数字电视信号参数的选择

采样（取样）定理
• 早在上个世纪40年代，科学家就证明在一定条件 下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数 （这是采样定理的基本内容）。采样定理看来象 是一个数学问题，而实质上它为数字化技术奠定 了一个基础。 • 为了保证数字化后的信号数据不丧失原信号的特 性，采样频率应大于或至少等于信号截止频率的2 倍。这就是著名的奈奎斯特(Nyquist)采样定理 • 对于二维图像信号，必须保证水平采样频率和垂 直采样频率应分别大于图像在水平和在垂直方向 上最高频率的2倍
• 为了制定一个全球统一的数字电视演播室 标准，国际无线电咨询委员会（CCIR）于 1982年通过了CCIR601号建议书，规定数 字演播室采用分量编码标准，并给出了具 体的参数规范 • 我国于1993年制定的国家标准 “GB/T14857-93演播室数字电视编码参数 规范”与CCIR601建议书标准完全兼容
讨论量化问题的目的
• 一个量化器只能取有限多个量化级，因此 量化过程不可避免的带来量化误差 • 我们在本课程中讨论量化问题的主要目的 有两个：第一是复习在前面课程中学习过 的量化的知识；第二是讨论各种量化方法 的量化误差，并了解量化误差对图像的影 响
均匀量化器
• 在输入信号的动态范围A内 进行均匀量化，每一量化间 隔∆A是相等的，共分为M级， 设M＝2n，则： A＝M× ∆A＝2n × ∆A 其中n称为量化比特数 • 量化间隔越小，量化比特数 越大，量化误差也越小 • 可以证明，在图像信号的均 匀量化中，量化比特数每增 加1比特，量化信噪比上升 6dB
数字电视信号参数的选择
• 数字电视是在模拟电视的基础上发展起来 的，数字电视设备要和模拟电视设备长期 共存，因此，在选择电视信号数字化参数 时要考虑到数字电视设备的兼容性问题， 使现存的模拟电视制式和数字电视能有最 大程度的共同性 • 电视信号的数字化处理有数字复合编码和 数字分量编码两种方式
电视信号的数字复合编码
量化噪声对图像的影响
• 颗粒杂波：由于在量化间隔范围内的信号都用某 一中间电平来表示，因此量化输出电平与原采样 值之间存在误差，这个误差在接收端重建的画面 上会产生颗粒状细斑，称为颗粒杂波 • 伪轮廓：如果量化较粗，在图像信号缓慢变化区， 在量化后变成阶梯式变化，重建图像上将出现等 高线状亮度失真即伪轮廓失真。一般量化比特数 大于6～7时，人眼不易察觉到伪轮廓失真 • 边缘忙乱：在图像亮度急剧变化区间，由于量化 误差会转换为图像边沿的位置误差，使得重建图 像左右轮廓出现晃动的锯齿状边沿。一般量化比 特数大于4～5时，边缘忙乱现象不易察觉
• 数字复合编码是将复合彩色全电视信号直接进行 数字化 • 复合编码的优点是码率低些，设备较简单，适用 于在模拟系统中插入单个数字设备的情况 • 采用复合编码时由抽样频率和副载频间的差拍造 成的干扰将影响图像的质量 • 它的缺点是由于数字电视的抽样频率必须与彩色 副载频保持一定的关系，而各种制式的副载频各 不相同，难以统一
数字分量编码的硬件接口方式
• 为方便不同数字视频设备之间的相互连接， 采用串行和并行两种接口方式 • 并行方式将8比特或10比特视频信号字同时 传送，使用多心电缆 • 串行方式将视频信号字通过单一芯线顺序 传输，使用75欧同轴电缆
4：2：2数字分量编码信号的 时分复用传输格式
• 4：2：2格式在传输每帧内的图像信息时， 按照以下次序时分复用： Cb1Y1Cr1,Y2, Cb2Y3Cr2,Y4,…… Cb360Y719Cr360,Y720 • 以上次序每一行都一样，直至576行 • 时分复用信号的总数据率为： 13.5+6.75+6.75=27M字/秒
CCIR601标准的主要内容
• 亮度信号的取样频率为13.5MHz • 有效行内亮度信号取样点数为720，两个色 差信号为360个，即4：2：2格式 • 编码方式为线性PCM编码，8或10比特量化 等级 • 在8比特量化方式中，亮度信号共220量化 级，色度信号共224量化级，0和255作为同 步信息
彩色模拟电视中 亮度信号与色差信号的关系
• EY=0.299ER+0.587EG+0.114EB • ER-Y=0.701ER-0.587EG-0.114EB • EB-Y=-0.299ER-0.587EG+0.886EB
电视信号的量化
• 在进行量化之前，电视信号中的亮度信号 的动态范围是0～1，红色、青色色差信号 的动态范围是±0.701，蓝色、黄色色差信 号的动态范围是±0.886，必须进行归一化 处理 • 对于红色、青色色差信号而言，需要的压 缩系数为：KR＝0.5÷0.701＝0.713 • 对于蓝色、黄色色差信号而言，需要的压 缩系数为：KR＝0.5÷0.886＝0.564
4：2：0格式采样点示意图
• 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 四分之一 • 一般4:2:0侧重于传输 链末端分配应用 ， MPEG－2中使用的就 是这种方式
4：1：1亮色采样格式
• 在4：1：1格式中，色差信号Cr和Cb的采样 频率为亮度信号采样频率的四分之一，即： fCr＝fCb＝（1/4）fy＝3.375MHz 也就是亮度采样频率和两个色差信号的采 样频率之比为： fy：fCr：fCb＝4：1：1
数字电视信号 参数的选择
模拟信号数字化的过程
前置滤波器 模拟信号 （fc=fs/2）
f(t)
取样器
量化器
编码器
f(n) 数字信号
• 取样——将时间和幅度上连续的模拟信号转变为 时间离散的信号 • 量化——将幅度连续信号转换成幅度离散的信号 • 编码——按照一定规律，将时间和幅度上离散的 信号用对应的二进制或多进制代码表示
时分复用编码器框图
数字视频信号与模拟行同步 的定时关系
• 数字分量视频信号是由模拟分量视频信号 经过A/D转换得到的，数字有效行与模拟有 效行之间应该有明确的定时关系
视频数据与模拟行同步定时关系
数字定时基准信号SAV和EAV
• 在数字视频信号流中，以SAV和EAV标注 视频数据块的起始和结束 • 每个定时基准信号由4个字构成，每个字为 8比特或10比特，8比特时表示为：FF 00 00 XY • 信号头三个字由固定前缀FF与00和00构成， 供定时基准信号用，XY携带具体同步信息
电视图像采样结构的选择
• 图像的采样结构是指采样点在空间和时间上的相对位置 • 采样结构有正交结构和行交叉结构等几种，在数字电视图 像采样中一般使用正交结构，以有利于帧内和帧间信号处 理 • 为保证采样结构为正交，要求行周期必须是采样周期的整 数倍
电视图像（亮度）采样频率的选择
• 图像亮度信号的采样应满足采样定理的要 求，取样频率应大于视频带宽的2倍 • 为保证采样结构正交，采样频率应是行频 的整数倍 • 为方便节目交流，亮度信号采样频率应兼 顾NTSC制和PAL制，即应是这两种制式行 频的最小公倍数的整数倍 • 为降低码率，采样频率的选择应尽量小
4：2：2格式采样点示意图
• 色差信号在水平方向 上的采样点数为亮度 信号的一半，在垂直 方向上的采样点数与 亮度信号相同 • 这种格式主要用于标 准清晰度数字电视 （SDTV）演播室中
4：4：4亮色采样格式
• 在4：4：4格式中，色差信号Cr和Cb的采样 频率与亮度信号采样频率相同，即： fCr＝fCb＝fy＝13.5MHz 也就是亮度采样频率和两个色差信号的采 样频率之比为： fy：fCr：fCb＝4：4：4
亮度信号量化后的码电平分配
• 对亮度信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的 量化级，从0到255。 • 在CCIR601建议中，0和255两级留作同步信息用；在256 级上端留20级，下端留16级作为信号保护带，即16对应 消隐电平，235对应白电平
色差信号量化后码电平分配
标准清晰度数字电视 演播室标准
4：4：4格式采样点示意图
• 色差信号在水平 方向和垂直方向 上的采样点数都 和亮度信号相同 • 这种格式主要用 于要求高质量的 信号源的情况下， 比如科学研究等
4：2：0亮色采样格式
• 在4：2：0格式中，色差信号Cr和Cb的采样 频率与亮度信号采样频率相同，即： fCr＝fCb＝（1/4）fy＝3.375MHz
数字高清晰度电视的概念
• 高清晰度电视的概念是相对于传统的标准 清晰度电视而言的 • 高清晰度电视并不等同于数字电视，现行 的数字电视信号基本为标准清晰度信号。 但数字电视是实现高清晰度电视的最好方 式 • 高清晰度电视主要是在图像分辨率、图像 视觉效果、伴音效果等方面的提高
高清晰度电视的特点
• 由于技术上的障碍，高清晰度电视仍然采 用50或60Hz的场频 • wk.baidu.com清晰度电视的扫描方式为隔行扫描或者 逐行扫描 • 高清晰度电视的宽高比为16：9 • 我国高清晰度电视标准采用分辨率为 1920X1080，帧频为25Hz的隔行扫描 • 为方便后期处理，高清晰度电视像素的宽 高比为1：1，正方形
色度信号采样频率的选择
• 根据大面积着色原理，色度信号的带宽可 以比亮度信号窄，同时考虑正交结构的要 求，在数字电视中经常使用以下几种亮色 采样格式： 4：2：2格式 4：4：4格式 4：2：0格式 4：1：1格式
4：2：2亮色采样格式
• 在4：2：2格式中，色差信号Cr和Cb的采样 频率均为亮度信号采样频率的一半，即： fCr=fCb=(1/2)fy=6.75MHz 也就是亮度采样频率和两个色差信号的采 样频率之比为： fy：fCr：fCb＝4：2：2
4：1：1格式采样点示意图
• 色差信号在水平方 向和垂直方向上的 采样点数均为亮度 信号的四分之一 • 4:1:1应用于新闻、 体育等对质量要求 不高的记录环境
量化的定义
• 所谓量化就是把幅 度连续变化的信号 变换成幅度离散的 信号。 • 从本质上讲，采样 是时间上的数字化， 而量化则是幅度上 的数字化
基准信号的具体定义
• XY中的X代表1、F、V和H • F＝0表示在奇场，F＝1表示在偶场 • V＝0表示在其他期间，V＝1表示在场消隐 期间 • H＝0表示为SAV，H＝1表示为EAV • XY中的Y代表保护比特位，也就是X的校验 码
数字信号与模拟信号场信息的差别
• 由于数字信号的特点，数字视频信号不能 像模拟电视信号那样有半行扫描的概念 • 对应于模拟电视信号，数字视频信号对应 的场信息要多半行 • 从一帧图像来说，数字视频信号比模拟信 号多一行，为576行
数字高清晰度电视演播室 视频信号特点
• 由于分辨率和数据率的要求不同，数字 HDTV于与SDTV的数码流格式存在一定差 别 • HDTV亮度信号Y和经过时分复用后的色差 信号CB/CR处理为20比特数据字，每个20比 特数据字对应一个色差取样和一个亮度取 样，次序为： (CB1Y1)(CR1Y2)(CB3Y3)(CR3Y4)……
4 2 2 数 据 流 格 式
问题的提出？
将连续信号转变成数字信号是数字电视信号采集 的必要步骤。在实际工作中，信号的取样是通过 A/D转换芯片来完成的。通过A/D转换，将模拟信 号x(t)变成数字信号x(nTs)，我们自然要问： 1、X(nTs)是否包含有x(t)的全部信息？ 2、如何由X(nTs)恢复出x(t)？ 以上这些问题，都是数字电视信号处理中的 基本问题，实际上，我们将要学习的采样定理就 很好的解答了这些问题。采样定理是联结数字 （离散）信号和模拟（连续）信号的桥梁
电视信号的数字分量编码
• 分量编码是将三基色信号R、G、B分量或亮度和 色差信号Y、(B－Y)、(R－Y)分别编码形成数字 化信号 • 分量编码的优点是编码与制式无关，只要抽样频 率与行频有一定的关系，便于制式转换和统 一 • 由于Y、(R－Y)、(B－Y)分别编码，可采用时分 复用方式，避免亮色互串，可获得高质量的图像 • 在分量编码中，亮度信号用较高的码率传送，两 个色差信号的码率可低一些 ，但总的码率比较高， 设备价格相应较贵