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 •电视技术的发展 ■ 系统：黑白电视一彩色电视（无线一卫星一有线）一数字电视一高清晰电视 ■ 显示：阴极射线管CRT-背投/前投一液晶LCD-等离子PDP—薄膜电视OLED/表 面传导电了发射显不器SED ■ 存储播放：录像带/机VCR—VCD—DVD—BD/HD DVD •电视及其相关技术的发展历史 ■ [1837年美国人S.F.B. Morse发明电磁式电报机] ■ [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] ■ [I860年代德国人P.赖斯试验有线广播] ■ [1864年英国物理学家J.C. Maxwell创立电动力学] ■ [1876年美国人A.G. Bell发明有线电话] ■ [1877年美国发明家T.A. Edison发明留声机] ■ [1879年T.A. Edison发明白炽灯] ■ [1880年俄国人Q.阿霍罗维奇进行有线音乐广播] ■ [1883年T.A. Edison发现热电子发射现象（电子管原理）] ■ 1884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 ■ [1887年H.R.Hertz证实电磁波的存在] ■ [1895年意大利人G.Marconi实现无线电报传送] ■ 1897 年电了束管（electron beam tube）即阴极射线管（CRT = Cathode-Ray Tube）问世，后 来出现仪器示波管 ■ [1904年英国人J.A. Fleming发明可用于检波的真空电了二极管] ■ [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] ■ [1906年美国人R.A. Fessenden发明无线广播] ■ [1919年英国建成无线电广播电台，开始公众无线电广播] ■ [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] ■ 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 ■ 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 ■ 1930年P.J.范思沃恩发明电子扫描系统 ■ 1930年RCA公司改进电子束显像管 ■ 1931年V.K. Zworykin发明电视显像管 ■ 1937年/1939年英国/美国开始黑白电视广播 ■ [1947 年 J. Bardeen、W.H. Brattain 和 W.B. Shockley 发明点接触晶体管] ■ 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） ■ 1949年美国无线电公司研制成功荫罩式彩色显像管 ■ [1952年中国开始在农村建立有线广播网] ■ 1952年美国提出NTSC彩色电视制式 ■ 1954年美国正式开始彩色电视广播 ■ [1957年苏联发射人造地球卫星] ■ [1958年美国发射用于通信的低轨试验卫星] ■ [1958年美国物理学家J. Kilby制成第一块集成电路] ■ 1958年中国开始黑白电视广播 ■ [1963年美国发射定点同步通信卫星] ■ 1963年联邦德国提出PAL彩色电视制式 ■ [1964年借助于点同步通信卫星实现通信与电视转播] ■ 1964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） ■ 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） ■ 1966年法国提出SECAM彩色电视制式 ■ 1970年代初中国开始彩色电视广播，采用的PAL-D制式 ■ 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 ■ 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 ■ 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 Light Emitting Diode有机发光二极管侑机电激发光显示器）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 ■ 1980年代中国开始在单位安装电缆电视 ■ 1988年汉城奥运会采用MUSE的HDTV转播 ■ 1991年日本正式开始MUSE的HDTV广播 ■ 1993年欧洲开始制定数字电视广播DVB标准 ■ 1994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 ■ 1995年美国通过ATSC数字电视标准 ■ 1997年中国CCTV进行HDTV广播试验 ■ 1999年CCTV用HDTV实况转播50周年国庆 ■ 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显不器更薄，耗电更低，与LCD不同可以自己发光的先进平面显不器一一SED (Surface-Conduction Electron-emitter Display 表面传导电了发射显示器) 6.1.2 彩色电视 •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 调幅广播 MF 526.5〜1606.5k 中波 10k 国内广播，地/天波可传百/千余公里 TF 2300〜5060k 中短波 热带地区的国内广播 HF 3900〜26100k 短波 国际广播，电离层反射可传数千公里 电视广播 I(VHF) 48.5 〜92k 1〜5 8M 直线传播，电视广播 调频广播 II(VHF) 87 〜180M 超短波 200k 直线传播，调频广播 电视广播 III(VHF) 167 〜223M 6〜12 8M 直线传播，电视广播 IV(UHF) 470〜566 13 〜24 V(UHF) 606〜9 8 8 25 〜68 8.68M 其中：MF = Medium Frequency 中频 TF = Tropic Frequency 热带频 HF = High Frequency 高频 VHF = Very High Frequency 甚高频 UHF = UltraHigh Frequency 超高频 •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缶叭PAL制和SECAM缶I」。这 里不包括模拟的高清晰度彩色电视。 ■ 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。 ■ 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-Altemative 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。 ■ 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；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 1952/1954 525(480) / 30(60) 美国、日本、加拿大、韩国、台湾 PAL 西德 1962/1967 625(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 •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 ■ 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-l(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6-l(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(fhime)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fFo ff和压是两个不同的概念。 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