多媒体技术之彩色数字电视基础.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,vg,*,计算机科学系,多媒体开发与应用技术,多媒体技术基础,Fundamentals of Multimedia,第,10,章 彩色数字电视基础,Chapter 10 Fundamentals of Digital Color TV,大纲,电视原理,分类,数字电视,2,电视的影响,最有影响力的媒体之一,特别是新闻,体育,电视剧等,“谁掌握媒体就掌握了话语权。”3,4,电视的原理,视觉暂留,5,视觉的时间域响应特性,让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比较低，人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高，人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做,临界闪烁频率,，经测定为,46Hz,。,6,采样频率的影响,Motion continuity,（连续性）,Do we see smooth motion or jerks,Flicker,（闪烁）,Do we see the image flashing quickly,7,Motion Continuity,运动下的采样,8,Motion continuity requirements,We are less sensitive to continuity than to flicker,Movies use 24fps,80+fps is typically more than enough,For humans,of course,9,Flicker,Perceptible variations in brightness,We can easily detect lower frequency flicker,40Hz (critical is 46),Flicker is NOT motion continuity,10,电视机,11,12,彩色电视制式,NTSC,美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾,PAL,德国、英国等一些西欧国家，及中国、朝鲜等国家,SECAM,法国、及东欧国家,13,World TV Standards,NTSC,PAL,SECAM,PAL/SECAM,Unknown,14,兼容制式,NTSC,，,PAL SECAM,都是兼容制式,黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像,彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像（逆兼容）,15,兼容的要求,既兼容又有彩色特性，彩色电视系统应满足,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。,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。,16,R,G,B,Y,Y,V,U,17,电视扫描和同步,扫描分类,非隔行扫描（逐行扫描）,(progressive scanning),计算机显示器,隔行扫描,(interlaced scanning),电视,18,显示器的发展,Note that display technology is changing with the advent of,LCD,Thin,Film Transistor(TFT),薄膜晶体管,-based monitors,DVDs and digital cameras,an alternative method of bringing the image to the screen,known as progressive scanning,has been created.,19,逐行扫描,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（一,帧,）,.,20,隔行扫描,在隔行扫描中，电子束扫完第,1,行后回到第,3,行开始的位置接着扫，然后在第,5,、,7,、,，行上扫，直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行，这样就完成了一帧,(frame),的扫描。,21,22,隔行扫描,隔行扫描的一帧图像由两部分组成：,奇数场（奇数行组成）,+,偶数场（偶数行组成）,23,24,When interlaced video is shown on an interlaced display,only one field is displayed at a time.,The physical properties of the display(e.g.,afterglow of the phosphors,of a CRT)and,human perception,integrate the fields so that the resulting video appears complete.,25,Why Interlaced,A progressive 625 line system with 50 frames per second would have a line frequency of 32.25 kHz and a video bandwidth of about 12 MHz,asuming,720 active pixels per line.,This bandwidth requirement was too high.A radiofrequency TV channel has an available bandwidth of 7 or 8 MHz.,Therefore the interlaced systems were introduced.They provide a good resolution and a,sufficienly,high,field,frequency of 50,resp,.60 Hz but a lower frame frequency of 25,resp,.30 Hz at half the bandwidth of a progressive system.,26,比较,27,比较,Progressive Scan 50/60 Hz,Frame 1,Frame 2,Frame 3,Frame 4,Interlaced Scan 25/30 Hz,Field 1(odd),Field 2(even),Field 3(odd),Field 4(even),Frame 1,Frame 2,Progressive Scan 50/60 Hz,Interlaced Scan 25/30 Hz,Field 1(odd),Field 2(even),Field 3(odd),Field 4(even),Frame 1,Frame 2,Frame 1,Frame 2,Frame 3,Frame 4,28,比较,29,隔行扫描,的行数,隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数,一帧画面分两场，第一场扫描总行数的一半，第二场扫描总行数的另一半。,隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数。,30,31,Interlaced Scanning,Shown Here for the NTSC Video Format.PAL and SECAM Interlacing is Similar,with the Difference Being the Number of Lines in Each Field,32,33,隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。,例如刷新频率为,30,帧,/,秒，如采用逐行扫描显示，可注意到图形在闪烁，但采用隔行扫描，扫描一帧的时间只用了原来一半，也就是说刷新频率接近,60,帧,/,秒，这时图形显示质量提高，不再闪烁。,34,扫描参数,行频,f,H,：每秒钟扫描多少行；,场频,f,f,：每秒钟扫描多少场；,帧频,f,F,：每秒扫描多少帧,35,PAL,PAL,制电视的扫描特性,625,行,(,扫描线,)/,帧，,25,帧,/,秒,(40 ms/,帧,),宽,高比,(aspect ratio),：,4:3,隔行扫描，,2,场,/,帧，,312.5,行,/,场,颜色模型：,YUV,36,一帧图像的总行数为,625,，分两场扫描。行扫描频率是,15 625 Hz,，周期为,64s,；场扫描频率是,50 Hz,周期为,20 ms,；帧频是,25 Hz,，是场频的一半，周期为,40 ms,。,在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是,52.2s,，其余的,11.8s,不传送图像，是行扫描的逆程时间，同时用作行同步及消隐用。每一场的扫描行数为,625/2=312.5,行，其中,25,行作场回扫，不传送图像，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。,37,NTSC,NTSC,制的扫描特性,525,行,/,帧,30,帧,/,秒,(29.97 fps,33.37 ms/frame),宽,高比：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),隔行扫描，一帧分成,2,场,(field),，,262.5,线,/,场,颜色模型：,YIQ,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。,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,38,SECAM,SECAM,的扫描特性,与,PAL,制类似，区,别是,SECAM,中的色度信号是频率调制,(FM,）（,NTSC,，,PAL,都是,QAM,）,图像格式为,4:3,，,625,线，,50 Hz,39,40,Inter-line Flicker,A common problem with Interlace,The line is refreshed 30 times per second,not 60!,(NTSC),(,跨线闪烁,),41,Film,电影录制过程中，每秒有,24,幅画面，也就是,24fps.,Generally displayed at 72 fps(each frame 3x),to reduce flicker,Film has no scanning,Film captures the entire frame at once,TV video presents the top half before the bottom half,42,Aspect ratio,(,宽高比）,Width/Height,Television:,4:3,16:9 HDTV,16:9=1.78:1,Film,1.85:1 is most common,2.35:1 in some cases,4:3(12:9),16:9,43,Problems with Aspect Ratio,What if the display AR is less than the production AR?,44,Letterboxing,Simply shrinking vertically to fit,45,Cropping,Just cutting to fit,46,Pan and Scan,We can move the window,47,Examples,Widescreen,48,彩色电视机,黑白电视基础上发展起来,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,。,49,颜色空间,人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低，通常把,RGB,空间表示的彩色图像变换到,YUV,或者,YIQ,颜色空间。,每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而且亮度信号,(Y),和色度信号,(U,、,V),是相互独立的，每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。,彩色电视信号中采用,YIQ,或者,YUV,空间一是为了兼容黑白电视，二是为了实现压缩。,50,彩色电视信号的类型,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,复合电视信号是把亮度信号和色差信号复合在一起,分量电视信号,每个基色分量作为独立的电视信号,每个基色既可以分别用,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,。使用分量电视信号是表示颜色的最好方法但需要比较宽的带宽和同步信号。,S-Video,信号,亮度和色差分离的一种电视信号，使用单独的两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号,减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。,不需要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。,51,复合信号,The most common form of connecting external devices,putting all the video information into one signal.,52,S-Video,S-Video,small round connector with two separate video signals,one carrying brightness(luminance ),the other carrying color(,chroma,).Also referred to as Y/C video,53,数字电视,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。,54,优点,可直接进行随机存储使电视图像的检索变得很方便，,复制数字电视图像和在网络上传输数字电视图像都不会造成质量下降，,很容易进行非线性电视编辑。,55,数字化,电视图像数字化常用的方法有两种：,(1),先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。我们现在接触到的大多数电视信号源都是彩色全电视信号，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电视信号。对这类信号的数字化，通常的做法是首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，然后用三个,A/D,转换器分别对它们数字化。,(2),首先用一个高速,A/D,转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的,YCbCr,YUV,，,YIQ,或,RGB,分量数据。,56,数字化标准,ITU-RBT.601,(1980s),该标准用于对隔行扫描电视图像进行数字化，对,NTSC,和,PAL,制彩色电视的采样频率和有效显示分辨率都作了规定,例如：,彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，,RGB,和,YC,b,C,r,(,或者写成,YC,B,C,R,),两个彩色空间之间的转换关系等。,57,1.,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。,每行采样点数,N=864 (PAL),，,858,（,NTSC,）,对于所有制式，每个扫描行的有效样本数均为,720,，其余为同步控制用。,亮度信号采样频率,fs,=13.5 MHZ,PAL:,fs,=62525N=15625N=13.5 MHz,(N=864),（其实就是算,frame,总的点数）,NTSC:,fs,=52529.97N=15734N=13.5 MHz,N=858,58,色度信号,色度信号采样频率,fc,6.75MHZ,或,13.5MHZ,ITU-R BT.601,推荐使用,422,的彩色电视图像采样格式。使用这种采样格式时，,Y,用,13.5 MHz,的采样频率，,Cr,，,Cb,用,6.75 MHz,的采样频率。,59,2,、数字信号取值范围：,亮度信号,220,级，色度信号,225,级。,3,、颜色空间之间的转换公式,4,、图像子采样格式：,4,：,4,：,4,，,4,：,2,：,2,、,4,：,1,：,1,、,4,：,2,：,0,60,彩色电视数字化参数摘要,采样格式,信号形式,采样频率,(MHz),样本数,/,扫描行,数字信号取值范围,(A/D),NTSC,PAL,4:2:2,Y,13.5,858(720),864(720),220,级,(16,235),Cr,6.75,429(360),432(360),225,级,(16,240),Cb,6.75,429(360),432(360),(128 112),4:44,Y,13.5,858(720),864(720),220,级,(16,235),Cr,13.5,858(720),864(720),225,级,(16,240),Cb,13.5,858(720),864(720),(128 112),61,CIF,为了既可用,625,行的电视图像又可用,525,行的电视图像，,CCITT,规定了称为公用中分辨率格式,CIF(Common,Intermediate Format),(1),电视图像的空间分辨率为家用录像系统,(Video Home System,，,VHS),的分辨率，即,352288,。,(2),使用非隔行扫描,(non-interlaced scan),。,(3),使用,NTSC,帧速率，电视图像的最大帧速率为,30,幅,/,秒。,(4),使用,1/2,的,PAL,水平分辨率，即,288,线。,(PAL:625,有效,576),(5),对亮度和两个色差信号,(Y,、,Cb,和,Cr),分量分别进行编码，它们的取值范围同,ITU-R BT.601,。,62,CIF,、,QCIF,和,SQCIF,CIF,：,Common Intermediate Format,QCIF,：,Quarter CIF,SQCIF,：,Sub-Quarter CIF,63,图像子采样,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,),。,64,4:2:2,在水平扫描方向上，每,2,个,Y,样本有,1,个,Cb,样本和一个,Cr,样本。,4:4:4,对每个采样点，,Y,Cb,和,Cr,各取一个样本。,4:1:1,在水平扫描方向上，每,4,个,Y,样本各有,1,个,Cb,样本和一个,Cr,样本，每个分量的每个样本精度为,8,比特。,DV,4:2:0,在水平方向的,2,个,Y,样本和垂直方向上的,2,个,Y,样本共,4,个样本有,1,个,Cb,样本和一个,Cr,样本。,这是,H.261,H.263,和,MPEG-1,2,使用的子采样格式。,65,4:4:4,YCbCr,格式,4:2:2,YCbCr,格式,4:1:1,YCbCr,格式,4:2:0,YCbCr,格式,66,数字电视分类,数字电视系统业务可以按照其活动的图像比特率的大小，粗略划分为,标准清晰度数字电 视（,SDTV,）,SDTV,（,500-600,线）即标准清晰度电视，主要是对应现有电视的分辨率量级,704x480,640 x480,高清晰度数字电视（,HDTV,）。,1000,线以上,16,：,9,67,HDTV,Varying resolutions,1920 x 1024:1024,i/p,(interlaced/progressive),1280 x 720:720,i/p,68,中国数字电视进度表,2000,年和,2001,年是我国数字电视广播试验年，在北京、上海、深圳三个城市进行数字广播试验；,2002,年，具有独立知识产权的中国数字电视系统标准将获最终确定；,2003,年将在全国更大范围内进行数字电视商业广播试验；,2005,年全国四分之一的电视台将发射和传输数字电视信号；,2010,年我国计划全面实现数字广播电视；,2015,年停止模拟广播电视的播出，数字电视基本上成为我国电视播放主力。,69,Quiz,A HDTV has 1920 x1080 resolution,24-bits pixel,30 progressive frames per second,Bandwidth,1920 x1080 x24x30=1.4929,Gbps,70,