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1、多媒体技术教程多媒体技术教程第7章 数字电视基础 2008-07-0118章 数字电视基础第7章 数字电视基础 目录目录7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制7.1.1 电视与电视制7.1.2 重现彩色图像的过程9.1.3 彩色电视制7.1.4 国际彩色电视标准7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步7.2.1 电视的扫描方式7.2.2 PAL制的扫描特性7.2.3 NTSC制的扫描特性7.2.4 SECAM制的扫描特性7.3 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型7.3.1 复合电视信号7.3.2 分量电视信号7.3.3 S-Video信号7.4 电视图像数字化电视图像数字化7.4.1 数字化方法7

2、.4.2 BT.601数字化标准7.4.3 CIF电视图像格式7.5 图像子采样图像子采样7.5.1 图像子采样概要7.5.2 4:4:4 YCbCr格式7.5.3 4:2:2 YCbCr格式7.5.4 4:1:1 YCbCr格式7.5.5 4:2:0 YCbCr格式7.6 数字电视数字电视7.6.1 数字电视是什么7.6.2 数字电视的原理7.6.3 数字电视的标准7.7 数字电视图像格式数字电视图像格式7.7.1 数字电视图像格式简介7.7.2 数字电视图像格式参数7.7.3 SDTV格式7.7.4 EDTV格式7.7.5 HDTV格式27章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视

3、制n电视是什么电视是什么英文“television”的译名，简写为TVntele来自希腊语，表示far(远)nvision来自拉丁语，表示看到的景物捕获、广播和重现活动图像和声音的远程通信系统两种类型的电视系统n黑白电视(black&white TV):重现黑白图像的电视系统n彩色电视(color television):近似重现彩色图像的电视系统注：彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的，因此彩色电视系统的许多特性，如扫描、同步等都与黑白电视相同37章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续1)n重现彩色图像的过程重现彩色图像的过程 图8-1说明用彩色摄像机摄取自然景物、转换彩

4、色分量信号和在彩色显示器上重现自然景物的过程使用Y，C1，C2传输的两个重要优点：nY和色差(C1，C2)是相互独立的，因此彩色电视接收机和黑白电视接收机可同时接收彩色电视信号n可利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率彩色电视摄像机RGB转换为YC1C2YC1C2转换为RGBYRGBRGBC1C2彩色显示器被摄对象图8-1 彩色图像重现过程 47章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续2)n电视制电视制(television system)传输图像和声音的方法黑白电视制n按其扫描参数、电视信号带宽以及射频特性划分，目前世界上在用和不再使用的黑白电视制共有14种( televi

5、sion systems)彩色电视制n按照在黑白电视系统上处理三种基色信号的方式，目前世界上定义了三种互不兼容的模拟模拟彩色电视制:uNTSC制制uPAL制制uSECAM制制nHDTV是还没有推广的高清晰度数字数字电视标准57章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续3)nNTSC彩色电视制彩色电视制20世纪50年代初美国国家电视系统委员会(National Television Systems Committee，NTSC)制定的彩色电视广播标准n美国、加拿大等大部分西半球国家以及日本、韩国、菲律宾和台湾地区采用正交幅度调制(quadrature amplitude modu

6、lation,QAM)主要特性包括n图像的宽高比为4:3，525条扫描线，隔行扫描，30帧每秒，视像带宽为4.2 MHz，使用YIQ信号，色度信号用正交幅度调制(QAM)，声音用调频制(FM)，总的电视通道带宽为6 MHz67章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续4)nPAL彩色电视制彩色电视制德国(当时的西德)于1963年披露并于1967年开播的彩色电视广播标准n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。由于使用的一些参数细节不同，因此PAL制有PAL-G，PAL-I和PAL-D等制式。其中，PAL-D是我国大陆采用的制式。逐行倒相(Phase-Alte

7、rnative Line，PAL)彩色电视制n由于它也采用正交幅度调制，因此也称逐行倒相正交平衡调幅制，是为克服NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点而开发的。其中，“逐行倒相”的意思是颜色分量V的相位每隔一行反相一次。主要特性包括n图像的宽高比为4:3，625条扫描线，隔行扫描，25帧图像每秒，视像带宽至少为4 MHz，使用YUV颜色模型，色度信号用正交幅度调制，声音用调频制(FM)，总的电视通道带宽为8 MHz77章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续5)nSECAM制制法文Sequential Coleur Avec Memoire的缩写，称为“顺序传送彩色与存储”

8、彩色电视制1956年开始开发于1967 年开播的法国彩色电视广播标准n法国、俄罗斯、东欧和中东等约有60多个地区和国家使用SECAM与PAL制nSECAM制的色度信号使用频率调制(FM)，PAL制用的是正交幅度调制nSECAM制与PAL制具有相同的扫描线数(625线每帧)、帧频(25帧每秒，50场每秒)和图像宽高比(4:3)，视像带宽最高为6 MHz，总带宽为8 MHz。87章 数字电视基础7.1 模拟彩色电视制模拟彩色电视制(续续6)n国际彩色电视标准国际彩色电视标准1961年ITU为每一种黑白电视制分配AN中的一个字母，与NTSC，PAL和SECAM彩色电视制相结合，如我国大陆地区使用的P

9、AL-D，97章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步n电视的扫描方式电视的扫描方式逐行扫描/非隔行扫描/顺序扫描(noninterlaced scanning)n电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像，见图8-2(a)隔行扫描(interlaced scanning)n电子束扫完第1行后从第3行开始扫，接着扫第5行、7行、，一直扫到最后一行的中间，见图8-2(b)(a)逐行扫描图8-2 图像扫描方式107章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步(续续1)n一帧图像由两部分组成：由奇数行组成的奇数场；由偶数行组成的偶数场(6)

10、隔行扫描图8-2 图像扫描方式117章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步(续续2)n电视扫描术语电视扫描术语场频/场速率(field rate)ff ，每秒钟扫描的场数n根据人的视觉特性和电网频率(50Hz或60Hz)确定的，目的是使在屏幕上显示的图像看起来不会让人感觉到在闪烁，以及减低电网频率的干扰帧频/帧速率(frame rate)fF，每秒扫描的帧数n用“帧每秒(frames per second，fps)”做单位nPAL制和NTSC制电视的帧频分别为25 fps和30 fps。行频/水平行速率(horizontal line rate)fH，每秒钟扫描的行数n例如，NT

11、SC制精确的帧频是29.97 Hz，525行每帧，因此行频为29.9752515 734行/秒。127章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步(续续3)n扫描参数扫描参数PAL，NTSC和SECAM的扫描和同步参数见表8-2 137章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步(续续4)nPAL制的扫描特性制的扫描特性一帧图像的总行数为625，分两场扫描n场频为50 Hz，周期为20 msn帧频为25 Hz，周期为40 ms 行扫描频率(行频)为15 625 Hz，周期为64sn每一行传送图像的时间为52.2sn行扫描逆程时间为11.8s，兼作行同步和消隐图8-3表示n黑白电

12、视的扫描定时与同步信号，包括水平同步(即行同步)、场同步等信号 147章 数字电视基础7.2 电视扫描和同步电视扫描和同步(续续5)注意：由于每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回扫，传送图像的行数每场只有287.5行，因此每帧只有575行有图像显示。然而，计算机处理图像时将偶数场的第一行和奇数场的最后一行都作为完整的一行，奇数场和偶数场的有效显示行数就被认为都是288行，因此一帧图像的有效显示行数为576行。这就是有不少人争论的“575还是576”的问题 图8-3 扫描定时与同步信号157章 数字电视基础7.3 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型n三种类型的彩色电视信

13、号三种类型的彩色电视信号复合电视信号分量电视信号和S-Video信号n复合电视信号复合电视信号(composite video signal)/全电视全电视信号信号包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号n包含图像亮度信号和定时信号的黑白全电视信号见图8-3n一个行周期的黑白全电视信号见图8-4 n在彩色电视系统中，色差信号通过色载波信号调制之后加到每一扫描行的水平消隐信号上，见图8-5，再与图像亮度信号复合后就得到彩色全电视信号167章 数字电视基础7.3 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型(续续1)图8-4 一个行周期的黑白全电视信号177章 数字电视基础7.3 彩色电视信号的类型

14、彩色电视信号的类型(续续2)图8-5 水平消隐间隔上的色差信号187章 数字电视基础7.3 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型(续续3)n分量电视信号分量电视信号(component video signal)用三个颜色分量和同步信号进行记录和传输的电视信号n每个颜色分量可用RGB或用亮度-色差表示，如YIQ，YUVn需要较宽的带宽和同步信号主要用在数字电视系统、电视游戏和多媒体系统中 nS-Video(Separate Video)信号信号亮度信号(Y)和色度信号(C)分开录制和处理的电视信号n也称Y/C Videon也有人称为Super Video两个优点n减少亮度信号和色差信号之间的交

15、叉干扰n不需使用梳状滤波器分离亮度信号和色差信号197章 数字电视基础7.3 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型(续续4)1243YC地地地地nS-Video连接器连接器使用4针连接器，见图8-6具体规格见表8-3 请不要混淆S-Video和S-VHS(Super Video Home System)图8-6 S-Video连接器插座号信号信号电平阻抗1地(亮度)-2地(色度)-3亮度(包含同步信号)1.0V75 ohms4色度0.3V75 ohms表8-3 S-Video工业标准4针连接器规格 207章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化 n数字化方法数字化方法分量数字化(c

16、omponent digitization)n对彩色空间的每个分量进行数字化，如对YCbCr，YUV，YIQ或RGB颜色空间中的分量信号源n录像带、激光视盘和模拟摄像机等输出的彩色全电视信号数字化方法n先分离后数字化。u先把模拟的全彩色电视信号分离成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空间中的分量信号u用三个A/D转换器分别对分量信号数字化n先数字化后分离u用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化u在数字域中分离出YCbCr，YUV，YIQ或RGB颜色空间中的分量数据n详见参考文献和站点4 217章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化(续续1)n BT.601数字化标准

17、数字化标准国际无线电咨询委员会(CCIR)于20世纪80年代初制定的彩色电视图像数字化标准n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彩色空间之间的转换关系等彩色空间转换nBT.601的YCbCr分量用8位二进制数表示nRGB分量使用相同的数值范围0,219601219219219 0.2990 0.5870 0.1140160.1726 0.3388 0.5114128 0.5114 0.4282 0.0832128YRCbGCrB 227章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化(续续2)采样频率nCCIR为NTSC、PAL和SECAM彩色电视制规定了共

18、同的电视图像采样频率：13.5 MHzu对PAL和SECAM：fs=62525N=15625N=13.5 MHz,N=864 u对NTSC：fs=52529.97N=15734N=13.5 MHz,N=858 N为每一扫描行上的采样数目237章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化(续续3)采样频率和同步信号之间的关系见图8-7 色副载波fsc13.5MHz1/61/5251/1441/1431/625455/21135/4采样频率行频fH帧频fF色副载波fscNTSC制PAL制行频fH帧频fF采样频率图8-7 采样频率247章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化(续

19、续4)n有效显示分辨率有效显示分辨率对所有制式，每一扫描行的有效样本数均为720个每一扫描行的采样结构见图8-8122像素 12 像素 PAL制 SECAM制 NTSC制 有效采样样本 720像素 16 像素 720像素 132像素 图8-8 ITU-R BT.601的亮度采样结构257章 数字电视基础7.4 电视图像数字化电视图像数字化(续续5)nCIF电视图像格式电视图像格式Common Intermediate Format的缩写，可称“公用中间分辨率格式”；CCITT规定的格式用于625行和525行的电视图像具体规格见表8-5，其中 nQCIF(Quarter-CIF)1/4公用中间分

20、辨率格式nSQCIF(Sub-QCIF)小1/4公用中间分辨率格式267章 数字电视基础7.5 图像子采样图像子采样 n图像子采样图像子采样(subsampling)对彩色电视图像进行采样时，可采用两种采样方法n对亮度信号和色差信号采用相同的采样频率进行采样n对亮度信号和色差信号采用不同的采样频率进行采样图像子采样的概念n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的采样方法在数字图像压缩技术中得到广泛应用n最简便的图像压缩技术恐怕就要算图像子采样。基本依据是人的视觉系统所具有的两个特性u人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可把颜色信号去掉一些而使人不易察觉u

21、人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉 277章 数字电视基础n常见的采样格式常见的采样格式4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，每个像素用3个样本表示4:2:2 在每条扫描线上，每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示4:1:1 在每条扫描线上，每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示 287章 数字电视基础s4:2:0

22、 在水平和垂直方向上，每2个连续采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，每个像素用1.5个样本表示图8-9 彩色图像YCbCr样本空间位置297章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视 n数字电视是什么数字电视是什么英文名digital television/digital TV，DTV数字电视是远程通信系统n使用数据压缩技术和数字传输技术n提供质量高于模拟的电视的图像和声音n图像使用MPEG-2 Video标准，声音使用MPEG-2 Audio或杜比数字(Dolby Digital)标准n采用的标准不断修改，如已有公司开始采用MPEG-4 AVC/H.264标准30

23、7章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续1)n传输方式传输方式数字电视的传输方式n卫星转播：卫星数字电视(digital satellite TV)n地面广播：地面数字电视(digital terrestrial TV)n电缆传输：有线数字电视(digital cable TV)传输数字电视需要数字电视播出系统，接收数字广播电视需要数字电视机n现用的模拟电视机增加机顶盒后可收看部分数字电视节目n数字电视机可收看模拟电视节目317章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续2)n数字电视的原理数字电视的原理以地面数字电视广播系统(digital-terrestrial-televisi

24、on broadcasting system，DTTB)为例在数字电视信号发送端，见9-15(a)n视像信号经过视像编码器压缩和编码n声音信号经过声音编码器压缩和编码n视像、声音和其他数据或电视节目复合n经过多路复合器和传输格式生成器形成MPEG-2传输数据流(transport stream)n通过前向错误校正(FEC)编码器、调制器和上行转换器(upper converter)发送到数据传输信道上327章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续3)视像编码器声音编码器多路复合器多路分解器传送格式 清 除 器传送格式生 成 器FEC编码器FEC解码器调制器解制器上行变换器数据传输信道视像

25、解码器声音解码器其他节目其他节目视像视像声音声音其他数据下行变换器（a）数字电视信号发送端（b）数字电视信号接收端其他数据MPEG-2传输数据流MPEG-2传输数据流图8-15 地面数字电视广播系统5337章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续4)在数字电视信号接收端n通过下行变换器(down converter)、解调器、FEC解码器、传输格式清除器、多路分解器和视像解码器与声音解码器等功能块，将来自数据传输信道的信号还原成视像信号、声音信号和其他数据或其他电视节目在图8-15中n数据传输信道包括数字卫星、无线广播和数字电缆等传输媒体nFEC(forward error correc

26、tion)编码器称为前向纠错编码器，用于对MPEG-2传输数据流进行纠错编码，其目的是用于纠正在数据传输信道受到干扰时引发的错误347章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续5)n数字电视的标准数字电视的标准模拟电视有NTSC、PAL和SECAM三种主要标准，数字电视也有三种主要标准n美国的ATSC DTV(ATSC数字电视)标准6n欧洲的DVB(数字电视广播)标准7n日本的ISDB(综合业务数字广播)标准8中国标准n我国有识之士认识到要有我们国家自己的数字电视标准，并要力争成为国际标准，于2002年6月批准成立了“数字音视频编解码技术标准工作组”，简称“AVS(Audio Video

27、Standard)工作组”9，其任务是制定与其他国际标准(如MPEG-4/H.264 AVC)类似的AVS标准 357章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续6)n美国美国ATSC DTV标准标准美国高级电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee，ATSC)制定的数字电视标准涵盖视像编码、多声道环绕声、数据广播、卫星直播等方面的规范ATSC DTV标准系列中的主要标准和文档见表8-6367章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续7)377章 数字电视基础7.6 数字电视数字电视(续续8)n欧洲欧洲DVB标准标准Digital Vide

28、o Broadcasting的缩写。1992年由欧洲电信标准学会(ETSI)制定的数字电视广播标准，现由ETSI所属的DVB Project小组负责维护、开发和更新DVB的核心标准包括：nDVB-T：地面数字电视广播系统标准nDVB-S：卫星数字电视广播系统标准nDVB-C：有线数字电视广播系统标准nDVB-H：移动数字电视广播系统标准由于DVB标准具有较好的兼容性、开放性强以及简单实用等特性，现已成为目前世界上影响力最大的数字电视标准体系nDVB-S已成为世界性的数字卫星电视标准，DVB-C也在全世界范围内被广泛采纳，成为世界性的有线数字电视标准 387章 数字电视基础7.6 数字电视数字电

29、视(续续9)n日本日本ISDB标准标准Integrated Services Digital Broadcasting的缩写，称为“综合业务数字广播”标准。日本数字广播专家组（Digital Broadcasting Experts Group，DiBEG）发布的数字电视广播系统标准ISDB的标准包括:nISDB-S：卫星数字电视广播系统标准nISDB-T：地面数字电视广播系统标准nISDB-C：有线数字电视广播系统标准n2.6 GHz带宽的移动广播系统标准 397章 数字电视基础7.7 数字电视图像格式数字电视图像格式 n数字电视图像格式简介数字电视图像格式简介ATSC DTV,DVB和 I

30、SDB都使用MPEG-2 Video，理应都支持该标准所有的图像格式，但事实并非如此由于各种数字电视是从模拟电视发展而来的，因此图像格式明显带有NTSC，PAL或SECAM彩色电视制的“痕迹”，包括图像的尺寸和扫描频率美国高级电视系统委员会(ATSC)开始只考虑了NTSC制，其扫描行数为525、刷新频率为30Hz，定义了18种数字电视格式9，见表8-8。该标准将电视图像格式分成三种类型：(1)标准清晰度电视(ATSC SDTV)；(2)增强清晰度电视(ATSC EDTV)；(3)高清晰度电视(ATSC HDTV)欧洲电信标准学会(ETSI)同时考虑了PAL制和NTSC制，定义了用于25Hz和3

31、0Hz的SDTV格式和HDTV格式11，但未定义EDTV格式 407章 数字电视基础7.7 数字电视图像格式数字电视图像格式(续续1)表表8-8 ATSC DTV格式格式 417章 数字电视基础7.7 数字电视图像格式数字电视图像格式(续续2)nHDTV格式格式高清晰度电视(high definition television，HDTV)是具有正常视力的观众可得到与观看原始景物时的感受几乎相同的数字电视。通常认为，在观众与显示屏之间的距离等于3倍显示屏高度的情况下就可获得这种感受ATSC HDTV是ATSC定义的数字电视格式中的一个子集，由6种格式组成，见表8-12。ATSC还开发并通过了可为

32、采用25 Hz和50 Hz刷新频率的国家使用的另行标准HDTV的电视图像有如下特点：(1)HDTV屏幕的宽高比均为16:9；(2)电视画面可用19201080像素和1280720像素两种尺寸；(3)扫描方式为隔行扫描或逐行扫描427章 数字电视基础7.7 数字电视图像格式数字电视图像格式(续续3)欧洲DVB标准对HDTV电视图像格式的定义与ATSC HDTV格式基本相同，见表8-12，只是电视画面的刷新频率不同。该标准既可用于刷新频率为25 Hz和50 Hz的国家，也可用于刷新频率为30 Hz和60 Hz的国家垂直分辨率(行/帧)水平分辨率(像素/行)宽高比刷新频率(Hz)*4806404:3

33、30i4807044:348070416:9表表8-9 ATSC DVT标准定义的标准定义的SDTV格式格式*i=interlaced scanning:隔行扫描 437章 数字电视基础第第8章章 数字电视基础数字电视基础(参考文献参考文献)n参考文献和站点参考文献和站点1.Keith Jack，Video Demystified，A Handbook for the Digital Engineer，Third Edition，ISBN 0-7506-7822-4，Elsevier Inc，2005.2.Video Conversion Service,http:/ Broadcast St

34、andards,http:/ 达编著.多媒体与CD-ROM.北京：清华大学出版社，1995.pp338-3465.Dr.Pan Feng，Digital Television Terrestrial Broadcasting Primer，http:/ Television Systems Committee，Doc.A/54A,4 December 2003，Recommended Practice:Guide to the Use of the ATSC Digital Television Standard11.ETSI TS 101 154 V1.7.1(2005-06),Implementation guidelines for the use of Video and Audio Coding in Broadcasting Applications based on the MPEG-2 Transport Stream12.数字电视中文网(DVB CN)，http:/ 数字电视基础ENDEND第第7章章 数字电视基础数字电视基础 2008-07-01458章 数字电视基础