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彩色数字电视基础•7.1彩色电视制式•电视是20世纪20年代的伟大发明，在50年代开发电视技术时，用任何一种数字技术来传输和再现真实世界的图像和声音都是极其困难的，因此电视技术一直沿着模拟信号处理技术的方向发展，直到70年代才开始开发数字电视。由于数字技术具有许多优越性，而且数字技术发展到足以使模拟电视向数字电视过渡的水平，电视和计算机才开始融合在一起。•彩色数字电视是从模拟电视和模拟彩色电视发展而来的，因此本章的前半部分将介绍模拟电视的一些基本常识，而后半部分将介绍彩色数字电视的基本常识。这些基本常识对理解MPEG电视是极其有用的。•7.1.1简介•目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV(High-Definitiontelevision)。数字彩色电视是从模拟彩色电视基础上发展而来的，因此在多媒体技术中经常会碰到这些术语。•NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)彩色电视制是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。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。•由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-AlternativeLine)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。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。•法国制定了SECAM(法文：SequentialColeurAvecMemoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。•NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式。这里说的“兼容”有两层意思：–一是指黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像.–另一层意思是彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像，这叫逆兼容性。•为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求：–(1)必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等。–(2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像。7.1.2电视扫描与同步•扫描有隔行扫描(interlacedscanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描。•隔行扫描与非隔行扫描–隔行扫描：总行数为奇数–行频fH,场频ff，帧频fF•1.PAL制电视的扫描特性–625行/帧，25帧/秒（40ms/帧）–宽高比：4：3–隔行扫描，2场/帧，312.5行/场–颜色模型：YUV2.NTSC制的扫描特性•NTSC彩色电视制的主要特性是：•(1)525行/帧,30帧/秒(29.97fps,33.37ms/frame)•(2)高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9)•(3)隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场•(4)在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据。Laserdisc约~420线，S-VHS约~320线•(5)每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒。•(6)颜色模型：YIQ3.SECAM•SECAM(法文：SequentialColeurAvecMemoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。这种制式与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序传输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65个地区和国家使用这种制式，图像格式为4:3，625线，50Hz，6MHz电视信号带宽，总带宽8MHz。•SECAM制–与PAL类似•三种制式的比较7.1.3彩色电视•彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的。彩色电视的许多特性，如扫描、同步等都与黑白电视相同，不同的是显示的图像的颜色不同。•根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混合得到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的。值得庆幸的是，科学家们对人的彩色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然景物彩色过程中，并不一定要恢复原景物辐射的所有光波成分，而重要的是获得与原景物相同的彩色感觉。•在彩色电视中，用Y、C1,C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2的含义与具体的应用有关。在彩色电视中，使用Y、C1，C2有两个重要优点:•①Y和C1，C2是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，Y分量可由黑白电视接收机直接使用而不需做任何进一步的处理；•②可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使C1，C2的带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。因此，为了满足兼容性的要求，彩色电视系统选择了一个亮度信号和两个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收。7.2彩色电视信号的类型•7.2.1复合电视信号–包含亮度信号色差信号和所有定时信号的单一信号–黑白全电视信号–彩色全电视信号•7.2.2分量电视信号–每个基色分量作为独立的电视信号。•7.2.3S-Video信号–亮度和色差分离的一种电视信号–减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰–不需要适用滤波器来分离亮度和色差信号，提高亮度信号的带宽。–Y/C两条信号线，4针连接器7.3电视图象数据化•7.3.1数字化的方法–从复合彩色电视图象中分离彩色分量然后数字化。–数字化复合彩色电视图象然后分离。7.3.2数字化标准•早在20世纪80年代初，国际无线电咨询委员会CCIR(InternationalRadioConsultativeCommittee)就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR601标准，现改为ITU-RBT.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(或者写成YCBCR)两个彩色空间之间的转换关系等。•1、颜色空间之间的转换•在数字域而不是模拟域中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•2、采样频率：–CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样，如ISDN、电视会议、CCITT-H.261及光纤通信等。–对PAL制、SECAM制，采样频率fs为fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz,N=864其中，N为每一扫描行上的采样数目。–对NTSC制，采样频率fs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。•3、有效显示分辨率：有效分辨率720个•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，每一扫描行的显示样本数均为720个。•4、ITU-RBT.601标准摘要–用于对隔行扫描电视图象进行数据化时，对NTSCPAL制式彩色电视的采样频率和有效显示分辨率的规定。•7.4.1图像子采样概要•对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果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，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。•图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。可以说，在彩色图像压缩技术中，最简便的图像压缩技术恐怕就要算图像子采样了。这种压缩方法的基本根据是人的视觉系统所具有的两条特性：•一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人不察觉；•二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉。子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压缩彩色电视信号。7.4图象子采样•7.4.1图象子采样概要–对亮度和色差使用不同的采样频率–几种格式：•4：4：4，•4：2：2，•4：1：1，•4：2：0•7.4.24:4:4YCbCr格式•7.4.34:2:2YCbCr格式•7.4.44:1:1YCbCr格式•7.4.54:2:0YCbCr格式–H.261,H.263,MPEG-1–MPEG-2