和垂直清晰度应采用统一的度量标准，所以当屏幕上的水平线条间隔和垂直线条间隔相同时，图像的垂直清晰度和水平清晰度应该是一样的。

图像的宽高比系数大于1，所以，图像的水平清晰度线数应该是图像上实际能分清的黑白垂直条数除以宽高比系数。

电视的水平清晰度的计算公式为：
水平清晰度TVL/PH=有效行时间（μs）×2×频带宽度（MHz）÷宽高比系数
按我国GB3174-82彩色电视标准，一帧电视画面由625行扫描线组成，也就是共有625条像素行，电视画面的宽高之比是4:3，由此可计算出每行应有833个像素。

实际上，每帧图像的有效行数为575行，因此我国现行电视标准的垂直清晰度为575×0.7=403TVL/PH。

应该指出的是，电视的垂直清晰度是由电视制式决定的，与电视信号的传输和视频带宽无关。

我国电视标准规定行周期为64μs，有效行时间为52.2μs，标称视频带宽为6MHz，所以我国现行电视标准的水平清晰度为：
水平清晰度（SDTV）=52（μs）×2×6（MHz）÷（4/3）=468TVL/PH。

应该指出的是，电视图像的清晰度指的是黑白亮度（灰度）的分辨率，因为图像彩色分量的分辨率与图像扫描的格式有关，往往低于亮度的分辨率。

4、彩色电视图像数字化标准
由于技术上的原因，早期电视技术一直沿着模拟信号处理技术的方向发展，直到世纪70年代才开始开发数字电视。

数字电视系统都用彩色分量来表示图像数据。

如：RGB、YIQ 和YCrCb。

故又称为“分量数字化电视”。

早在上世纪80年代，国际无线电咨询委员会（CCIR）就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准，现改为ITU-R BT.601标准。

该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两个彩色空间之间的转换关系等。

1）CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。

PAL制、SECAM制：
采样频率为：fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz，N=864
NTSC制：
采样频率为：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。

2）对彩色空间之间的转换，在数字域中，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Cr=（0.500R-0.4187G-0.0813B）+128
Cb=（-0.1687R-0.3313G+0.500B）+128
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。

4）数字电视的数据库
模拟电视信号经过采样和量化之后，数字电视信号的数据量大得惊人，因此要对数字电视信号进行压缩。

CCIR在PAL、NTSC和SECAM彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数，推荐使用4:2:2的采样格式（图2），亮度信号Y的采样频率选择为13.5MHz，而色差信号Cr和Cb的采样频率选择6.75MHz/s，在传输数字电视信号通道上的数据传输率为270Mb/s（兆比特/秒），即
亮度（Y）：
858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本=135兆比特/秒（NTSC）
864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本=135兆比特/秒（PAL）
Cr和Cb：
429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本=68兆比特/秒（NTSC）
429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本=68兆比特/秒（PAL）
总计：
（13.5+6.8+6.8）兆样本/秒×10比特/样本=271兆比特/秒（见图2）
有关彩色电视图像数字化处理的另一个标准是MPEG标准：
MPEG（运动图像专家组）成立于1988年，是ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工技术委员会）的工作组，负责开发影视图像、声音的处理、压缩、解压缩、编码和它们的组合标准。

到目前为止，已经开发的标准有：
MPEG-1：低档数字电视压缩标准，1992发布。

MPEG-1处理的是标准图像交换格式，压缩的输出速率定义在1.5Mb/s。

MPEG-2：数字电视压缩标准，已于1994年发布，它是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。

例如，增加了隔行扫描电视的编码并提供缩放性功能。

目标位速率是4-9M/s，最高达15Mb/s。

MPEG-3：已于1992年7月合并到HTDV工作组
MPEG-1和MPEG-2标准已经得到广泛应用。

例如应用于CD-交互系统、在网络上的数字声音广播、数字电视广播和影视点播、VCD和DVD的压缩存储及数字电视标准上。

二、数字电视不等于高清晰度电视
1、什么是数字电视
1998年9月23日，英国广播公司（BBC）在世界上首先开播了商业化数字电视节目，被世界上许多有影响的媒体列为当年的十大新闻之一，它被视为电视发展史上继彩色电视之后的又一场重大革命。

高清晰度数字电视是数字信号处理、大规模集成电路制造、计算机等领域的多项高科技成果的结晶，是继黑白电视、彩色电视之后第三代电视。

数字电视概念的含义不仅是指我们一般人家中的电视接收机，而是包含了从发送、传输到接收的全过程。

由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过空中无线方式或电缆有线方式传送，由数字电视接收机接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。

因此，数字电视就是在电视台播出节目和电视机接收节目全过程都采用数字技术进行处理的电视。

它与目前的模拟电视系统在传输方式上是完全不同的。

电视节目从摄制、编辑、播送、传输、接收到显示的全过程均采用全数字化的技术处理，因此，信号在整个过程中的损失大大减小，接收到的电视节目质量可以达到与演播现场一样的水平。

2、数字电视的好处
电视信号数字化的好处在于：
（1）图像清晰度好，音频质量高，支持5.1声道的数字环绕声节目源。

模拟信号的品质下降是积累的，且很难从视频信号中除去噪声、干扰；而数字信号可通过精确的再生过程重建原始信号，可以采用纠错编码技术提高电视机的抗噪声、抗干扰能力；同等传输条件下的抗干扰能力明显优于模拟电视。

（2）传输效率高。

通过数据压缩编码技术，一个频带内可实现多路、多套节目的同时传输。

例如VCD的图像和声音都是经数字技术压缩的，它的带宽为1.5MHz，在PAL制6MHz视频带宽内可安排4套VCD节目；进行地面方式发送时，原PAL信道可播放高清晰度电视HDTV或四套标准格式数字电视SDTV，有线电视网中的一个PAL通道可播8~10套标准清晰度数字电视SDTV。

在数字传输系统中整个系统设计使用先进的信道编码和调制方法，达到适于该信道的最高码率。

大大提高了电视信道的利用率。

（3）数字电路成本低、无需调整、调谐，所以生产成本降低，维修也较容易。

（4）提供全新的多业务用途。

易于和日渐普及的计算机接口，把计算机作为图像信号源或利用计算机对彩色电视信号进行处理。

普通的模拟电视只能是电视台按预定的节目表播放节目，用户只能被动地接收。

数字电视网与电信网及计算机网相结合，实现三网合一，不仅使信息源更为丰富，还可增加用户与各种信息提供源之间的交互性，实现用户自由点播节目自由选取网上的各种信息，可提供多种数据业务服务。

例如，家长可对电视节目选择设定密码，以防止未成年人收看限制级节目；定制个性化的个人电视节目服务等。

3、数字电视的技术标准
数字电视的传输途径可分为三种：数字卫星电视、数字有线电视和数字地面开路电视。

这三种数字电视的信源编码方式相同，都是MPEG-2的复用数据包，但由于它们的传输途径不同，它们的信道编码也采用了不同的调制方式。

现在国际上的数字电视存在三种标准，第一种是美国的ATSC标准，第二种是欧洲的DVB 标准，第三种是日本的ISDB标准。

（1）ATSC标准
美国高清晰度数字电视联盟（ATSC）是由国内外一百多个电视技术公司组成的，其主要业务之一是制订包括数字式高清晰度电视（HDTV）在内的先进电视系统的技术标准。

1996年12月24日，美国联邦通信委员会（FCC）正式采纳了ATSC数字电视标准（A/53）的主要要素作为美国数字电视的标准。

ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。

最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。

接着是图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准，再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准。

最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。

对于地面广播系统，采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mb/Sr 传输速率。

该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16-VSB传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mb/s的传输速率。

下面两层共同承担普通数据的传输。

上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV；还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种（HDTV 6种、SDTV 12种），其中14种采用逐行扫描方式。

尽管ATSC DTV标准包含16-VSB传输模式，但美国有线电视业实际上是采用相近但不相同的标准，因为其在ATSC DTV标准被FCC通过之前已在有线电视数字化方面投入了大量的资金。

作为ATSC的重要成员，有线电视通信工程协会已采纳数字有线电视系统标准，此标准协调了美国有线电视业现行标准和ATSC DTV标准。

另外，有线电视标准包括反映现行标准的一级图像格式、ATSC SDTV图像格式，并设定了一套可供有线电视业用于后兼容电视上的二级图像格式。

二级图像格式与ATSC DTV格式相同，包括HDTV和SDTV。

2）DVB标准
1995年，欧洲150个组织合作开发数字视频广播（DVB）项目，并成立了DVB联盟。

DVB联盟是一个由30多个国家的230多个成员组成的国际机构。

该机构的首要目标是在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。

DVB联盟共同制定了数字电视的DVB （Digital Video roadcast）标准。

这是一套有关电视广播系统大家庭诸多要素的统一标准，其中最引人瞩目的是DVB数字卫星和有线电视传输系统的标准。

这些标准已作为世界统一的标准被大多数国家接受，包括中国。

它较其他标准的优点是灵活可扩充和移动通信的优势。

DVB标准规定数字电视系统使用统一的MPEG-2压缩方法和MPEG-2传输流及复用方法。

统一的服务信息系统提供广播节目的细节信息、统一的R-S纠错码、统一的加扰系统和条件接收公共接口。

允许不同的厂商选用不同的条件接收系统，对于不同的传输媒体，可采用不同的调制方法及通道编码纠错方法。

目前，DVB已有多个标准，它们分别是：
DVB-S：
用于卫星直播电视。

它采用QPSK调制，使用MPEG-2格式，用户端达到CCIR601演播室质量的码率为9Mbps，达到PAL质量的码率为5Mbps。

一个54MHz转发器传送速率可达68Mbps，并可供多套节目复用。

DVB标准公布之后，几乎所有的卫星直播数字电视均采用DVB-S标准，包括美国的Echostar等。

我国各省的卫星电视台均选用了DVB-S标准。

DVB-C：
用于有线电视系统。

它具有16、32、64QAM三种方式，采用64QAM调制时，一个PAL 通道的传送码率为41.3Mbps，还可供多套节目复用。

DVB的音频压缩方法可以有多种选择：立体声MUSICAM、多声道MUSICAM及AC-3等。

DVB-T：
用于地面开路数字电视系统。

DVB-T标准是1998年2月批准通过的。

第一个正式的开路数字电视系统于1998年初开始运营。

MPEG-2数字视音频压缩编码仍然是开路传输的核心。

采用COFDM调制方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。

数字地面电视（DVB-T）标准正在逐渐被世界各国所采用，目前已在欧洲的15个国家和澳大利亚、新西兰得到应用。

由于相对较低的基础设施费用投入和各国相对简单的标准协调问题，数字卫星电视（DVB-S）网、数字有线电视（DVB-C）网和数字开路电视（DVB-T）网先走一走，发展很快。

1997年以来，DVB标准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。

给整个电视行业带来深刻的影响。

（3）ISDB标准
ISDB是日本的DIBEG（Digital Broadcasting Experts Group数字广播专家组）制订的数字广播系统标准。

ISDB利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。

ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。

由于ISDB
是在ATSC和DVB之后进行开发的，故更多地考虑了数字广播新业务的特点，在音频编码、数据复用、时间频率调制等方面自行设计成专有体系。

ISDB-T和DVB-T非常类似，可以说是经修改的欧洲方案。

传输方案仍是COFDM，也分为2k和8k两种模式；使用的编码方式也与DVB-T相同。

因为日本电视射频带宽为6MHz，所以载波数、载波间隔有所差别。

1999年5月，日本向ITU-R提交了ISDB-T标准草案建议书，并被ITU-R接受未可供研究的第三种标准。

有关三种数字电视标准地面广播系统的差别见表1。

无论ATSC还是DVB，都采用MPGE-2Layer Ⅱ。

4、高清晰度电视的概念
CCIR（国际无线电咨询委员会）对HDTV系统的定义是：“当观看距离约为屏幕高度的3倍时，该系统能使显像的实际效果等于或接近于由视力正常的观众观看原始景物或表演时所取得的印象。

”。