第7章 彩色數字電視基礎
電視是當代最有影響力的信息傳播工具！
電視是20世紀20年代的偉大發明，在50年代開發電視技術時，用任何一種數字技術來傳輸和再現真實世界的圖像和聲音都是極其困難的，因此電視技術一直沿着模擬信號處理技術的方向發展，直到70年代纔開始開發數字電視。由於數字技術具有許多優越性，而且數字技術發展到足以使模擬電視向數字電視過渡的水平，電視和計算機纔開始融合在一起。
彩色數字電視是從模擬電視和模擬彩色電視發展而來的，因此本章的前半部分將介紹模擬電視的一些基本常識，而後半部分將介紹彩色數字電視的基本常識。這些基本常識對理解MPEG電視是極其有用的。
7.1 彩色電視制式
7.1.1 簡介
目前世界上現行的彩色電視制式有三種：NTSC制、PAL制和SECAM制。這裏不包括高清晰度彩色電視HDTV (High-Definition television)。數字彩色電視是從模擬彩色電視基礎上發展而來的，因此在多媒體技術中經常會碰到這些術語。
NTSC(National Television Systems Committee)彩色電視制是1952年美國國家電視標準委員會定義的彩色電視廣播標準，稱爲正交平衡調幅制。美國、加拿大等大部分西半球國家，以及日本、韓國、菲律賓等國和中國的臺灣採用這種制式。
由於NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點，因此德國（當時的西德）於1962年制定了PAL（Phase-Alternative Line）制彩色電視廣播標準，稱爲逐行倒相正交平衡調幅制。德國、英國等一些西歐國家，以及中國、朝鮮等國家採用這種制式。
法國制定了SECAM（法文：Sequential Coleur Avec Memoire）彩色電視廣播標準，稱爲順序傳送彩色與存儲制。法國、蘇聯及東歐國家採用這種制式。世界上約有65個地區和國家試驗這種制式。
NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式。這裏說的“兼容”有兩層意思：一是指黑白電視機能接收彩色電視廣播，顯示的是黑白圖像，另一層意思是彩色電視機能接收黑白電視廣播，顯示的也是黑白圖像，這叫逆兼容性。爲了既能實現兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統應滿足下列幾方面的要求：
(1) 必需採用與黑白電視相同的一些基本參數，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號、圖像載頻、伴音載頻等等。
(2) 需要將攝像機輸出的三基色信號轉換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，並將它們組合成一個彩色全電視信號進行傳送。在接收端，彩色電視機將彩色全電視信號重新轉換成三個基色信號，在顯象管上重現發送端的彩色圖像。
7.1.2 電視掃描和同步
掃描有隔行掃描(interlaced scanning)和非隔行掃描之分。非隔行掃描也稱逐行掃描，圖7-01表示了這兩種掃描方式的差別。黑白電視和彩色電視都用隔行掃描，而計算機顯示圖像時一般都採用非隔行掃描。
(a) 逐行掃描
(b) 隔行掃描
圖7-01 圖像的光柵掃描
在非隔行掃描中，電子束從顯示屏的左上角一行接一行地掃到右下角，在顯示屏上掃一遍就顯示一幅完整的圖像，如圖7-01(a)所示。
在隔行掃描中，電子束掃完第1行後回到第3行開始的位置接着掃，如圖7-01(b)所示，然後在第5、7、……，行上掃，直到最後一行。奇數行掃完後接着掃偶數行，這樣就完成了一幀(frame)的掃描。由此可以看到，隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：一部分是由奇數行組成，稱奇數場，另一部分是由偶數行組成，稱爲偶數場，兩場合起來組成一幀。因此在隔行掃描中，無論是攝象機還是顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像。
在隔行掃描中、掃描的行數必須是奇數。如前所述，一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數的一半，第二場掃描總行數的另一半。隔行掃描要求第一場結束於最後一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個原因，纔要求總的行數必須是奇數。
每秒鐘掃描多少行稱爲行頻fH；每秒鐘掃描多少場稱爲場頻ff；每秒掃描多少幀稱幀頻fF。ff和fF是兩個不同的概念。
1. PAL制電視的掃描特性
PAL電視制的主要掃描特性是：
(1) 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀)
(2) 高寬比(aspect ratio)：4:3
(3) 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場
(4) 顏色模型：YUV
一幀圖像的總行數爲625，分兩場掃描。行掃描頻率是15 625 Hz，週期爲64μs；場掃描頻率是50 Hz,週期爲20 ms；幀頻是25 Hz，是場頻的一半，週期爲40 ms。在發送電視信號時，每一行中傳送圖像的時間是52.2μs，其餘的11.8μs不傳送圖像，是行掃描的逆程時間，同時用作行同步及消隱用。每一場的掃描行數爲625/2=312.5行，其中25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數每場只有287.5行，因此每幀只有575行有圖像顯示。圖7-02所示表示的是一個行週期的電視信號，彩色電視信號與它相似。
圖7-02 一個行週期的電視信號(黑白電視系統)
2. NTSC制的掃描特性
表7-01 彩色電視的同步信號
水
平
定
時
(μs)
TV制式
PAL
NTSC
SECAM
行週期(H)
64.0
63.55
64.0
消隱寬度
11.8
10.8
11.8
同步寬度
4.7
4.7
4.7
前肩
1.3
1.3
1.3
色同步起點
5.6
5.1
�
色同步寬度
2.25
2.67
�
均衡脈衝寬度
2.35
2.3
2.35
垂
直
(場)
同
步
場同步脈衝寬度
27.3
27.1
27.3
消隱寬度
25H
20H
25H
均衡脈衝數
5
6
5
場同步脈衝數
5
6
5
表7-02 彩色電視國際標準
TV制式
PAL
NTSC
SECAM
行/幀
625
525
625
幀/秒(場/秒)
25(50)
30(60)
25(50)
行/秒
15625
15734
15625
參考白光
C白
D6500
D6500
聲音載頻(MHz)
5.5 6.0 6.5
4.5
6.5
γ
2.8
2.2
2.8
彩色副載頻(Hz)
4433618
3579545
4250000(+U)
4406500(-V)
彩色調製
QAM
QAM
FM
亮度帶寬(MHz)
5.0 5.5
4.2
6.0
色度帶寬(MHz)
1.3(Ut)
1.3(Vt)
1.3(I) 0.6(Q)
>1.0(Ut)
>1.0(Vt)
7.1.3 彩色電視
彩色電視是在黑白電視基礎上發展起來的。彩色電視的許多特性，如掃描、同步等都與黑白電視相同，不同的是顯示的圖像的顏色不同。
根據三基色的基本原理，任何一種顏色都可以用R、G、B三個彩色分量按一定的比例混合得到，但要精確地復顯自然景物中的彩色確是相當困難的。值得慶幸的是，科學家們對人的彩色視覺特性經過長期研究後發現，在重顯自然景物彩色過程中，並不一定要恢復原景物輻射的所有光波成分，而重要的是獲得與原景物相同的彩色感覺。
圖7-03說明用彩色攝象機攝取景物時，如何把自然景物的彩色分解爲R、G、B分量，以及如何重顯自然景物彩色的過程。
圖7-03 彩色圖像重現過程
按照色度學的基本原理，用R、G、B三基色的各種線性組合可以構造出各種不同的彩色空間來表示景物的顏色。各種不同的彩色空間在不同的應用中也許會比原始的RGB彩色空間具有更有用的特性，更有效且更經濟。因此在彩色電視中，用Y、C1, C2彩色表示法分別表示亮度信號和兩個色差信號，C1，C2的含義與具體的應用有關。在NTSC彩色電視制中，C1，C2分別表示I、Q兩個色差信號；在PAL彩色電視制中，C1，C2分別表示U、V兩個色差信號；在CCIR 601數字電視標準中，C1，C2分別表示Cr，Cb兩個色差信號。所謂色差是指基色信號中的三個分量信號(即R、G、B)與亮度信號之差。
在彩色電視中，使用Y、C1，C2有兩個重要優點：①Y和C1，C2是獨立的，因此彩色電視和黑白電視可以同時使用，Y分量可由黑白電視接收機直接使用而不需做任何進一步的處理；②可以利用人的視覺特性來節省信號的帶寬和功率，通過選擇合適的顏色模型，可以使C1，C2的帶寬明顯低於Y的帶寬，而又不明顯影響重顯彩色圖像的觀看。因此，爲了滿足兼容性的要求，彩色電視系統選擇了一個亮度信號和兩個色差信號，而不直接選擇三個基色信號進行發送和接收。
7.2 彩色電視信號的類型
7.2.1 複合電視信號
包含亮度信號、色差信號和所有定時信號的單一信號叫做複合電視信號(composite video signal)，或者稱爲全電視信號。圖7-04表示的是黑白全電視信號，而色差信號是通過色載波信號調製之後再和亮度信號混合得到，如圖圖7-05所示。
圖7-04 一個行週期的黑白全電視信號
圖7-05 彩色電視系統的水平消隱間隔
7.2.2 分量電視信號
分量電視信號(component video signal)是指每個基色分量作爲獨立的電視信號。每個基色既可以分別用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。使用分量電視信號是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號。
7.2.3 S-Video信號
分離電視信號S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分離的一種電視信號，是分量模擬電視信號和複合模擬電視信號的一種折中方案。使用S-Video有兩個優點：
(1) 減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾。
(2) 不須要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色差信號，這樣可提高亮度信號的帶寬。
複合電視信號是把亮度信號和色差信號復合在一起，使用一條信號電纜線傳輸。而S-Video信號則使用單獨的兩條信號電纜線，一條用於亮度信號，另一條用於色差信號，這兩個信號稱爲Y/C信號。S-Video使用4針連接器，如圖7-06所示。具體的規格如表7-03所示。
圖7-06 S-Video連接器
表7-03 S-Video工業標準4針連接器規格
插座號
信號
信號電平
阻抗
1
地(亮度)
-
-
2
地(色度)
-
-
3
亮度(包含同步信號)
1V
75 ohms
4
色度
0.3V
75 ohms
需要注意的是，請不要把S-Video和S-VHS (Super Video Home System)相混淆，S-VHS是高檔家用錄象系統。S-Video是定義信號電纜連接插座的硬件標準，S-VHS或者寫成SVHS是加強性VHS電視錄象帶的信號標準，提供的分辨率比VHS提供的分辨率要高一些，噪聲信號要低一些。S-VHS支持分離的亮度和色度信號輸入/輸出，取消了亮度和色度的複合-分離過程。
7.3 電視圖像數字化
7.3.1 數字化的方法
數字電視圖像有很多優點。例如，可直接進行隨機存儲使電視圖像的檢索變得很方便，複製數字電視圖像和在網絡上傳輸數字電視圖像都不會造成質量下降，很容易進行非線性電視編輯。
在大多數情況下，數字電視系統都希望用彩色分量來表示圖像數據，如用YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色分量。因此，電視圖像數字化常用“分量初始化(component digitization)”這個術語，它表示對彩色空間的每一個分量進行初始化。電視圖像數字化常用的方法有兩種：
1.先從複合彩色電視圖像中分離出彩色分量，然後數字化。我們現在接觸到的大多數電視信號源都是彩色全電視信號，如來自錄象帶、激光視盤、攝象機等的電視信號。對這類信號的數字化，通常的做法是首先把模擬的全彩色電視信號分離成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空間中的分量信號，然後用三個A/D轉換器分別對它們數字化。
2.首先用一個高速A/D轉換器對彩色全電視信號進行數字化，然後在數字域中進行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數據。詳見參考文獻和站點[4]。
早在20世紀80年代初，國際無線電諮詢委員會CCIR(International Radio Consultative Committee)就制定了彩色電視圖像數字化標準，稱爲CCIR 601標準，現改爲ITU-R BT.601標準。該標準規定了彩色電視圖像轉換成數字圖像時使用的採樣頻率，RGB和YCbCr(或者寫成YCBCR)兩個彩色空間之間的轉換關係等。
1. 彩色空間之間的轉換
在數字域而不是模擬域中RGB和YCbCr兩個彩色空間之間的轉換關係用下式表示：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128
Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128
2. 採樣頻率
CCIR爲NTSC制、PAL制和SECAM制規定了共同的電視圖像採樣頻率。這個採樣頻率也用於遠程圖像通信網絡中的電視圖像信號採樣。
對PAL制、SECAM制，採樣頻率fs爲
fs=625×25×N=15625×N=13.5 MHz, N=864
其中，N爲每一掃描行上的採樣數目。
對NTSC制，採樣頻率fs爲
fs=525×29.97×N=15734×N=13.5 MHz, N=858
其中，N爲每一掃描行上的採樣數目。
採樣頻率和同步信號之間的關係如圖7-07所示。
圖7-07 採樣頻率
3. 有效顯示分辨率
圖7-08 ITU-R BT.601的亮度採樣結構
4. ITU-R BT.601標準摘要
表7-04 彩色電視數數字化參數摘要
採樣格式
信號形式
採樣頻率
樣本數/掃描行
數字信號取值
(MHz)
NTSC
PAL
範圍(A/D)
Y
13.5
858(720)
864(720)
220級(16 ～235)
4:2:2
Cr
6.75
429(360)
432(360)
225級(16 ～240)
Cb
6.75
429(360)
432(360)
(128 ± 112)
Y
13.5
858(720)
864(720)
220級(16 ～235)
4:4:4
Cr
13.5
858(720)
864(720)
225級(16 ～240)
Cb
13.5
858(720)
864(720)
(128 ± 112)
5. CIF、QCIF和SQCIF
爲了既可用625行的電視圖像又可用525行的電視圖像，CCITT規定了稱爲公用中分辨率格式CIF(Common Intermediate Format)，1/4公用中分辨率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-Quarter Common Intermediate Format，SQCIF)格式，具體規格如表7-05所示。
CIF格式具有如下特性：
(1) 電視圖像的空間分辨率爲家用錄象系統(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288。
(2) 使用非隔行掃描(non-interlaced scan)。
(3) 使用NTSC幀速率，電視圖像的最大幀速率爲30 000/1001≈29.97幅/秒。
(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288線。
(5) 對亮度和兩個色差信號(Y、Cb和Cr)分量分別進行編碼，它們的取值範圍同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等於240，最小值等於16。
表7-05 CIF和QCIF圖像格式參數
CIF
QCIF
SQCIF
行數/幀
像素/行
行數/幀
像素/行
行數/幀
像素/行
亮度(Y)
288
360(352)
144
180(176)
96
128
色度(Cb)
144
180(176)
72
90(88)
48
64
色度(Cr)
144
180(176)
72
90(88)
48
64
7.4 圖像子採樣
7.4.1 圖像子採樣概要
對彩色電視圖像進行採樣時，可以採用兩種採樣方法。一種是使用相同的採樣頻率對圖像的亮度信號和色差信號進行採樣，另一種是對亮度信號和色差信號分別採用不同的採樣頻率進行採樣。如果對色差信號使用的採樣頻率比對亮度信號使用的採樣頻率低，這種採樣就稱爲圖像子採樣(subsampling)。
圖像子採樣在數字圖像壓縮技術中得到廣泛的應用。可以說，在彩色圖像壓縮技術中，最簡便的圖像壓縮技術恐怕就要算圖像子採樣了。這種壓縮方法的基本根據是人的視覺系統所具有的兩條特性，一是人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個特性可以把圖像中表達顏色的信號去掉一些而使人不察覺；二是人眼對圖像細節的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺。子採樣也就是利用人的視覺系統這兩個特性來達到壓縮彩色電視信號。
試驗表明，使用下面介紹的子採樣格式，人的視覺系統對採樣前後顯示的圖像質量沒有感到有明顯差別。目前使用的子採樣格式有如下幾種：
(1) 4:4:4 這種採樣格式不是子採樣格式，它是指在每條掃描線上每4個連續的採樣點取4個亮度Y樣本、4個紅色差Cr樣本和4個藍色差Cb樣本，這就相當於每個像素用3個樣本表示。
(2) 4:2:2 這種子採樣格式是指在每條掃描線上每4個連續的採樣點取4個亮度Y樣本、2個紅色差Cr樣本和2個藍色差Cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示。
(3)4:1:1這種子採樣格式是指在每條掃描線上每4個連續的採樣點取4個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。
(4) 4:2:0 這種子採樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續的採樣點上取2個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。
圖7-09用圖解的方法對以上4種子採樣格式作了說明。
圖7-09 彩色圖像YCbCr樣本空間位置
7.4.2 4:4:4 YCbCr格式
圖7-10說明625掃描行系統中採樣格式爲4:4:4的YCbCr的樣本位置。對每個採樣點，Y,Cb和Cr各取一個樣本。對於消費類和計算機應用，每個分量的每個樣本精度爲8比特；對於編輯類應用，每個分量的每個樣本的精度爲10比特。因此每個像素的樣本需要24比特或者30比特。
圖7-10 4:4:4子採樣格式
7.4.3 4:2:2 YCbCr格式
圖7-11說明625掃描行系統中採樣格式爲4:2:2的YCbCr的樣本位置。在水平掃描方向上，每2個Y樣本有1個Cb樣本和一個Cr樣本。對於消費類和計算機應用，每個分量的每個樣本的精度爲8比特；對於編輯類應用，每個分量的每個樣本精度爲10比特。因此每個像素的樣本需要24比特或者30比特。在幀緩存中，每個樣本需要16比特或者20比特。顯示像素時，對於沒有Cr和Cb的Y樣本，使用前後相鄰的Cr和Cb樣本進行計算得到的Cr和Cb樣本
圖7-11 4:2:2子採樣格式
7.4.4 4:1:1 YCbCr格式
圖7-12說明625掃描行系統中採樣格式爲4:1:1的YCbCr的樣本位置。這是數字電視盒式磁帶 (digital video cassette，DVC)上使用的格式。在水平掃描方向上，每4個Y樣本各有1個Cb樣本和一個Cr樣本，每個分量的每個樣本精度爲8比特。因此，在幀緩存中，每個樣本需要12比特。顯示像素時，對於沒有Cr和Cb的Y樣本，使用前後相鄰的Cr和Cb樣本進行計算得到該Y樣本的Cr和Cb樣本。
圖7-12 4:1:1子採樣格式
7.4.5 4:2:0 YCbCr格式
(1) H.261, H.263和MPEG-1
圖7-13說明625掃描行系統中採樣格式爲4:2:0的YCbCr的樣本位置。這是H.261, H.263和MPEG-1使用的子採樣格式。在水平方向的2個樣本和垂直方向上的2個Y樣本共4個樣本有1個Cb樣本和一個Cr樣本。如果每個分量的每個樣本精度爲8比特，在幀緩存中每個樣本就需要12比特。
圖7-13 MPEG-1使用的4:2:0子採樣格式
(2) MPEG-2
雖然MPEG-2和MPEG-1使用的子採樣都是4:2:0，但它們的含義有所不同。圖7-14說明採樣格式爲4:2:0的YCbCr空間樣本位置。與MPEG-1的4:2:0相比，MPEG-2的子採樣在水平方向上沒有半個像素的偏移。
圖7-14 MPEG-2的空間樣本位置
練習與思考題
1.世界上主要的彩色電視制式是哪幾種？
2.隔行掃描是什麼意思？非隔行掃描是什麼意思？
3.電視機和計算機的顯示器各使用什麼掃描方式？
4.ITU-R BT.601標準規定PAL和NTSC彩色電視的每一條掃描線的有效顯示像素是多少?
5.什麼叫做S-Video？它的連接器結構是什麼樣？
6.對彩色圖像進行子採樣的理論根據是什麼？
7.圖像子採樣是在哪個彩色空間進行的？
8.一幅YUV彩色圖像的分辨率爲720×576。分別計算採用4:2:2、4:1:1和4:2:0子採樣格式採樣時的樣本數。
考文獻和站點
http://www.bbc.co.uk/aberdeen/eng_info/world_tv_standards.html (瀏覽日期：1998年12月)
http://www.video-demystified.com/home.htm (瀏覽日期：1998年12月)
http://www.hut.fi/Misc/Electronics/video.html (瀏覽日期：1998年12月)
林福宗, 陸 達 編著. 多媒體與CD-ROM. 北京：清華大學出版社，1995.3，338-346
ITU-R BT.601用於對隔行掃描電視圖像進行數字化，對NTSC和PAL制彩色電視的採樣頻率和有效顯示分辨率都作了規定。表7-04給出了ITU-R BT.601推薦的採樣格式、編碼參數和採樣頻率。
ITU-R BT.601推薦使用4∶2∶2的彩色電視圖像採樣格式。使用這種採樣格式時，Y用13.5 MHz的採樣頻率，Cr，Cb用6.75 MHz的採樣頻率。採樣時，採樣頻率信號要與場同步和行同步信號同步。
對PAL制和SECAM制的亮度信號，每一條掃描行採樣864個樣本；對NTSC制的亮度信號，每一條掃描行採樣858個樣本。對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數均爲720個。每一掃描行的採樣結構如圖7-08所示。
7.3.2 數字化標準
NTSC彩色電視制的主要特性是：(1) 525行/幀, 30幀/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame)
(2) 高寬比：電視畫面的長寬比(電視爲4:3；電影爲3:2；高清晰度電視爲16:9)
(3) 隔行掃描，一幀分成2場(field)，262.5線/場
(4) 在每場的開始部分保留20掃描線作爲控制信息，因此只有485條線的可視數據。Laser disc約~420線，S-VHS約~320線
(5) 每行63.5微秒，水平回掃時間10微秒(包含5微秒的水平同步脈衝)，所以顯示時間是53.5微秒。
(6) 顏色模型：YIQ
一幀圖像的總行數爲525行，分兩場掃描。行掃描頻率爲15750 Hz，週期爲63.5μs；場掃描頻率是60 Hz，週期爲16.67 ms；幀頻是30 Hz，週期33.33 ms。每一場的掃描行數爲525/2=262.5行。除了兩場的場回掃外，實際傳送圖像的行數爲480行。
3. SECAM
SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)制式是法國開發的一種彩色電視廣播標準，稱爲順序傳送彩色與存儲制。這種制式與PAL制類似，其差別是SECAM中的色度信號是頻率調製(FM)，而且它的兩個色差信號：紅色差(R'-Y')和藍色差(B'-Y')信號是按行的順序傳輸的。法國、俄羅斯、東歐和中東等約有65個地區和國家使用這種制式，圖像格式爲4:3，625線，50 Hz，6 MHz電視信號帶寬，總帶寬8MHz。
以上三種電視制式的主要特性如表7-01和表7-02所示。
