电视信号数字化原理与接口规范.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,点击此处结束放映,单击此处编辑母版标题样式,人民邮电出版社,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,点击此处结束放映,单击此处编辑母版标题样式,人民邮电出版社,第,3,章 电视信号数字化原理与接口规范,模拟信号数字化过程主要是取样、量化和编码。,取样将时间和幅度上连续模拟信号转变为时间离散信号，即时间离散化。,量化将幅度连续信号转换为幅度离散信号，即幅度离散化。,编码按照一定规律，将时间和幅度上离散信号用对应二进制或多进制代码表示。,电视信号数字化原理与接口规范,第1页,模拟信号数字化框图如图2-1所表示，其中,f,c,为滤波器截止频率，,f,s,为取样频率。,图2-1模拟信号数字化框图,电视信号数字化原理与接口规范,第2页,2.1 取 样 定 理,2.2 二维信号取样,2.3 数字电视信号参数选择,2.4 量 化,2.5 标准清楚度数字电视演播室标准,2.6 数字高清楚度电视,电视信号数字化原理与接口规范,第3页,假如对一个时间连续信号,f,(,t,),进行等时间间隔取样，取样时间间隔(取样周期)为,T,s,，,取样频率为,f,s,1/,T,s,。,2.1,取 样 定 理,电视信号数字化原理与接口规范,第4页,(1)经过理想取样后，输出信号频谱,F,s,(,),是原模拟信号频谱,F,(,),以,s,为周期延拓形成，如图2-2所表示。,(2)假如原模拟信号频谱,F,(,),频谱范围在,h,之内，则满足,s,2,h,时，则取样后信号,f,s,(,t,),经过一个截止频率为,s,/2,理想低通滤波器后，能够无失真地恢复原信号,f,(,t,)。,电视信号数字化原理与接口规范,第5页,图2-2 模拟信号理想取样前后频谱,电视信号数字化原理与接口规范,第6页,只要满足取样定理而且,/,T,s,足够小，仍能够从取样信号频谱中准确地恢复出原模拟信号。,图2-3 模拟信号实际取样前后频谱,电视信号数字化原理与接口规范,第7页,2.2,二维信号取样,对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点亮度,Y,是光波长,、,水平位置,x,、,垂直位置,y,和时间,t,函数。发端经过摄像机将光图像转换成电图像，光电转换器件是含有积分作用器件，所以有以下积分关系：,电视信号数字化原理与接口规范,第8页,图2-4 图像平面和二维取样脉冲,电视信号数字化原理与接口规范,第9页,在水平方向上取样间隔为,x,，,在垂直方向上取样间隔为,y,取样后信号为,其频谱为,式中：,v,=1/,y,为垂直取样频率；,u,=1/,x,为水平取样频率；,(,x,y,),为单位冲激序列。,取样前后频谱示意图如图2-5所表示。,电视信号数字化原理与接口规范,第10页,图2-5 水平、垂直取样前后二维频谱,电视信号数字化原理与接口规范,第11页,2.3,数字电视信号参数选择,电视信号数字化处理有数字分量编码和数字复合编码两种方式。,数字分量编码方式是对三基色信号,E,R,，,E,G,和,E,B,或对亮度信号和色差信号,E,Y,，,E,R,-,Y,与,E,B,-,Y,分别进行数字化处理。,电视信号数字化原理与接口规范,第12页,2.3.1 取样结构选择,取样结构是指取样点在空间与时间上相对位置，有正交结构和行交叉结构等。在数字电视中普通采取正交结构，如图2-6(,a,),所表示。这种结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列，这么有利于帧内和帧间信号处理。图2-6(,b,),所表示为行交叉结构，每行内取样点数为整数加半个。,电视信号数字化原理与接口规范,第13页,图2-6 取样结构图,电视信号数字化原理与接口规范,第14页,为了确保取样结构是正交，要求行周期,T,H,必须是取样周期,T,s,整数倍，即要求取样频率,f,s,应等于行频,f,H,整数倍，即,电视信号数字化原理与接口规范,第15页,2.3.2 取样频率选择,在数字电视中，亮度信号取样频率选择应该从以下4个方面考虑。,(1)首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽两倍。,电视信号数字化原理与接口规范,第16页,(2)为了确保取样结构是正交，取样频率应该是行频,f,H,整数倍，即,电视信号数字化原理与接口规范,第17页,(3)为了便于节目标国际间交流，亮度信号取样频率选择还必须兼顾国际上不一样扫描格式。,f,s,=,m,2.25MHz,(4)编码后比特率,R,b,=,f,s,n,，,其中,n,为量化比特数,。,电视信号数字化原理与接口规范,第18页,2.3.3 色度格式,1 422格式,在422格式中，色差信号,C,r,和,C,b,取样频率均为亮度信号取样频率二分之一，即,电视信号数字化原理与接口规范,第19页,2 444格式,在444格式中，色差信号,C,r,和,C,b,取样频率与亮度信号取样频率相同，即,亮度取样频率和两个色差信号取样频率之比为,电视信号数字化原理与接口规范,第20页,3 420格式,本格式中，色差信号,C,r,和,C,b,取样频率均为亮度信号取样频率四分之一，即,电视信号数字化原理与接口规范,第21页,4 411格式,在411格式中，色差信号,C,r,和,C,b,取样频率均为亮度信号取样频率四分之一，即,电视信号数字化原理与接口规范,第22页,2.4,量 化,量化就是把幅度连续改变信号变换为幅度离散信号，这是模拟信号到数字信号映射变换。,显然，一个量化器只能取有限多个量化级，所以量化过程将不可防止地带来量化误差。,电视信号数字化原理与接口规范,第23页,标量量化是一维量化，全部取样使用同一个量化器进行量化，每个取样量化都和其它全部取样无关，所以也称为无记忆量化。,矢量量化是多维量化，是先将,K,个取样值序列形成,K,维空间中一个矢量，然后将此矢量进行量化。,电视信号数字化原理与接口规范,第24页,2.4.1 量化器设计,量化器设计标准能够分为两种：,(1)给定量化器量化电平数,M,，,依据量化误差均方值为最小来设计量化器；,(2)给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化电平总数,M,尽可能小。,电视信号数字化原理与接口规范,第25页,2.4.2 均匀量化器,1 均匀量化器原理,设在输入信号动态范围,A,内进行均匀量化，每一量化间隔,A,是相等，共分为,M,级，设,M,=2,n,，,其中,n,为量化比特数，即,A,=,M,A,=2,n,A,M,和,n,取值主要是由量化信噪比决定。,电视信号数字化原理与接口规范,第26页,2 视频信号(单极性信号)量化信噪比,电视信号量化信噪比普通用信号峰-峰值与量化噪声有效值之比表示，即,普通惯用分贝表示为,电视信号数字化原理与接口规范,第27页,3 声音信号(双极性信号)量化信噪比,设声音信号最大幅度为,A,，,动态范围是+,A,-,A,。,对它均匀量化成,M,级，则有,2,A,=,M,A,=2,n,A,其中，,n,为量化比特数。,电视信号数字化原理与接口规范,第28页,2.4.3 量化噪声对图像影响,假如量化比特数,n,选得过小，量化噪声对图像影响主要有以下几方面。,(1)颗粒杂波,(2)伪轮廓,(3)边缘忙乱,电视信号数字化原理与接口规范,第29页,2.4.4 电视信号量化,1 量化前归一化处理,在对模拟电视分量信号,E,Y,、,E,(,R,-,Y,),和,E,(,B,-,Y,),进行量化和编码前，必须进行归一化处理。由电视原理可知，亮度和色差信号组成以下：,电视信号数字化原理与接口规范,第30页,令信号值归一化(即最大电平为1.0,V,)，,则100彩条信号各值如表2-2所表示。,电视信号数字化原理与接口规范,第31页,电视信号数字化原理与接口规范,第32页,2.码电平分配及数字表示式,(1)亮度信号量化后码电平分配,在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔量化级，其二进制范围是0000000011111111，对应十进制范围为0255。,电视信号数字化原理与接口规范,第33页,(2)色差信号量化后码电平分配,色差信号经过两次归一化处理后，,E,CR,和,E,CB,动态范围为-0.50.5，让色差零电平对应码电平2562=128，色差信号总共占225个量化级。,电视信号数字化原理与接口规范,第34页,(3)码电平数字表示式,亮度和色差信号量化以后取其最邻近整数作为码电平值，其数字化表示式为,D,Y,=,INT,(219,E,Y,+16)2,n,-8,D,CB,=,INT,(224,E,CB,+128)2,n,-8,D,CR,=,INT,(224,E,CR,+128)2,n,-8,其中,n,为量化比特数，符号,INT,表示对中小数部分四舍五入取整数。,电视信号数字化原理与接口规范,第35页,2.5,标准清楚度数字电视演播室标准,2.5.1 演播室数字编码参数,演播室数字编码主要参数(422格式)如表2-3所表示。,电视信号数字化原理与接口规范,第36页,电视信号数字化原理与接口规范,第37页,电视信号数字化原理与接口规范,第38页,2.5.2 数字分量电视信号接口,1并行和串行接口通用信号格式,凡按照,ITU,-,R,BT,.601,提议进行数字视频信号分量编码视频信号，其接口和数据流都应符合以下要求。,电视信号数字化原理与接口规范,第39页,(1)422数字分量信号时分复用传输,数字设备向外传输每帧内像素数据时，应该按以下次序时分复用：,C,b,1,Y,1,C,r,1,Y,2,C,b,2,Y,3,C,r,2,Y,4,C,b,3,Y,5,C,r,3,Y,4,.,C,b,360,Y,719,C,r,360,Y,720,奇数点按,C,b,YC,r,次序传输数据，偶数点只有,Y,样点数据传输。每一行均如此，直至第576行。,电视信号数字化原理与接口规范,第40页,(2)视频数据与模拟行同时间定时关系,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，数字有效行与模拟行之间应该有明确定时关系。,电视信号数字化原理与接口规范,第41页,(3)422数字流组成,假如是全数字系统，在接收端不是,PAL,接收机而是数字接收机，其扫描同时电路也是数字扫描电路，则无须探究数字视频信号与模拟视频信号,O,H,定时关系，能够只关注数字流组成。,电视信号数字化原理与接口规范,第42页,(4)视频定时基准信号,SAV,和,EAV,在数字标准清楚度电视(,SDTV,),中，扫描参数依然为625/50/21，即垂直扫描为含有奇偶场隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行、场消隐期。,电视信号数字化原理与接口规范,第43页,(5)奇偶场内场识别和场消隐期扫描行序号,在奇数场和偶数场内，场识别和场消隐期行序号如表2-6所表示。,电视信号数字化原理与接口规范,第44页,电视信号数字化原理与接口规范,第45页,2比特并行接口,(1)机械特征,每帧数字视频以,C,b,1,Y,1,C,r,1,Y,2,C,b,2,Y,3,C,r,2,Y,4,C,b,3,Y,5,C,r,3,Y,6,.,C,b,360,Y,719,C,r,1360,Y,720,次序进行传输。,电视信号数字化原理与接口规范,第46页,(2)并行接口电气特征,时钟与数据定时关系,时钟信号是27,MHz,方波，周期为,T,CK,=37,ns,，,定时基准为时钟信号高低电平过渡时刻，时钟信号正向跳变应出现在两次数据跳变中间。,收、发间线路驱动器特征,收发之间每位数据采取平衡双绞线传输,电视信号数字化原理与接口规范,第47页,允许电缆长度,因为在双绞线上传输27,MHz,数据，电缆幅频特征限制了使用电缆长度。,3 比特串行接口,比特串行接口(,Serial,Digital,Interface,，,SDI,),中，每个10比特数据字经并/串转换电路后变成串行数据流，传输码率从27,Mbit,/,s,变为270,Mbit,/,s,，,用单芯同轴电缆传输。,电视信号数字化原理与接口规范,第48页,(1)并/串变换,输入数据由27,MHz,时钟信号并行写入移位存放器，然后用10倍频270,MHz,时钟串行读出。,(2)扰码,因为接收端解码时需要恢复时钟信号，而串行接口不能像并行接口那样使用单独数据线传输时钟信号，时钟恢复只能利用信号本身跳变来产生，这称为自时钟方式。,电视信号数字化原理与接口规范,第49页,(3)码型变换,图2-21中,NRZ-NRZI,编码器是把非归零码(,NRZ),变换成倒相非归零码(,NRZI)。,(4)机械特征,在数字比特串行接口中用特征阻抗75,单芯同轴电缆传输信号，接插件为标准,BNC,型接头。,电视信号数字化原理与接口规范,第50页,图2-21扰码电路和,NRZ-NRZI,变换编码电路,电视信号数字化原理与接口规范,第51页,2.6,数字高清楚度电视,2.6.1 概述,高清楚度电视(,High Definition Television，HDTV),在图像和声音质量方面都比现行电视高出一个档次，能让观众看到清楚鲜艳、生动逼真画面，听到优美动听围绕立体声音响，使观众有身临其境感受，取得高度精神享受。,电视信号数字化原理与接口规范,第52页,HDTV,还在屏幕尺寸和宽高比喻面有改进，依据人眼视觉特征和心理效应试验，对,HDTV,基本参数提出了以下要求。,(1)提升图像空间分解力。,(2)提升场频或帧频，应确保高亮度下列图像不闪烁。,(3)提升图像宽高比，画面宽高比为169更符合人眼视觉特征，视野宽，临场,感强。,电视信号数字化原理与接口规范,第53页,(4)展宽色域，提升电视色彩感染力。,(5),HDTV,应有高质量围绕立体声，最少有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20,kHz,。,电视信号数字化原理与接口规范,第54页,2.6.2 数字高清楚度电视扫描参数及图像格式,1.场频,在模拟电视系统中，选择场频主要考虑了运动图像连续感、无闪烁、不易受交流电源干扰和视频信号频带不致过宽等原因，国际上一直采取50,Hz,和60,Hz,两种场频。,电视信号数字化原理与接口规范,第55页,2 扫描方式,电视系统扫描方式有逐行方式与隔行方式两种，模拟电视系统均采取了隔行扫描方式，而当前国际上在,HDTV,和,SDTV,中现有隔行扫描方式，也有逐行扫描方式。,隔行扫描是一个有效带宽压缩方案，它将一帧图像分成两场扫描，在每帧扫描行数及图像换幅频率一定情况下，可使视频信号带宽降低为逐行扫描时二分之一。,电视信号数字化原理与接口规范,第56页,我国,HDTV,标准采取分辨率为19201080，帧频为25,Hz,隔行扫描方式。,3 图像格式,图像格式包含图像宽高比、图像纵横像素数和像素宽高比等参数。,图像宽高比,HDTV,图像宽高比是1.777(169)。,电视信号数字化原理与接口规范,第57页,图像纵横像素数,通惯用每行像素数每帧有效行数来表示图像像素数，在标准清楚度数字电视中为720576，在高清楚度数字电视中为19201080。,像素宽高比,依据图像宽高比和图像纵横有效像素数能够推算出像素宽高比。,电视信号数字化原理与接口规范,第58页,4 24,P,格式,HDTV,标准中有24,p,格式(19201080/24/11)，这是符合电影规范逐行扫描方式，是一个新电视节目制作格式。,电视信号数字化原理与接口规范,第59页,2.6.3 数字高清楚度电视演播室参数标准,ITU-R BT.709,提议提出了两种,HDTV,节目制作及国际节目交换用,HDTV,参数方案，一个是隔行扫描数字,HDTV,视频格式，能够向下兼容,SDTV；,另一个是方型像素通用数字高清楚度视频格式，和多媒体计算机等各种应用含有互操作性。,电视信号数字化原理与接口规范,第60页,2.6.4 数字高清楚度电视演播室视频信号接口,我国于20颁布了我国数字HDTV演播室视频信号接口标准GY/T 156-2000。,1.视频数据,数字演播室数据信号为二进制编码，其中包含：视频数据(8比特字或10比特字)、定时,基准码(8比特字或10比特字)与辅助数据等。,电视信号数字化原理与接口规范,第61页,2.数字视频信号与模拟视频信号波形定时关系,(1)行定时关系,数字视频信号是由模拟视频信号经过,A,/,D,转换得到，在数字有效行与模拟行之间应该有明确定时关系。,电视信号数字化原理与接口规范,第62页,图2-22数据格式与模拟波形定时关系,电视信号数字化原理与接口规范,第63页,