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1、 63 第6章 视频与编码标准第6章 视频与编码标准本章先了解电视技术的历史与发展，列出各种彩色电视制式，简介数字电视的概念与现状；再讲解视频信号的数字化，重点介绍视频编码标准。6.1 电视电视(television远视)与动画一样也是利用人的视觉滞留原理工作的。早期是黑白电视无线广播，后来是模拟彩色电视的无线广播、卫星广播和有线电视广播，现在正处于高清晰数字电视广播的发展阶段。6.1.1 发展与简史l 电视技术的发展n 系统：黑白电视彩色电视（无线卫星有线）数字电视高清晰电视n 显示：阴极射线管CRT背投/前投液晶LCD等离子PDP薄膜电视OLED/表面传导电子发射显示器SEDn 存储播放：
2、录像带/机VCRVCDDVDBD/HD DVDl 电视及其相关技术的发展历史n 1837年美国人S.F.B. Morse发明电磁式电报机n 1844年S. Morse在美国国会资助下建成电报线路，开始有线电报通报n 1860年代德国人P. 赖斯试验有线广播n 1864年英国物理学家J.C. Maxwell创立电动力学n 1876年美国人A.G. Bell发明有线电话n 1877年美国发明家T.A. Edison发明留声机n 1879年T.A. Edison发明白炽灯n 1880年俄国人. 阿霍罗维奇进行有线音乐广播n 1883年T.A. Edison发现热电子发射现象（电子管原理）n 1884
3、年德国工程师P.G. Nipkow发明螺盘旋转扫描器，用光电池把图像的系列光点转变为电脉冲，实现了最原始的电视传输和显示n 1887年H.R. Hertz证实电磁波的存在n 1895年意大利人G.Marconi实现无线电报传送n 1897年电子束管(electron beam tube)即阴极射线管(CRT = Cathode-Ray Tube)问世，后来出现仪器示波管n 1904年英国人J.A. Fleming发明可用于检波的真空电子二极管n 1906年美国发明家L.D. Forest发明可用于功放的真空电子三极管n 1906年美国人R.A. Fessenden发明无线广播n 1919年英国
4、建成无线电广播电台，开始公众无线电广播n 1920年代苏联开始城市有线广播，后来许多国家也建立了有线广播n 1923年美籍俄罗斯人（美国两院院士）V.K. Zworykin发明电视光电摄像管n 1925年美国人C.F. Jenkins和1926年英国人J.L. Baird相继实现影像粗糙的机械扫描系统n 1930年P.J.范思沃恩发明电子扫描系统n 1930年RCA公司改进电子束显像管n 1931年V.K. Zworykin发明电视显像管n 1937年/1939年英国/美国开始黑白电视广播n 1947年J. Bardeen、W.H. Brattain和W.B. Shockley发明点接触晶体管
5、n 1940年代末美国发明共用天线电视系统，后来逐步发展为有线电视（电缆电视cable television）n 1949年美国无线电公司研制成功荫罩式彩色显像管n 1952年中国开始在农村建立有线广播网n 1952年美国提出NTSC彩色电视制式n 1954年美国正式开始彩色电视广播n 1957年苏联发射人造地球卫星n 1958年美国发射用于通信的低轨试验卫星n 1958年美国物理学家J. Kilby制成第一块集成电路n 1958年中国开始黑白电视广播n 1963年美国发射定点同步通信卫星n 1963年联邦德国提出PAL彩色电视制式n 1964年借助于点同步通信卫星实现通信与电视转播n 196
6、4年美国无线电公司发现液晶光电效应，后来发展成液晶显示器(LCD = Liquid Crystal Display)n 1966年美国人D.L.比泽和H.G.斯洛托夫发明等离子显示器PDP(plasma display panel)n 1966年法国提出SECAM彩色电视制式n 1970年代初中国开始彩色电视广播，采用的PAL-D制式n 1972年日本广播协会研究所提出模拟高清晰度电视HDTV的MUSE方案n 1974年中国开始在高层建筑中安装和使用共用天线电视系统n 1979年柯达公司Rochester实验室的邓青云（Ching W Tang汪根祥）发明小分子 OLED(Organic Li
7、ght Emitting Diode有机发光二极管/有机电激发光显示器) 薄膜电视，1987年英国剑桥大学博士生Jeremy Burroughes证明大分子的聚合物也有场致发光效应。已有90多家厂商从事OLED的商业性开发，它们分成了小分子OLED和聚合物OLED两大集团。前者以柯达公司为代表，还有索尼、三洋、TDK、eMagin、先锋、NEC、三星等公司；后者有飞利浦、爱普生、DuPont、东芝等公司n 1980年代中国开始在单位安装电缆电视n 1988年汉城奥运会采用MUSE的HDTV转播n 1991年日本正式开始MUSE的HDTV广播n 1993年欧洲开始制定数字电视广播DVB标准n 1
8、994年中国国务院成立了由11个有关部委组成的数字HDTV研究开发小组n 1995年美国通过ATSC数字电视标准n 1997年中国CCTV进行HDTV广播试验n 1999年CCTV用HDTV实况转播50周年国庆n 1999年开始研究，2004年9月14日日本的佳能与东芝宣布将共同生产一种比目前的PDP显示器更薄，耗电更低，与LCD不同可以自己发光的先进平面显示器SED (Surface-Conduction Electron-emitter Display表面传导电子发射显示器)6.1.2 彩色电视l 广播频段的划分表6-1 广播频段的划分种类频段频率范围(Hz)波段频道带宽(Hz)特点调幅广
9、播MF 526.51606.5k中波10k国内广播，地/天波可传百/千余公里TF23005060k中短波热带地区的国内广播HF 390026100k短波国际广播，电离层反射可传数千公里电视广播I(VHF)48.592k158M直线传播，电视广播调频广播II(VHF) 87180M超短波200k直线传播，调频广播电视广播III(VHF)167223M6128M直线传播，电视广播IV(UHF)4705661324V(UHF)60698825688.68M其中：MF = Medium Frequency中频 TF = Tropic Frequency热带频 HF = High Frequency高频
10、 VHF = Very High Frequency甚高频 UHF = UltraHigh Frequency超高频l 彩色电视制式目前世界上现行的模拟彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括模拟的高清晰度彩色电视。n NTSC(National Television Systems Committee国家电视系统委员会)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，1954年开始广播。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。n 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国
11、(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line相位逐行交变)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制，1967年开始广播。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。n 法国1957年起制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire顺序颜色传送与存储)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制，1967年开始广播。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家使用这种制式。NTSC制、PAL制和SECAM制都是与黑白电视兼容制制式，即黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像；
12、而彩色电视机也能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像。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两方面的要求：(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。表6-2 彩色电视制式(宽:高 = 4:3、隔行扫描)制式制定国家制定/广播时间(有效)扫描线数/ 帧数(场频)使用范围NTSC美国195
13、2/1954525(480) / 30(60)美国、日本、加拿大、韩国、台湾PAL西德1962/1967625(575) / 25(50)西欧（法国除外）、中国、香港、朝鲜SECAM法国1957/1967法国、俄国、东欧、中东l 电视扫描扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和逐行扫描（non-interlaced scanning / progressive scanning）之分。图6-1表示了这两种扫描方式的差别。电视发展的初期，由于技术水平不高，数据传输率受到限制。在低数据传输率下，为了防止低扫描频率的画面所产生的闪烁感，黑白电视和彩色电视都采了用隔行扫描方式，通过牺
14、牲扫描密度来换取扫描频率。而现在已经没有了这些限制，所以计算机的CRT显示器一般都采用非隔行扫描。(a) 逐行扫描(b) 隔行扫描图6-1 图像的光栅扫描n 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6-1(a)所示。n 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6-1(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
15、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。电视的扫描频率之所以取为50场/秒（25帧/秒）或60场/秒（30帧/秒），一个重要的原因是，受当时技术的限制，电视信号还不能完全避免交流电的干扰，因此才将电视的扫描场频与电源的交变频率取成一致。例如，美日交流电的频率是60Hz，所以他们的电视场频也取为60Hz（
