電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范

第3章電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范模擬信號數(shù)字化過程主要是取樣、量化和編碼。取樣——將時間和幅度上連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間離散信號，即時間離散化。量化——將幅度連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為幅度離散信號，即幅度離散化。編碼——按照一定規(guī)律，將時間和幅度上離散信號用對應(yīng)二進(jìn)制或多進(jìn)制代碼表示。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第1頁模擬信號數(shù)字化框圖如圖2-1所表示，其中fc為濾波器截止頻率，fs為取樣頻率。

圖2-1模擬信號數(shù)字化框圖電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第2頁2.1取樣定理2.2二維信號取樣2.3數(shù)字電視信號參數(shù)選擇2.4量化2.5標(biāo)準(zhǔn)清楚度數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn)2.6數(shù)字高清楚度電視電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第3頁假如對一個時間連續(xù)信號f(t)進(jìn)行等時間間隔取樣，取樣時間間隔(取樣周期)為Ts，取樣頻率為fs＝1/Ts。2.1取樣定理電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第4頁(1)經(jīng)過理想取樣后，輸出信號頻譜Fs(ω)是原模擬信號頻譜F(ω)以ωs為周期延拓形成，如圖2-2所表示。(2)假如原模擬信號頻譜F(ω)頻譜范圍在ωh之內(nèi)，則滿足ωs≥2ωh時，則取樣后信號fs(t)經(jīng)過一個截止頻率為ωs/2理想低通濾波器后，能夠無失真地恢復(fù)原信號f(t)。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第5頁圖2-2模擬信號理想取樣前后頻譜電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第6頁只要滿足取樣定理而且τ/Ts足夠小，仍能夠從取樣信號頻譜中準(zhǔn)確地恢復(fù)出原模擬信號。圖2-3模擬信號實際取樣前后頻譜電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第7頁2.2二維信號取樣對于一個彩色平面活動圖像來說，圖像中任一點亮度Y是光波長λ、水平位置x、垂直位置y和時間t函數(shù)。發(fā)端經(jīng)過攝像機(jī)將光圖像轉(zhuǎn)換成電圖像，光電轉(zhuǎn)換器件是含有積分作用器件，所以有以下積分關(guān)系：電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第8頁圖2-4圖像平面和二維取樣脈沖電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第9頁在水平方向上取樣間隔為Δx，在垂直方向上取樣間隔為Δy,取樣后信號為其頻譜為

式中：Δv=1/Δy為垂直取樣頻率；Δu=1/Δx為水平取樣頻率；δ(x,y)為單位沖激序列。取樣前后頻譜示意圖如圖2-5所表示。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第10頁圖2-5水平、垂直取樣前后二維頻譜電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第11頁2.3數(shù)字電視信號參數(shù)選擇電視信號數(shù)字化處理有數(shù)字分量編碼和數(shù)字復(fù)合編碼兩種方式。數(shù)字分量編碼方式是對三基色信號ER，EG和EB或?qū)α炼刃盘柡蜕钚盘朎Y，ER-Y與EB-Y分別進(jìn)行數(shù)字化處理。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第12頁2.3.1取樣結(jié)構(gòu)選擇取樣結(jié)構(gòu)是指取樣點在空間與時間上相對位置，有正交結(jié)構(gòu)和行交叉結(jié)構(gòu)等。在數(shù)字電視中普通采取正交結(jié)構(gòu)，如圖2-6(a)所表示。這種結(jié)構(gòu)在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列，這么有利于幀內(nèi)和幀間信號處理。圖2-6(b)所表示為行交叉結(jié)構(gòu)，每行內(nèi)取樣點數(shù)為整數(shù)加半個。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第13頁圖2-6取樣結(jié)構(gòu)圖電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第14頁為了確保取樣結(jié)構(gòu)是正交，要求行周期TH必須是取樣周期Ts整數(shù)倍，即要求取樣頻率fs應(yīng)等于行頻fH整數(shù)倍，即電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第15頁2.3.2取樣頻率選擇在數(shù)字電視中，亮度信號取樣頻率選擇應(yīng)該從以下4個方面考慮。(1)首先應(yīng)該滿足取樣定理，即取樣頻率應(yīng)該大于視頻帶寬兩倍。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第16頁(2)為了確保取樣結(jié)構(gòu)是正交，取樣頻率應(yīng)該是行頻fH整數(shù)倍，即電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第17頁(3)為了便于節(jié)目標(biāo)國際間交流，亮度信號取樣頻率選擇還必須兼顧國際上不一樣掃描格式。

fs=m·2.25MHz

(4)編碼后比特率Rb=fs·n，其中n為量化比特數(shù)。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第18頁2.3.3色度格式1．4∶2∶2格式在4∶2∶2格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率二分之一，即電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第19頁2．4∶4∶4格式在4∶4∶4格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率與亮度信號取樣頻率相同，即亮度取樣頻率和兩個色差信號取樣頻率之比為電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第20頁3．4∶2∶0格式本格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率四分之一，即電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第21頁4．4∶1∶1格式在4∶1∶1格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率四分之一，即電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第22頁2.4量化量化就是把幅度連續(xù)改變信號變換為幅度離散信號，這是模擬信號到數(shù)字信號映射變換。顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，所以量化過程將不可防止地帶來量化誤差。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第23頁標(biāo)量量化是一維量化，全部取樣使用同一個量化器進(jìn)行量化，每個取樣量化都和其它全部取樣無關(guān)，所以也稱為無記憶量化。矢量量化是多維量化，是先將K個取樣值序列形成K維空間中一個矢量，然后將此矢量進(jìn)行量化。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第24頁2.4.1量化器設(shè)計量化器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)能夠分為兩種：(1)給定量化器量化電平數(shù)M，依據(jù)量化誤差均方值為最小來設(shè)計量化器；(2)給出固定量化誤差要求，設(shè)計量化器使其量化電平總數(shù)M盡可能小。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第25頁2.4.2均勻量化器1．均勻量化器原理設(shè)在輸入信號動態(tài)范圍A內(nèi)進(jìn)行均勻量化，每一量化間隔ΔA是相等，共分為M級，設(shè)M=2n，其中n為量化比特數(shù)，即

A=M×ΔA=2n×ΔA

M和n取值主要是由量化信噪比決定。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第26頁2．視頻信號(單極性信號)量化信噪比電視信號量化信噪比普通用信號峰-峰值與量化噪聲有效值之比表示，即 普通慣用分貝表示為電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第27頁3．聲音信號(雙極性信號)量化信噪比設(shè)聲音信號最大幅度為A，動態(tài)范圍是+A～-A。對它均勻量化成M級，則有2A=M×ΔA=2n×ΔA

其中，n為量化比特數(shù)。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第28頁2.4.3量化噪聲對圖像影響假如量化比特數(shù)n選得過小，量化噪聲對圖像影響主要有以下幾方面。(1)顆粒雜波(2)偽輪廓(3)邊緣忙亂電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第29頁2.4.4電視信號量化1．量化前歸一化處理在對模擬電視分量信號EY、E(R-Y)和E(B-Y)進(jìn)行量化和編碼前，必須進(jìn)行歸一化處理。由電視原理可知，亮度和色差信號組成以下：電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第30頁 令信號值歸一化(即最大電平為1.0V)，則100％彩條信號各值如表2-2所表示。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第31頁電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第32頁2.碼電平分配及數(shù)字表示式(1)亮度信號量化后碼電平分配在對分量信號進(jìn)行8比特均勻量化時，共分為256個等間隔量化級，其二進(jìn)制范圍是00000000～11111111，對應(yīng)十進(jìn)制范圍為0～255。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第33頁(2)色差信號量化后碼電平分配色差信號經(jīng)過兩次歸一化處理后，ECR和ECB動態(tài)范圍為-0.5～0.5，讓色差零電平對應(yīng)碼電平256÷2=128，色差信號總共占225個量化級。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第34頁(3)碼電平數(shù)字表示式 亮度和色差信號量化以后取其最鄰近整數(shù)作為碼電平值，其數(shù)字化表示式為DY=INT［(219E

Y+16)×2n-8］DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］ 其中n為量化比特數(shù)，符號INT［］表示對［］中小數(shù)部分四舍五入取整數(shù)。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第35頁2.5標(biāo)準(zhǔn)清楚度數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn)2.5.1演播室數(shù)字編碼參數(shù)演播室數(shù)字編碼主要參數(shù)(4∶2∶2格式)如表2-3所表示。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第36頁電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第37頁電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第38頁2.5.2數(shù)字分量電視信號接口1．并行和串行接口通用信號格式凡按照ITU-R

BT.601提議進(jìn)行數(shù)字視頻信號分量編碼視頻信號，其接口和數(shù)據(jù)流都應(yīng)符合以下要求。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第39頁(1)4∶2∶2數(shù)字分量信號時分復(fù)用傳輸數(shù)字設(shè)備向外傳輸每幀內(nèi)像素數(shù)據(jù)時，應(yīng)該按以下次序時分復(fù)用：Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y4,…….Cb360Y719Cr360,Y720奇數(shù)點按CbYCr次序傳輸數(shù)據(jù)，偶數(shù)點只有Y樣點數(shù)據(jù)傳輸。每一行均如此，直至第576行。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第40頁(2)視頻數(shù)據(jù)與模擬行同時間定時關(guān)系數(shù)字分量視頻信號是由模擬分量視頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到，數(shù)字有效行與模擬行之間應(yīng)該有明確定時關(guān)系。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第41頁(3)4∶2∶2數(shù)字流組成假如是全數(shù)字系統(tǒng)，在接收端不是PAL接收機(jī)而是數(shù)字接收機(jī)，其掃描同時電路也是數(shù)字掃描電路，則無須探究數(shù)字視頻信號與模擬視頻信號OH定時關(guān)系，能夠只關(guān)注數(shù)字流組成。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第42頁(4)視頻定時基準(zhǔn)信號SAV和EAV

在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清楚度電視(SDTV)中，掃描參數(shù)依然為625/50/2∶1，即垂直掃描為含有奇偶場隔行掃描，掃描需要區(qū)分行、場正程期和行、場消隱期。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第43頁(5)奇偶場內(nèi)場識別和場消隱期掃描行序號在奇數(shù)場和偶數(shù)場內(nèi)，場識別和場消隱期行序號如表2-6所表示。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第44頁電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第45頁2．比特并行接口(1)機(jī)械特征每幀數(shù)字視頻以Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y6,…….Cb360Y719Cr1360,Y720次序進(jìn)行傳輸。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第46頁(2)并行接口電氣特征①時鐘與數(shù)據(jù)定時關(guān)系時鐘信號是27MHz方波，周期為TCK=37ns，定時基準(zhǔn)為時鐘信號高低電平過渡時刻，時鐘信號正向跳變應(yīng)出現(xiàn)在兩次數(shù)據(jù)跳變中間。②收、發(fā)間線路驅(qū)動器特征收發(fā)之間每位數(shù)據(jù)采取平衡雙絞線傳輸電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第47頁③允許電纜長度因為在雙絞線上傳輸27MHz數(shù)據(jù)，電纜幅頻特征限制了使用電纜長度。3．比特串行接口比特串行接口(Serial

Digital

Interface，SDI)中，每個10比特數(shù)據(jù)字經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換電路后變成串行數(shù)據(jù)流，傳輸碼率從27Mbit/s變?yōu)?70Mbit/s，用單芯同軸電纜傳輸。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第48頁(1)并/串變換輸入數(shù)據(jù)由27MHz時鐘信號并行寫入移位存放器，然后用10倍頻270MHz時鐘串行讀出。(2)擾碼因為接收端解碼時需要恢復(fù)時鐘信號，而串行接口不能像并行接口那樣使用單獨數(shù)據(jù)線傳輸時鐘信號，時鐘恢復(fù)只能利用信號本身跳變來產(chǎn)生，這稱為自時鐘方式。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第49頁(3)碼型變換圖2-21中NRZ-NRZI編碼器是把非歸零碼(NRZ)變換成倒相非歸零碼(NRZI)。(4)機(jī)械特征在數(shù)字比特串行接口中用特征阻抗75Ω單芯同軸電纜傳輸信號，接插件為標(biāo)準(zhǔn)BNC型接頭。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第50頁圖2-21擾碼電路和NRZ-NRZI變換編碼電路電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第51頁2.6數(shù)字高清楚度電視2.6.1概述高清楚度電視(HighDefinitionTelevision，HDTV)在圖像和聲音質(zhì)量方面都比現(xiàn)行電視高出一個檔次，能讓觀眾看到清楚鮮艷、生動逼真畫面，聽到優(yōu)美動聽圍繞立體聲音響，使觀眾有身臨其境感受，取得高度精神享受。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第52頁HDTV還在屏幕尺寸和寬高比喻面有改進(jìn)，依據(jù)人眼視覺特征和心理效應(yīng)試驗，對HDTV基本參數(shù)提出了以下要求。(1)提升圖像空間分解力。(2)提升場頻或幀頻，應(yīng)確保高亮度下列圖像不閃爍。(3)提升圖像寬高比，畫面寬高比為16∶9更符合人眼視覺特征，視野寬，臨場感強(qiáng)。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第53頁(4)展寬色域，提升電視色彩感染力。(5)HDTV應(yīng)有高質(zhì)量圍繞立體聲，最少有4路數(shù)字伴音通道，伴音帶寬應(yīng)達(dá)20kHz。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第54頁2.6.2數(shù)字高清楚度電視掃描參數(shù)及圖像格式1.場頻在模擬電視系統(tǒng)中，選擇場頻主要考慮了運動圖像連續(xù)感、無閃爍、不易受交流電源干擾和視頻信號頻帶不致過寬等原因，國際上一直采取50Hz和60Hz兩種場頻。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第55頁2．掃描方式 電視系統(tǒng)掃描方式有逐行方式與隔行方式兩種，模擬電視系統(tǒng)均采取了隔行掃描方式，而當(dāng)前國際上在HDTV和SDTV中現(xiàn)有隔行掃描方式，也有逐行掃描方式。 隔行掃描是一個有效帶寬壓縮方案，它將一幀圖像分成兩場掃描，在每幀掃描行數(shù)及圖像換幅頻率一定情況下，可使視頻信號帶寬降低為逐行掃描時二分之一。電視信號數(shù)字化原理與接口規(guī)范第56頁 我國HDTV標(biāo)準(zhǔn)采取分辨率為1920×1080，幀頻為25Hz隔行掃描方式。3．圖像格式 圖像格式包含圖像寬高比、圖像縱橫像素數(shù)和像素寬高比等參數(shù)。①圖像寬高比

HDTV圖像寬高比