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第8章数字视频基础
电视是当代最有影响力的信息传播工具!
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。
彩色电视制式
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-Definition television)。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(National Television mittee)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-Alternative Line)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:Sequential Coleur Avec Memoire)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***像。
电视扫描和同步
扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描,图8-01表示了这两种扫描方式的差别。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。
(a) 逐行扫描
(b) 隔行扫描
图8-01 图像的光栅扫描
在非隔行扫描中,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,如图8-01(a)所示。
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,如图8-01(b)所示,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。由此可以看到,隔行扫描的一帧图像由两部分组成:一部分是由奇数行组成,称奇数场,另一部分是由偶数行组成,称为偶数场,两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中,无论是摄像机还是显示器,获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。
在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。如前所述,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。
每秒钟扫描多少行称为行频fH;每秒钟扫描多少场称为场频ff;每秒扫描多少帧称帧频fF。ff和fF是两个不同的概念。
1. PAL制电视的扫描特性
PAL电视制的主要扫描特性是:
(1) 625行(扫描线)/帧,25帧/秒(40 ms/帧)
(2) 高宽比(aspect ratio):4:3
(3) 隔行扫描,2场/帧,
(4) 颜色模型:YUV
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64μs;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