多媒體技術之彩色數字電視基礎

多媒體技術之彩色數字電視基礎第一頁，共七十頁，2022年，8月28日大綱電視原理分類數字電視2第二頁，共七十頁，2022年，8月28日電視的影響最有影響力的媒體之一特別是新聞體育電視劇等“誰掌握媒體就掌握了話語權?！?第三頁，共七十頁，2022年，8月28日4第四頁，共七十頁，2022年，8月28日電視的原理視覺暫留5第五頁，共七十頁，2022年，8月28日視覺的時間域響應特性讓觀察者觀察按時間重復的亮度脈沖，如果閃爍頻率比較低，人眼就有一亮一暗的感覺。如果閃爍頻率足夠高，人眼看到的則是一個恒定的亮點。閃爍感剛好消失的重復頻率叫做臨界閃爍頻率，經測定為46Hz。6第六頁，共七十頁，2022年，8月28日采樣頻率的影響Motioncontinuity（連續(xù)性）DoweseesmoothmotionorjerksFlicker（閃爍）Doweseetheimageflashingquickly7第七頁，共七十頁，2022年，8月28日MotionContinuity運動下的采樣8第八頁，共七十頁，2022年，8月28日MotioncontinuityrequirementsWearelesssensitivetocontinuitythantoflickerMoviesuse24fps80+fpsistypicallymorethanenoughForhumans,ofcourse9第九頁，共七十頁，2022年，8月28日FlickerPerceptiblevariationsinbrightnessWecaneasilydetectlowerfrequencyflicker<40Hz(criticalis46)FlickerisNOTmotioncontinuity10第十頁，共七十頁，2022年，8月28日電視機11第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日12第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日彩色電視制式NTSC美國、加拿大等大部分西半球國家，以及日本、韓國、菲律賓PAL德國、英國等一些西歐國家，及中國、朝鮮等國家SECAM法國、及東歐國家13第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日WorldTVStandards

NTSCPALSECAMPAL/SECAMUnknown14第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日兼容制式NTSC，PALSECAM都是兼容制式黑白電視機能接收彩色電視廣播，顯示的是黑白圖像彩色電視機能接收黑白電視廣播，顯示的也是黑白圖像（逆兼容）15第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日兼容的要求既兼容又有彩色特性，彩色電視系統(tǒng)應滿足采用與黑白電視相同的一些基本參數，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號、圖像載頻、伴音載頻等等。將攝像機輸出的三基色信號轉換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，并將它們組合成一個彩色全電視信號進行傳送。在接收端，彩色電視機將彩色全電視信號重新轉換成三個基色信號，在顯象管上重現發(fā)送端的彩色圖像。16第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日R

G

BYYVU17第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日電視掃描和同步掃描分類非隔行掃描（逐行掃描）(progressivescanning)計算機顯示器隔行掃描(interlacedscanning)電視18第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日顯示器的發(fā)展NotethatdisplaytechnologyischangingwiththeadventofLCD,ThinFilmTransistor(TFT)薄膜晶體管-basedmonitors,DVDsanddigitalcameras,analternativemethodofbringingtheimagetothescreen,knownasprogressivescanning,hasbeencreated.19第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日逐行掃描電子束從顯示屏的左上角一行接一行地掃到右下角，在顯示屏上掃一遍就顯示一幅完整的圖像（一幀）.20第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日隔行掃描在隔行掃描中，電子束掃完第1行后回到第3行開始的位置接著掃，然后在第5、7、……，行上掃，直到最后一行。奇數行掃完后接著掃偶數行，這樣就完成了一幀(frame)的掃描。21第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日22第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日隔行掃描隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：奇數場（奇數行組成）+偶數場（偶數行組成）23第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日24第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日Wheninterlacedvideoisshownonaninterlaceddisplay,onlyonefieldisdisplayedatatime.Thephysicalpropertiesofthedisplay(e.g.afterglowofthephosphorsofaCRT)andhumanperceptionintegratethefieldssothattheresultingvideoappearscomplete.25第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日WhyInterlacedAprogressive625linesystemwith50framespersecondwouldhavealinefrequencyof32.25kHzandavideobandwidthofabout12MHzasuming720activepixelsperline.Thisbandwidthrequirementwastoohigh.AradiofrequencyTVchannelhasanavailablebandwidthof7or8MHz.Thereforetheinterlacedsystemswereintroduced.Theyprovideagoodresolutionandasufficienlyhighfieldfrequencyof50resp.60Hzbutalowerframefrequencyof25resp.30Hzathalfthebandwidthofaprogressivesystem.26第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日比較27第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日比較ProgressiveScan@50/60Hz

Frame1Frame2Frame3Frame4InterlacedScan@25/30Hz

Field1(odd)Field2(even)Field3(odd)Field4(even)Frame1Frame2ProgressiveScan@50/60HzInterlacedScan@25/30Hz

Field1(odd)Field2(even)Field3(odd)Field4(even)Frame1Frame2Frame1Frame2Frame3Frame428第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日比較29第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日隔行掃描的行數隔行掃描中、掃描的行數必須是奇數一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數的一半，第二場掃描總行數的另一半。隔行掃描要求第一場結束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個原因，才要求總的行數必須是奇數。

30第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日31第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日InterlacedScanning,ShownHerefortheNTSCVideoFormat.PALandSECAMInterlacingisSimilar,withtheDifferenceBeingtheNumberofLinesinEachField32第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日33第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日隔行掃描只需用逐行掃描一半的時間就能看見整個屏幕顯示，因此隔行掃描技術用于較慢的刷新頻率。例如刷新頻率為30幀/秒，如采用逐行掃描顯示，可注意到圖形在閃爍，但采用隔行掃描，掃描一幀的時間只用了原來一半，也就是說刷新頻率接近60幀/秒，這時圖形顯示質量提高，不再閃爍。34第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日掃描參數行頻fH：每秒鐘掃描多少行；場頻ff：每秒鐘掃描多少場；幀頻fF：每秒掃描多少幀35第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日PALPAL制電視的掃描特性625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40ms/幀)寬高比(aspectratio)：4:3隔行掃描，2場/幀，312.5行/場顏色模型：YUV36第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日一幀圖像的總行數為625，分兩場掃描。行掃描頻率是15625Hz，周期為64μs；場掃描頻率是50Hz,周期為20ms；幀頻是25Hz，是場頻的一半，周期為40ms。在發(fā)送電視信號時，每一行中傳送圖像的時間是52.2μs，其余的11.8μs不傳送圖像，是行掃描的逆程時間，同時用作行同步及消隱用。每一場的掃描行數為625/2=312.5行，其中25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數每場只有287.5行，因此每幀只有575行有圖像顯示。37第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日NTSCNTSC制的掃描特性525行/幀,30幀/秒(29.97fps,33.37ms/frame)寬高比：電視畫面的長寬比(電視為4:3；電影為3:2；高清晰度電視為16:9)隔行掃描，一幀分成2場(field)，262.5線/場顏色模型：YIQ在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數據。每行63.5微秒，水平回掃時間10微秒(包含5微秒的水平同步脈沖)，所以顯示時間是53.5微秒38第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日SECAMSECAM的掃描特性與PAL制類似，區(qū)別是SECAM中的色度信號是頻率調制(FM）（NTSC，PAL都是QAM）圖像格式為4:3，625線，50Hz39第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日40第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日Inter-lineFlickerAcommonproblemwithInterlaceThelineisrefreshed30timespersecond,not60!(NTSC)(跨線閃爍)41第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日Film電影錄制過程中，每秒有24幅畫面，也就是24fps.Generallydisplayedat72fps(eachframe3x)

toreduceflickerFilmhasnoscanningFilmcapturestheentireframeatonceTVvideopresentsthetophalfbeforethebottomhalf42第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日Aspectratio(寬高比）Width/HeightTelevision:4:3

,16:9HDTV,16:9=1.78:1Film1.85:1ismostcommon2.35:1insomecases4:3(12:9)16:943第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日ProblemswithAspectRatioWhatifthedisplayARislessthantheproductionAR?44第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日LetterboxingSimplyshrinkingverticallytofit45第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日CroppingJustcuttingtofit…46第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日PanandScanWecanmovethewindow47第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日ExamplesWidescreen48第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日彩色電視機黑白電視基礎上發(fā)展起來許多特性，如掃描、同步等都與黑白電視相同，不同的是顯示的圖像的顏色不同。49第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日顏色空間人眼對彩色細節(jié)的分辨能力遠比對亮度細節(jié)的分辨能力低，通常把RGB空間表示的彩色圖像變換到YUV或者YIQ顏色空間。每一種彩色空間都產生一種亮度分量信號和兩種色度分量信號，而且亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是相互獨立的，每一種變換使用的參數都是為了適應某種類型的顯示設備。彩色電視信號中采用YIQ或者YUV空間一是為了兼容黑白電視，二是為了實現壓縮。50第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日彩色電視信號的類型復合電視信號包含亮度信號、色差信號和所有定時信號的單一信號復合電視信號是把亮度信號和色差信號復合在一起分量電視信號每個基色分量作為獨立的電視信號每個基色既可以分別用R，G和B表示，也可以用亮度-色差表示，如Y、I和Q，Y、U和V。使用分量電視信號是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號。S-Video信號亮度和色差分離的一種電視信號，使用單獨的兩條信號電纜線，一條用于亮度信號，另一條用于色差信號減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾。不需要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色差信號，這樣可提高亮度信號的帶寬。51第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日復合信號Themostcommonformofconnectingexternaldevices,puttingallthevideoinformationintoonesignal.52第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日S-VideoS-Videosmallroundconnectorwithtwoseparatevideosignals,onecarryingbrightness(luminance),theothercarryingcolor(chroma).AlsoreferredtoasY/Cvideo53第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日數字電視在50年代開發(fā)電視技術時，用任何一種數字技術來傳輸和再現真實世界的圖像和聲音都是極其困難的，因此電視技術一直沿著模擬信號處理技術的方向發(fā)展，直到70年代才開始開發(fā)數字電視。由于數字技術具有許多優(yōu)越性，而且數字技術發(fā)展到足以使模擬電視向數字電視過渡的水平，電視和計算機才開始融合在一起。54第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日優(yōu)點可直接進行隨機存儲使電視圖像的檢索變得很方便，復制數字電視圖像和在網絡上傳輸數字電視圖像都不會造成質量下降，很容易進行非線性電視編輯。

55第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日數字化電視圖像數字化常用的方法有兩種：

(1)先從復合彩色電視圖像中分離出彩色分量，然后數字化。我們現在接觸到的大多數電視信號源都是彩色全電視信號，如來自錄像帶、激光視盤、攝像機等的電視信號。對這類信號的數字化，通常的做法是首先把模擬的全彩色電視信號分離成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空間中的分量信號，然后用三個A/D轉換器分別對它們數字化。

(2)首先用一個高速A/D轉換器對彩色全電視信號進行數字化，然后在數字域中進行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數據。56第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日數字化標準ITU-RBT.601(1980s)該標準用于對隔行掃描電視圖像進行數字化，對NTSC和PAL制彩色電視的采樣頻率和有效顯示分辨率都作了規(guī)定例如：彩色電視圖像轉換成數字圖像時使用的采樣頻率，RGB和YCbCr(或者寫成YCBCR)兩個彩色空間之間的轉換關系等。

57第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日1.采樣頻率CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個采樣頻率也用于遠程圖像通信網絡中的電視圖像信號采樣。每行采樣點數N=864(PAL)，858（NTSC）對于所有制式，每個掃描行的有效樣本數均為720，其余為同步控制用。亮度信號采樣頻率fs=13.5MHZ

PAL:fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,(N=864)（其實就是算frame總的點數）NTSC:fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz,N=85858第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日色度信號色度信號采樣頻率fc＝6.75MHZ或13.5MHZITU-RBT.601推薦使用4∶2∶2的彩色電視圖像采樣格式。使用這種采樣格式時，Y用13.5MHz的采樣頻率，Cr，Cb用6.75MHz的采樣頻率。59第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日2、數字信號取值范圍：亮度信號220級，色度信號225級。3、顏色空間之間的轉換公式

4、圖像子采樣格式：4：4：4，4：2：2、

4：1：1、4：2：060第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日彩色電視數字化參數摘要采樣格式信號形式采樣頻率

(MHz)樣本數/掃描行數字信號取值范圍(A/D)NTSCPAL4:2:2Y13.5858(720)864(720)220級(16～235)Cr6.75429(360)432(360)225級(16～240)Cb6.75429(360)432(360)(128±112)4:4:4Y13.5858(720)864(720)220級(16～235)Cr13.5858(720)864(720)225級(16～240)Cb13.5858(720)864(720)(128±112)61第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日CIF為了既可用625行的電視圖像又可用525行的電視圖像，CCITT規(guī)定了稱為公用中分辨率格式CIF(CommonIntermediateFormat)(1)電視圖像的空間分辨率為家用錄像系統(tǒng)(VideoHomeSystem，VHS)的分辨率，即352×288。(2)使用非隔行掃描(non-interlacedscan)。(3)使用NTSC幀速率，電視圖像的最大幀速率為30幅/秒。(4)使用1/2的PAL水平分辨率，即288線。(PAL:625,有效576)(5)對亮度和兩個色差信號(Y、Cb和Cr)分量分別進行編碼，它們的取值范圍同ITU-RBT.601。62第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日CIF、QCIF和SQCIFCIF：CommonIntermediateFormatQCIF：QuarterCIFSQCIF：Sub-QuarterCIF63第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日圖像子采樣如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。64第六十四頁，共七十頁，2022年，8月28日4:2:2在水平掃描方向上，每2個