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1、一、前言一、前言从目前我国数字电视的进程看，各地标清电视系统尚未完全建立，期间虽然各地陆续有高清电视频道开播，但在相当一段时期内标清电视还是占主导地位。由于目前对高清电视系统的投入价格不非，在建立高清电视中心系统时，一方面需要考虑标清信号源的使用问题，另一方面需要考虑把高清节目下变换为高质量的标清节目适用于标清播出，因此，在建立高清系统时，除了高清摄像机、录像机、切换台等主要设备外，高标清上下变换器的作用也极为重要，上、下变换器的质量直接影响最终节目质量。最近，我们通过对目前部分主流高、标清上下变换器的客观测试和主观评价，就高清 19201080 格式和标清 720576 格式的上下变换进行探
2、讨，谈一谈对高清、标清上下变换器选用过程中一些问题的认识。二、标清二、标清 SDI 信号信号2-1、标清、标清 SDI 信号构成信号构成在“CCIR601 建议标准”，标清 SDI 信号又称数字分量视频信号，在 625/50 扫描标准中，标清SDI 信号的宽高比为 4:3,采样格式 4：2：2，亮度信号的抽样频率为 13.5 M，两个色差信号的抽样频率为 6.75M，采用 10bit 量化，有 1024 级量化电平，数据传输率为 270Mb/s（兆比特/秒）。标清 SDI 信号隔行扫描格式如图 1 示所。每帧总行数是 625 行，为了避免处理每场中半个数字行，第一场的场消隐期是有效行的前 24
3、 行，第二场的场消隐期是有效行的前 25 行，所以每帧的有效行数是 576 行，定时信息规定在有效视频结束（EAV）和有效视频开始（SAV）期间是数字行消隐时间，音频信号和辅助数据是在场消隐内的行消隐期间传送。图 1：标清信号格式2-2、标清、标清 SDI 信号分辨率信号分辨率我们通常所说的分辨率是水平和垂直分辨率，垂直分辨与系统带宽无关，垂直分辨主要由每个图像的扫描行数决定，理想的垂直分辨率等于每帧的有效行数。模拟信号的有效垂直分辨由以下公式得到：NV=KNALNV=有效垂直图像像素，NAL=有效行，K=Kell 因子，通常取 0.7在模拟 625/50 扫描标准中，每帧的总行数是 625，
4、去除 50 行场消隐，每帧有效行是 575 行，则每帧有效垂直分辨率是：NV=0.7575=402水平分辨与系统带宽有关，模拟电视系统的水平分辨： 4/3 NV=4/3402=536标清 SDI 信号在 625/50 扫描格式中，每帧的总行数是 625，去除 49 行场消隐,每帧有效行是576 行，在理想的情况下，即图像在垂直分辨率为 576 像素点，按标清信号 4/3 的图像宽高比，则每帧的水平有效分辨率是：5764/3=768。根据“CCIR601 建议”每行的有效样点都是 720 个像素点，多出的其它行消隐和场消隐的像素点用作传输辅助数据。所以在 625/50 系统中标清 SDI 信号的
5、有效图像大小为 720576。三、高清三、高清 HD 信号信号3-1、高清、高清 HD 信号的构成信号的构成根据 ITU-R BT.709-3节目制作及国际间节目交换用各 HDTV 标准的参数值，我国高清电视标准，图像宽高比为 16：9，采用 1125/50 扫描格式，4：2：2 编码方式, 亮度信号的抽样频率为74.25.MHz，两个色差信号的抽样频率为 37.125MHz，帧频可分为 24Hz 的 1:1 逐行扫描格式和25Hz 的 2:1 隔行扫描格式. 数据传输比特率为 1.485Gb/s。高清隔行扫描系统的格式如图 2 所示, 每帧的总行数是 1125 行，第一场的场消隐期是有效行的
6、第 1124 行至第 20 行共 22 行，第二场的场消隐期是有效行的第 561 行至 583 行共 23 行，侧每帧有效行是 1080 行。定时信息规定在有效视频结束（EAV）和有效视频开始（SAV）期间是数字行消隐时间，音频信号和辅助数据是在场消隐内的行消隐期间传送。如图 3 所示。图 2：1125/50 扫描系统图 3：数字信号与模拟信号的定时关系3-2、高清、高清 HD 信号的清晰度信号的清晰度在 1125/50 扫描格式中,每帧的总行数是 1125 行, 去除 45 行场消隐行,每帧有效行是 1080 行, 在理想的情况下，即图像的垂直分辨率为 1080 像素，则每帧有效水平分辨率是
7、:16/91080=1920像素，所以在 1125/50 系统中高清 HD 信号的有效图像大小为 19201080。四、高清四、高清 HD 信号与标清信号与标清 SDI 信号的异同信号的异同无论采用bit 或 10bit 量化, 高清 HD 信号和标清 SDI 信号都有相同的量化和抽样电平。在10bit 量化，对应 1024 个量化电平即 000h 到 3FFh，超出的量化电平数值都是1020、1021、1022、1023。对应的模拟信号电平为 0.0mv 到 700mv,高清和标清信号的格式有着一样的功能：EAV 和 SAV 编码字功能相同，定时信息都是通过 EAV 和 SAV 数字行消隐传
8、送音频信号和辅助数据。在高清信号的辅助数据中 EAV 之后有四个字其中两个字是行编号（LN0 和 LN1），以及两个对亮度通道和两个色差通道提供逐行差错检验的 CRC（YCR0 和 YCR1）。在标清信号格式中 EAV是在 XYZ 值之后结束,没有行编号，.如图 3 所示。高清和标清信号不同场/帧定时关系以及不同格式的比较，如表 1 和表 2 所示。高清和标清信号的定时关系比较 表 1高清和标清的定时关系高清和标清的定时关系 625/50/2 ： 1 1125/50/2 ： 1 起始行：第一场第二场 1 行331 1 行564 行 有效视频第一行：第一场第二场23 行336 21 行584 行
9、 有效视频最后一行：第一场第二场 310 623 行 560 行1123 行 行消隐期：第一场第二场 24 行25 行22 行23 行 高清和标清信号不同格式的比较 表 2格式 625/50 1125/50/2 ： 1 总行数 625 行 1125 行 场频 50Hz 50Hz 帧频 25 25 宽高比 4 ：3 16 ：9 隔行比 2 ：1 2 ：1 亮度信号带宽 6MHz 30MHz 色差信号带宽 2.75MHz 15MHz 行频 15625Hz 28125Hz 抽样频率Y R-Y,B-Y 13.5MHz 6.75MHz 74.25MHz 37.125MHz Y 每行样点 864 点 26
10、40 点 R-Y,B-Y 每行样点 432 点 1320 点 Y 每行有效样点 720 点 1920 点 R-Y,B-Y 每帧有效样点 360 960 Y 每帧有效行 576 行 1080 行 R-Y,B-Y 每帧有效行 288 行 576 行 数据传输速率 270Mbps 1.485Gbps 五、高清五、高清 HD 信号与标清信号与标清 SDI 信号的上下变换信号的上下变换5-1、高清、高清 HD 和标清和标清 SD 上下变换的原理上下变换的原理我们从视频信号的频谱特性可知，视频信号是由一个以水平和垂直方向的二维空间变量以及一个一维时间变量组成的三维连续信号构成，在高清 HD 信号和标清 S
11、DI 信号的上下变换中，无论是场频变换，行频变换，还是隔行扫描与逐行扫描变换，宽高比变换，都是对视频信号在空间和时间上的三维结构重新取样变换。由于扫描格式的不同，每行有效像素和每帧有效行数都不同，这些取样结构的变换主要是通过空间域的插值和抽取滤波器来实现行速率和像素的变换。5-2、高清、高清 HD 和标清和标清 SD 上下变换的技术要点上下变换的技术要点在标清信号上变换中，从低分辨率采样信号变换为高分辨率采样信号，为了提高原有信号的取样频率,可对原有标清信号进行插值，插值就是利用原有取样点值来估算插入新取样点的值，插入值可以是相邻两样点的平均值，如图 4 所示，也可以用多项式插值。由于在垂直方
12、向上插入新的采样点值，从本来连续的两条扫描行之间多出一行采样点值，必然会引起垂直分辨率的改变，还会引起原图像的不连续，出现锯齿失真等现像。表示原有采样值 表示新采样值 表示原有采样值 表示抽取采样值 图 4：采样平均插值 图 5：抽取滤波取样在高清信号下变换中，从高分辨率采样信号变换为低分辨率采样信号，可通过采用抽取滤波器来抽取原有信号的取样点值，增大采样的点空间距离，从而降低每行的有效像素和垂直行，分辨率减少了，视频信号的数据量也减少了，如图 5 所示。在高清信号下变换中必须满足奈奎斯特采样定理的条件抽样信号等于或大于带宽的两倍,为了防止混叠产生，首先要对高清视频信号进行数字滤波，压缩原信号
13、的带宽。高清 19201080 格式下变换为标清 720576 格式，由于高清信号的水平分解力是标清信号 4：2：2 编码的 2 倍，通过采用二取一抽取水平像素和垂直行来实现：（1080/2）4/3576/720=576。在高清信号 19201080 向下变换为 720576 标清信号时，亮度信号只使用奇数场的水平抽样滤波器进行变换，使每行有效像素从 1920 降低到 720，两个色差信号使用奇数场的水平抽样滤波器同时也使用垂直抽样滤波器进行变换，首先是通过奇数场的水平抽样滤波器使色差信号的有效像素从 960 降低为 360，接着使用垂直抽样滤波器使色差信号的有效行从 1080 降低为 576
14、。5-3、高、标清信号上变换三种模式、高、标清信号上变换三种模式标清上变换的三种变换方式：标清上变换的三种变换方式：切边模式：在 16：9 的光栅中插入 4：3 图像，垂直方向充满，水平方向产生两个镶嵌的黑色边。 信箱模式：水平两边和垂直上下两边产生两个黑色的镶嵌边。 拉伸模式：垂直方向充满，水平方向拉伸后充满，使物体变宽。高清下变换有三种常用的变换方式：高清下变换有三种常用的变换方式：切边模式：垂直方向充满，左右两边一部分信息被裁剪。 信箱模式：水平方向充满，上下部分出现黑边。 压缩模式：垂直方向充满，水平方向压缩后充满，使物体变高。 在高、标清上下变换的三种模式中，通常我们使用最多的是 4：3 上变换到 16：9 和 16：9 下变换到 4：3 的切边模式。
