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1、 3 第6章 视频与编码标准第6章 视频与编码标准视频主要包括电视与电影。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，简介数字电视和高清电视的概念与现状，讲解若干常见显示技术；再介绍一些电影和数字电影的基本情况；然后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(TV=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）数字电视高清数字电视超高清数字电视。
2、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/激光显示器。n 存储播放：录像带/机VCRVCDDVDBD在线播放/网络下载/移动存储。l 电视的发展历史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 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。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 1958年中国开始黑白电视广播。n 1963年联邦德国提出PAL彩色电视制式。n 1964年借助于
3、点同步通信卫星实现通信与电视转播。n 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。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PDPn 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，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。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实验室的邓青云发明小分子 OLED(Org
4、anic Light Emitting Diode，有机发光二极管/有机电激发光显示器) 薄膜电视。n 1980年代中国开始在单位安装电缆电视。n 1993年欧洲开始制定数字电视广播DVB标准。n 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。n 1995年美国通过ATSC数字电视标准，高清电视的分辨率为1280*720 / 1920*1080。n 1997年中国的CCTV进行HDTV广播试验，1999年实况转播50周年国庆。n 2002年5月日本NHK开始推出具有76804320像素的超高清电视UHDTV。 n 2006年8月18日中国公布数字电视地面广播传输的国
5、家标准。6.1.2彩色电视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，参见表6-2。这里不包括模拟的高清晰度彩色电视。n NTSC(National Television Systems mittee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XX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(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Lin
6、e，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、俄罗斯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。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1952/1954525(480) / 30(60)美
7、国、日本、加拿大、韩国、XXPAL西德1962/1967625(575) / 25(50)西欧（法国除外）、中国、XX、朝鲜SECAM法国1957/1967法国、俄国、东欧、中东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) 必须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
8、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。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。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。每秒钟扫描多少
9、行称为行频；每秒钟扫描多少场称为场频；每秒扫描多少帧称帧频。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（30帧/秒）；而中国和欧洲的交流电频率是50Hz，所以我们的电视场频就取为50Hz（25帧/秒）。虽然现在的技术已经有了很大发展，交流电的干扰问题早就获得了解决，但是为了与传统的电视信号兼任，同时也可以避免技术上的复杂性，所以即使是最新的高清晰电视广播，仍然还是保留了这样的扫
10、描频率。l 彩色电视国际标准表6-4 彩白电视的国际标准（宽高比= 4:3）TV制式PAL(G I D)NTSC(M)SECAM(L)行/帧625525625帧/秒(场/秒)25(50)30(60)25(50)行/秒156251573415625参考白光C白D6500D6500声音载频(MHz)5.5 6.0 6.54.56.52.82.22.8彩色副载频(Hz)443361835795454250000(+U)4406500(-V)彩色调制QAMQAMFM亮度带宽(MHz)5.0 5.54.26.0色度带宽(MHz)1.3(Ut)1.3(Vt)1.3(I) 0.6(Q)1.0(Ut)1.0(
11、Vt)l 彩色分量根据光电三基色的加法原理，任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混合得到。图6-2说明用彩色摄像机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量，以及如何重显自然景物彩色的过程。 图6-2 彩色图像重现过程YC1C2中的Y表示亮度信号，C1和C2是两个色差信号，C1和C2的含义与具体的制式有关。在NTSC彩色电视制式中，C1和C2分别表示I和Q两个色差信号；在PAL彩色电视制式中，C1和C2分别表示U和V两个色差信号；在SECAM彩色电视制式中，C1和C2分别表示Db和Dr两个色差信号；在CCIR 601数字电视标准中，C1和C2分别表示Cb和Cr两个色
12、差信号。所谓色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。三种彩电制式的颜色坐标都是从PAL的YUV导出的，而YUV又是源于XYZ坐标。Y为亮度，可以由RGB的值确定，色度值U和V分别正比于色差B-Y和R-Y。YUV坐标与PAL制式的基色值RGB的关系为：其中为RGB归一化的校正后的值，其(1, 1, 1)点对应于PAL/SECAM颜色体系中的基准白色。NTSC的YIQ坐标中的IQ分量是UV分量旋转33度后的结果：SECAM制式所采用的YDbDr坐标中的DbDr与YUV中的UV之间有如下关系：Db=3.059U, Dr=-2.169V601标准YCbCr是YUV的伸缩平移：其
13、中，。伸缩后Y=16235、CbCr=16240。在彩色电视中使用Y、C1C2颜色体系进行信号的发送和接收，有如下两个重要优点：n Y和C1C2是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，Y分量可由黑白电视接收机直接使用而不需做任何进一步的处理；n 可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使C1C2的带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。这为以后电视信号的有效数字化和数据压缩提供了良好的基础。6.1.3 数字电视随着计算机的广泛应用，数字化成为了现代技术的潮流，广播电视的发展也不例外。数字电视的广播节目包括标清和高清两种类型，标清数字电视的分
14、辨率为640480（NTSC）和768576(PAL)、高清数字电视的分辨率为1280720和19201080。1数字电视的优缺点数字电视DTV（Digital TeleVision）广播的主要优点有：n 信号好数字电视的信号更稳定，抗干扰能力强。n 频道多由于一个PAL制式的频道可以传输810套压缩后的标准分辨率的DTV信号，所以电视频道数从模拟的几十套到数字的几百套。n 功能多可实现联网和交互性，如浏览网页、VOD（Video-On-Demand视频点播）等。但当前的数字电视也有若干缺点：n 收费高由于前期设备和线路更新的投入太大，导致每月所收的管理费大增，但当前可免费收看节目的数目和质量
15、并无多大改善。收费频道的比例大，而且收费标准也偏高。由于目前尚处在数字电视的发展初期，高清节目稀少、只有少量的准视频点播、其他信息服务也贫乏。且模拟电视时的按户收费，现在改为数字电视的逐机收费。n 需机顶盒由于国家标准不完善，缺少与数字电视接收机配套的相关标准，必须（购买和）使用有线电视台所指定的机顶盒与智能卡才能收看数字节目，即浪费钱又增加麻烦。不过数字电视的国家配套标准近期就会出台，数字电视一体机最终将会全面代替“电视机+机顶盒”的现行电视接收模式。2各国停播模拟电视的时间表许多国家的政府为了促进数字电视的使用，都制定了强制性的停播模拟电视的时间表，但一直遭到想保护原有投资的各大电视公司的消极抵制，进展十分缓慢，最近几年才有所改观。如：n 美国政府计划1997年试播（1998年11月已有23个城市正式开播）、2006年停播模拟广播，用9年时间完成模拟到数字广播的转换过程。因为转换过程进展缓慢，美国直到2009年6月12日才停止模拟电视的广播。n 日本政府计划2000年试播、2003
