数字电视原理第二章

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1、数字数字电视原理原理第第2章章 电视信号的信号的摄取与数字化取与数字化 21 电视信号的信号的摄取与数字取与数字摄像机像机 预放大、黑斑校正、黑放大、黑斑校正、黑/白平衡白平衡杂散光校正、散光校正、预灰度灰度/预校正校正预放大、黑斑校正、黑放大、黑斑校正、黑/白平衡白平衡杂散光校正、散光校正、预灰度灰度/预校正校正预放大、黑斑校正、黑放大、黑斑校正、黑/白平衡白平衡杂散光校正、散光校正、预灰度灰度/预校正校正A/D变换、数据、数据检测彩色彩色/轮廓廓/ 校正校正A/D变换、数据、数据检测彩色彩色/轮廓廓/ 校正校正A/D变换、数据、数据检测彩色彩色/轮廓廓/ 校正校正线性性矩矩阵电路路编码电路

2、路YR-YB-Y复复合合信信号号彩条彩条发生器生器主控制器主控制器CCD驱动脉冲脉冲发生器生器电 源源模模拟处理理数字数字处理理G1CCDG2CCDBCCDRCCD+数字信号摄像机原理框图分光棱分光棱镜光学低通光学低通滤波片波片21 电视信号的信号的摄取与数字取与数字摄像机像机4-CCD彩色彩色摄像机像机 G信号采用两片信号采用两片CCDG1CCD与与G2CCD获取，它取，它们之之间保持空保持空间位置位置设置，置，采取空采取空间象素偏置技象素偏置技术，使它，使它们象素之象素之间位位置相置相对移移动1/2象素距离，以消除象素距离，以消除G通道中的通道中的寄生信号，提高寄生信号，提高G信号的清晰度

3、。信号的清晰度。21 电视信号的信号的摄取与数字取与数字摄像机像机 CCD驱动脉冲脉冲发生器生器 CCD摄像器件是自像器件是自扫描器件，需要描器件，需要与与场、行同步的、行同步的驱动脉冲信号从脉冲信号从CCD器器件件获取信号以形成符合取信号以形成符合电视要求的行、要求的行、场扫描描标准的准的图像信号。像信号。21 电视信号的信号的摄取与数字取与数字摄像机像机 作作为高清晰度信号源的高清晰度信号源的现代代摄像机除了高度集像机除了高度集成，使用方便易操作外，至少成，使用方便易操作外，至少还具具备下列特征：下列特征：n高分辨率。要求水平分辨率在高分辨率。要求水平分辨率在1000线以上，垂直以上，垂直

4、分辨率在分辨率在800线以上。以上。n较高的性噪比。高的性噪比。S/N应大于大于50dB。n高灵敏度。高灵敏度。对较弱的信号甚至在弱的信号甚至在较暗的暗的场合下也合下也能能够摄取。取。CCD（传感器件）甚至可将人眼不易感器件）甚至可将人眼不易觉察到的察到的红外光外光变为电信号。信号。n能能够适适应43与与169的的转换。n良好的良好的稳定性、可靠性、高性价比。定性、可靠性、高性价比。21 电视信号的信号的摄取与数字取与数字摄像机像机数字数字电视信号信号获取通常采取取通常采取 1. 数字数字电视摄像机像机获取。取。 2. 模模拟电视信号信号经数字化后数字化后转换为数字数字电视信号。信号。 全全电

5、视信号信号数字化数字化 分量量化：将全分量量化：将全电视信号分解信号分解为Y、R-Y、B-Y分分别数字化数字化22 电视信号的数字化信号的数字化过程程回回顾： 模模拟信号与数字信号信号与数字信号 模模拟信号数字化的信号数字化的过程程 22 电视信号的数字化信号的数字化过程程模模拟信号和数字信号：信号和数字信号： 信号是随信号是随时间变化的某种物理量。只有化的某种物理量。只有变化的化的量中，才可能含有信息。量中，才可能含有信息。 信息通常表示信息通常表示为一个一个时间的函数。的函数。图像信息通像信息通常可以表示常可以表示为一个空一个空间的函数。的函数。连续信号：信号： 确定信号表示确定信号表示为

6、确定的确定的时间函数，如果在某一函数，如果在某一时间间隔内，隔内，对于一切于一切时间值，除了若干不，除了若干不连续点点外，外，该函数都会函数都会给出确定的函数出确定的函数值，这称称为连续信信号。号。 实际上，所上，所谓连续信号是指它的信号是指它的时间变量量t是是连续的，也称的，也称为连续时间信号。信号。22 电视信号的数字化信号的数字化过程程离散信号：离散信号： 代表离散信号的代表离散信号的时间函数只在某些函数只在某些不不连续的的时间值上上给定函数定函数值。所。所谓离离散信号，散信号，实际上指的是它的上指的是它的时间变量量t取取离散离散值，也称，也称为离散离散时间信号。信号。 从从图像的角度，

7、引入空像的角度，引入空间离散信号。离散信号。22 电视信号的数字化信号的数字化过程程 模模拟信号信号连续时间信号，幅度和信号，幅度和时间取取值都是都是连续的的 数字信号数字信号幅度和幅度和时间取取值都是离散的都是离散的 从从传感器感器输出的信号都是模出的信号都是模拟信号。最信号。最终被人被人的感的感觉器官所能感器官所能感觉到的也是模到的也是模拟信号。信号。 从数字通信的角度从数字通信的角度总是模是模拟信号信号数字信数字信号号模模拟信号信号 模模拟信号信号数字信号；模数字信号；模拟量量数字量三个步数字量三个步骤： 取取样、量化、量化、编码22 电视信号的数字化信号的数字化过程程22. . 1 模

8、模拟信号的取信号的取样 取取样与奈奎斯特（与奈奎斯特（Nyquist）取）取样定理：定理： 一个一个带宽为B的信号可由均匀的信号可由均匀间隔小于隔小于1/2B秒秒处的的值唯一确定。唯一确定。 或：或： 带宽为B的信号可由均匀抽的信号可由均匀抽样率每秒不小于率每秒不小于2B个抽个抽样值所重建。所重建。 或或22 电视信号的数字化信号的数字化过程程 取取样，从，从时间上上进行离散，采行离散，采样点密点密恢复好，数据量大。恢复好，数据量大。 采采样点疏点疏频率交叠，不能恢复。（从信号率交叠，不能恢复。（从信号调幅的角度幅的角度可以加以理解可以加以理解频率交叠，低通率交叠，低通滤波和信号恢波和信号恢复

9、）复） 取取样频率越高数据量越大。率越高数据量越大。22 电视信号的数字化信号的数字化过程程关于亮色取关于亮色取样结构构 取取样结构是指信号的取构是指信号的取样点在空点在空间和和时间上的上的相相对位置，有正交位置，有正交结构和行交叉构和行交叉结构等形式。构等形式。 正交结构 行交叉结构22 电视信号的数字化信号的数字化过程程 在数字在数字电视中一般采用信号中一般采用信号处理理较为简单的正交的正交结构，构，这种种结构在构在图像平面上沿水平方向取像平面上沿水平方向取样点等点等间隔排隔排列，沿垂直方向上下列，沿垂直方向上下对齐排列。排列。 根据人眼的根据人眼的视觉特性，特性，对亮、色信息的空亮、色信

10、息的空间分辨率不分辨率不一一样，为了减少数字了减少数字图像的数据量，亮、色量化采用了不像的数据量，亮、色量化采用了不同的取同的取样频率，以率，以满足足视频编码的要求。根据不同的要求。根据不同图像像质量的要求，有多种不同的取量的要求，有多种不同的取样结构。（数据量）构。（数据量）22 电视信号的数字化信号的数字化过程程（1）444的取的取样结构，亮度信号采构，亮度信号采样点与色差点与色差信号采信号采样点具有相同数量的点具有相同数量的结构形式，每个象素都用构形式，每个象素都用一个亮度和两个色差信号描述，如果量化采用一个亮度和两个色差信号描述，如果量化采用8Bit那那么每个象素需要么每个象素需要24

11、Bit来表示（来表示（Y、Cr、Cb或或Y、U、V）。）。 描述一幅描述一幅图像的数据量比像的数据量比较大，在要求高大，在要求高质量信量信号源的情况下，可以采用号源的情况下，可以采用这种格式。取种格式。取样结构如构如图所所示。示。444的取的取样结构构( (+表示亮度象素表示亮度象素， 表示色度象素，表示色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号U、V) )第第n行行第第n1行行YUVYUVYUVYUV4:4:4 格式中亮度信号和色度信号格式中亮度信号和色度信号样点位置点位置YUV22 电视信号的数字化信号的数字化过程程（2）422的取的取样结构，沿水平方向每两个象素构，沿水平方向每两个象素

12、中，每个象素都是采用各自的亮度信号而色差信号中，每个象素都是采用各自的亮度信号而色差信号两个象素共用。每个色差信号在水平方向上的数量两个象素共用。每个色差信号在水平方向上的数量是亮度信号的一半（量化的比特数相同），但在垂是亮度信号的一半（量化的比特数相同），但在垂直方向上是一直方向上是一样的，其亮度的列数的，其亮度的列数应为偶数。如果偶数。如果亮度信号（亮度信号（ ）的取）的取样频率是率是13.5MHZ，其色差信，其色差信号号（ ）的取）的取样频率率为6.75MHZ即，即，这种格式主种格式主要要用于用于标准高清晰度准高清晰度电视的演播室中，其的演播室中，其422亮色亮色比取比取样结构如构如图所

13、示。所示。图中中+表示亮度象素，表示亮度象素， 表示表示色度象素，色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号R-Y、B-Y。第第n行行第第n1行行4:2:2 格式中亮度信号和色度信号格式中亮度信号和色度信号样点位置点位置YUVYUVYUVYUV 422的取的取样结构构 ( (+表示亮度象素表示亮度象素， 表示色度象素，表示色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号U、V) )22 电视信号的数字化信号的数字化过程程（3）411的取的取样结构，其色差信号的取构，其色差信号的取样频率率为亮度的亮度的1/4，即在水平方向上是每四个象素中，每，即在水平方向上是每四个象素中，每个象素都个象素都对应有

14、各自的亮度信号，而色差信号四个有各自的亮度信号，而色差信号四个象素共用一个，但垂直方向上是一象素共用一个，但垂直方向上是一样的，表明如果的，表明如果每个有效行内有每个有效行内有720个亮度个亮度样点，那么相同行内只点，那么相同行内只有有180个色差个色差样点（注意每个色差点（注意每个色差样点包含点包含Cr、Cb）。）。411格式不属于格式不属于CCIR601建建议中的演播中的演播室室编码参数参数规范。取范。取样结构如构如图所示。所示。第第n行行第第n1行行YUVYUVYUVYUV4:1:1 格式中亮度信号和色度信号格式中亮度信号和色度信号样点位置点位置411的取的取样结构构 ( (+表示亮度象

15、素表示亮度象素， 表示色度象素，表示色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号U、V) )22 电视信号的数字化信号的数字化过程程（4）420的取的取样结构，构，对应于于图像象素平面中，每四个像象素平面中，每四个象素（水平方向和垂直方向各两个象素）每个象素都是采用象素（水平方向和垂直方向各两个象素）每个象素都是采用各自的亮度信号（各自的亮度信号（Y）而色差信号（）而色差信号（U、V）四个象素共用，）四个象素共用，也就是也就是说每每4个亮度个亮度样点点对应1个色差个色差样点，即色度象素点，即色度象素（U、V）取）取值是在四个亮度是在四个亮度样点的中点的中间，并非它，并非它们真正位真正位置。置。

16、显然然这种种结构的亮度信号在水平和垂直方向上是偶数，构的亮度信号在水平和垂直方向上是偶数，且色差且色差样点可以通点可以通过422结构中的色差构中的色差样点通点通过内差法内差法换算得到。算得到。420格式是格式是SDTV信源信源编码中使用的格式，中使用的格式，且且MPEG2中也是以中也是以这种格式种格式为基基础的，但是它不属于的，但是它不属于CCIR601建建议中的演播室中的演播室编码参数参数规范。取范。取样结构如构如图所所示。示。 第第n行行4:2:2第第n1行行 4:0:04:2:0 格式中亮度信号和色度信号格式中亮度信号和色度信号样点位置点位置YUVYYUVY 420的取的取样结构构 (

17、(+表示亮度象素表示亮度象素， 表示色度象素，表示色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号U、V) )444的取的取样结构构 422的取的取样结构构411的取的取样结构构 420的取的取样结构构( (+表示亮度象素，表示亮度象素， 表示色度象素，表示色度象素， 包含两个色差信号包含两个色差信号U、V) )利用人眼的利用人眼的视觉特性，特性，牺牲色度的分辨率，牲色度的分辨率，相相邻象素共用色差信象素共用色差信号，号，换取数据量的减少。取数据量的减少。24bit/pix16bit/pix12bit/pix12bit/pix利用人眼的利用人眼的视觉特性，特性，牺牲色度的分辨率，牲色度的分辨率，相

18、相邻象素共用色差信号，象素共用色差信号，换取数据量的减少。取数据量的减少。24bit/pix12bit/pix16bit/pix12bit/pix444的取的取样结构构 422的取的取样结构构420的取的取样结构构 411 的取的取样结构构值得注意的是：得注意的是： 在采在采样、存、存储、传输时，利用人眼的，利用人眼的视觉特性，特性，牺牲色度的分辨率，相牲色度的分辨率，相邻象素共用象素共用色差信号，以色差信号，以换取数据量的减少。取数据量的减少。 在在显示示时仍然要恢复到每个像素用一个仍然要恢复到每个像素用一个亮度信号和二个色差信号来表示，不足的色亮度信号和二个色差信号来表示，不足的色差信号采

19、用共用方式来差信号采用共用方式来获取。取。222 量化及其量化的形式量化及其量化的形式量化：量化： 就是把幅就是把幅值离散化，便于用有限个状离散化，便于用有限个状态即用有即用有限个二限个二进制数表示（或制数表示（或编码）一）一组连续值取取样的的过程。程。量化形式：量化形式： 量化可分量化可分为标量量化和矢量量化两种形式。量量化和矢量量化两种形式。 标量量化按量量化按归并的方式，量化又可分并的方式，量化又可分为：只舍：只舍不入量化和舍入量化方式两种。不入量化和舍入量化方式两种。222 量化及其量化的形式量化及其量化的形式标量量化：量量化： 如果每个取如果每个取样值都是采用都是采用单独量化，独量化

20、，则称称这一一过程程为标量量化。量量化。 具体地具体地说，它把取，它把取样值的的变化范化范围A分分为M个小区个小区间，每，每一个小区一个小区间称称为分分层间隔（或称量化隔（或称量化间距），距），M称称为分分层总数（或称量化数（或称量化级数）。数）。 当采用二当采用二进制制编码时，则M=2n，n=1，2，3，为量化量化比特数，即比特数，即码元位数。元位数。 通常所通常所说的的8bit，n=8，M=256；10bit，n=10，M=1024；因此，；因此，“量化量化”就是把模就是把模拟信号取信号取样后的后的电平平值归并并到到预先划定的有限个先划定的有限个电平等平等级上，即用上，即用2n去逼近取去逼

21、近取样点点值。如如图26(a)所示。所示。M543210AtM543210AtX(n)1110 9 8 7 6 5 4 3 2 模模拟信号信号量化量化电平平取取样电平平0 1 2 3 4 5 6 7 8 9量化量化电平的等平的等级划分划分模模拟信号的取信号的取样与量化与量化1标量量化量量化 标量量化按量量化按归并的方式，量化又可分并的方式，量化又可分为：只舍不入量化和舍入量化方式两种。：只舍不入量化和舍入量化方式两种。 只舍不入量化，又称截尾量化，即当取只舍不入量化，又称截尾量化，即当取样信号信号电平平处在两个量化等在两个量化等级之之间时，将其，将其归并到下面的量化等并到下面的量化等级上，而把

22、超上，而把超过的部分的部分舍去。可舍去。可见，这种方式量化的最大种方式量化的最大误差接近差接近一个一个A。1标量量化量量化 舍入方式的量化又称四舍五入量化，即舍入方式的量化又称四舍五入量化，即当取当取样信号信号电平超平超过某一量化等某一量化等级一半一半时，归并到上一量化等并到上一量化等级；而当取；而当取样信号信号电平低平低于某一量化等于某一量化等级的一半的一半时，则将其将其归并到下并到下一量化等一量化等级。不。不难看出，舍人方式的量化最看出，舍人方式的量化最大量化大量化误差差为A2。 舍入方式的量化舍入方式的量化较只舍不入量化方式只舍不入量化方式误差小，通常差小，通常选用舍入方式的量化。用舍入

23、方式的量化。均匀量化均匀量化(或或线性量化性量化)： 如果在如果在输入信号的入信号的动态范范围内，任何内，任何处的量化的量化间隔幅度相等的量化，即称隔幅度相等的量化，即称为均匀量均匀量化化(或或线性量化性量化)，所以，所以这种情况下的量化也可种情况下的量化也可简单地理解地理解为四舍五入的四舍五入的过程。程。 X(n)1110 9 8 7 6 5 4 3 2 模模拟信号信号量化量化电平平取取样电平平0 1 2 3 4 5 6 7 8 9模模拟信号的取信号的取样与量化与量化n123456789舍入方式量化舍入方式量化X(n)14778891011只舍不入方式量化只舍不入方式量化X(n)047678

24、8910量化噪声量化噪声 由由图可可见，模数，模数转换不是一个精确的不是一个精确的过程，程，主要是由于量化主要是由于量化误差具有不确定性，如果采用舍入差具有不确定性，如果采用舍入方式量化，其量化后幅度方式量化，其量化后幅度误差高达差高达该差差值的正的或的正的或负的的A2。 在采用在采用8 bit或或l 0 bit的的码字字时，这种不确定性种不确定性基本上以随机的方式出基本上以随机的方式出现，因而其效果等效于引入，因而其效果等效于引入随机噪声随机噪声(或称量化噪声或称量化噪声)。 量化噪声：因量化噪声：因为量化后，在量化后的量化后，在量化后的输出出值上上的附加的附加值，类似叠加上一个噪声似叠加上

25、一个噪声值。2量化信噪比的确定量化信噪比的确定 设输入信号入信号为f(t)，T为取取样周期，周期，为量化后量化后输出出的的阶梯信号，梯信号，e(t)为量化量化误差，差，则有：有： e(t)是所是所谓量化噪声，因量化噪声，因为在信号量化后与量化前在信号量化后与量化前比比较，信号量化后的幅度，信号量化后的幅度输出出值上叠加了一个附上叠加了一个附加加值，这个个误差差值是由于量化是由于量化过程引入的，程引入的，类似似叠加上一个噪声叠加上一个噪声值。 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 0 局部情况取取样电平平量化量化电平平t0tT采采样周期周期T2量化信噪比的确定量化信噪比的确定均

26、匀量化均匀量化误差差 舍人量化舍人量化时，e(t)除除f(t)的极大的极大值和拐折点是和拐折点是缓慢化区外，其余部分都慢化区外，其余部分都是是锯齿状（在采状（在采样间隔之隔之间认为幅度的幅度的变化是呈化是呈线性的）如性的）如图所示，从所示，从图中中可得，可得，t2量化信噪比的确定量化信噪比的确定 若若设e ( t )的平方在的平方在单位位电阻上所阻上所产生的生的量化噪声功率量化噪声功率为Nq 则有：有： 2量化信噪比的确定量化信噪比的确定 对于于电视这样的的单极性信号的量化信噪比极性信号的量化信噪比SN为： S/N = 信号峰一峰信号峰一峰值噪声均方根噪声均方根值（量化（量化级数数 ）或用分或

27、用分贝表示：表示：2量化信噪比的确定量化信噪比的确定由此可由此可见，量化，量化间隔隔A越小或比特数越小或比特数n越大，量越大，量化化误差所引起的失真功率差所引起的失真功率(Nq)就越小，但同就越小，但同时器件器件的的规模即成本将增大。量模即成本将增大。量化比特数化比特数n与信噪比与信噪比(SN)dB呈呈现6dB的的线性关系，如性关系，如图所示。所示。2量化信噪比的确定量化信噪比的确定(1)从降低数从降低数码率率RB=fSn（量化后的数据量（量化后的数据量采采样频率率量化比特数）考量化比特数）考虑，n愈小愈愈小愈好。如好。如图28所示的所示的n与与SN、失真度关系。、失真度关系。(2)从全从全电

28、视图像信号量化信噪比像信号量化信噪比 (SN)dB14+6n(dB)考考虑，n愈大愈好。愈大愈好。非均匀量化非均匀量化 当采用均匀量化当采用均匀量化时，由于量化，由于量化间隔隔A固定，所以量化信噪比固定，所以量化信噪比(SN)随随输入信号幅入信号幅度度A的增加而增加。的增加而增加。这就使得在就使得在强信号信号时固固然可把噪声淹没掉，但在弱信号然可把噪声淹没掉，但在弱信号时，因信号，因信号在取在取样时间T内的幅度内的幅度较小而小而丢舍的相舍的相对大信大信号号较多，多，则噪声的干噪声的干扰就十分明就十分明显。 非均匀量化非均匀量化 为改善弱信号的信噪比，改善弱信号的信噪比，同同时要保要保证在在输入

29、信号幅度入信号幅度变化化时，其量化信噪比基本不，其量化信噪比基本不变，对于于实际的的视频信号信号压缩编码中，更多的是采用非均匀中，更多的是采用非均匀量化，如日量化，如日趋成熟的高效差分成熟的高效差分脉冲脉冲编码调制制(DPCM)就是采就是采用非均匀量化，即用非均匀量化，即输入大信号入大信号时输出采取粗量化（出采取粗量化（A大），大），输入小信号入小信号时输出出细量量化（化（A小），如小），如图29所所示。示。非均匀量化非均匀量化对于非均匀量化，此于非均匀量化，此时式（式（24）可写成）可写成 信噪比信噪比 量化量化级数数对非均匀量化也可以采用均匀量化的方法来非均匀量化也可以采用均匀量化的方法来

30、实现，即在即在编码器之前，器之前，对输入信号的大幅度信号入信号的大幅度信号进行非行非线性性压缩，然后采用均匀量化的方法，也可以，然后采用均匀量化的方法，也可以实现非均匀量化。非均匀量化。非均匀量化作用：非均匀量化作用： 比比较好的兼好的兼顾了量化后数了量化后数码率与量化后率与量化后输出信号的信噪比之出信号的信噪比之间的关系，即在保的关系，即在保证输出信号的性噪比的前提下降低了数出信号的性噪比的前提下降低了数码率，降率，降低了低了传输带宽。 3矢量量化矢量量化编码 矢量量化是多矢量量化是多维量化，而量化，而标量量化是一量量化是一维量化。矢量量化把量化。矢量量化把输入信号序列中的每入信号序列中的每

31、N个个样值合合为一一组，形成，形成N维矢量空矢量空间，然后根据，然后根据一定一定误差准差准则从从码字集合（字集合（码书）中）中选出最出最紧密配合密配合输入序列的一个入序列的一个码字来近似一个取字来近似一个取样序列，序列，这就是矢量量化的方法。就是矢量量化的方法。23 视频信号的信号的编码231 编码的形式与特点的形式与特点 彩色彩色电视信号数字化信号数字化编码的形式：的形式： 彩色彩色电视信号数字化信号数字化编码的形式分复合的形式分复合编码与分量与分量编码两种。两种。复合复合编码 直接直接对彩色全彩色全电视信号信号进行脉冲行脉冲编码调制制(PCM)，其，其电路的路的优点是只要一套点是只要一套A

32、DC设备，电路比路比较简单，数字化以后，数据量，数字化以后，数据量较小，小，传输数数码率率较低。但由于被数字化的信低。但由于被数字化的信号包含有彩色副号包含有彩色副载波，故易波，故易产生取生取样信号与信号与副副载波及其波及其谐波波间的差拍干的差拍干扰，量化后易，量化后易产生色生色调与色与色饱和度失真；和度失真；分量分量编码 而分量而分量编码是是对亮度信号亮度信号Y和色差信号和色差信号U(B-Y)、V(R-Y)或三基色信号或三基色信号R、G、B分分别进行行PCM，这种种编码需要三套需要三套ADC，设备较复复杂，成本高，数字化以后，数据量，成本高，数字化以后，数据量较大，大，传输码率也率也较高，但

33、随着超大高，但随着超大规模集成模集成电路路的的飞速速发展与日展与日趋完善，目前完善，目前应用更多的用更多的还是分量是分量编码。编码 图像信号像信号经过采采样、量化以后，、量化以后，还需要需要把量化后把量化后电平大小的平大小的值不能用一般的十不能用一般的十进制制的数字表示，而的数字表示，而应用便于用便于处理的一系列理的一系列“0”、“1”码字来表示即字来表示即编码。 由上可由上可见，取，取样、量化后的信号并非是、量化后的信号并非是最后的数字信号，必最后的数字信号，必须经过编码这一重要一重要过程。此程。此编码输出的信号将是构成基本出的信号将是构成基本码流流(Elementary Stream)的最

34、重要形式之一。的最重要形式之一。常常见的的编码形式及其主要特点如表形式及其主要特点如表2323所示所示表表23 常常见二二进制制编码形式及其特点形式及其特点量化量化电平平自然二自然二进制制码格雷格雷码折叠二折叠二进制制码特特 点点O O OOOOOO000000O11O111 1自然二自然二进制制码是是权码，和二和二进制数一一制数一一对应，模数或数模模数或数模转换电路路简单易行，但相易行，但相邻码间在在转换时易出易出现冲激冲激电流，流，抗干抗干扰较差；差； 2 2格雷格雷码相相邻电平平间转换只有一位只有一位变化，抗化，抗干干扰较强，但数模或模，但数模或模数数转换较复复杂；3 3折叠二折叠二进制

35、制码沿中心沿中心电平上下平上下对称，适于表称，适于表示正示正负对称信号，抗干称信号，抗干扰最最强。1 1 OO1OO1OO1OO1O1OO1O2 2O1OO1OOl1Ol10010013 3 O1lO1lOlOOlOOOOOOO4 4l00 l00 llOllO1OO1OO5 5lO1 lO1 lll lll lO1 lO1 6 6l1O l1O 101101llOllO7 7l11 l11 100100111111自然二自然二进制制码 自然二自然二进制制码和二和二进制数一一制数一一对应，简单易易行。它是行。它是权重重码，每一位都有确定的大小，从最高，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次

36、位到最低位依次为2n，2n-1，4，2，1，可以，可以直接直接进行大小比行大小比较和算和算术运算，在解运算，在解码中可以直接中可以直接由由DA转换器器转换为模模拟信号。由上表不信号。由上表不难看出，看出，相相邻电平的代平的代码之之间可能有可能有较大的差大的差别，例如十，例如十进制的制的7与与8之之间每位二每位二进制制码都要改都要改变。这样，在，在DA转换时，数字，数字电路可能路可能产生生较大的尖脉冲大的尖脉冲电流，形成干流，形成干扰。另外，当。另外，当发生生误码时可能可能产生生较大大误差。例如，如果第一位差。例如，如果第一位发生生误码，则可能使量化可能使量化电平从平从9变为1，或者从，或者从1

37、变为9，信号，信号电平偏差大。平偏差大。交替二交替二进制制码 交替二交替二进制制码(又称格雷又称格雷码)可克服自然二可克服自然二进制制码的上述缺点。从表的上述缺点。从表23可以看出，相可以看出，相邻两个量化两个量化电平等平等级之之间只有一个只有一个码值改改变。通常，把相。通常，把相邻两两个个码字之字之间码值不同的个数称不同的个数称为码距。所以，交替距。所以，交替二二进制制码的的码距距为1。因此，当。因此，当发生生误码时，译码后恢复的模后恢复的模拟信号信号误差小些。但格雷差小些。但格雷码不是不是权重重码，每位，每位码值不能直接代表相不能直接代表相应的十的十进制的大小，制的大小，无法直接无法直接进

38、行大小比行大小比较和运算，也无法直接由和运算，也无法直接由DA转换器器还原出模原出模拟信号，需要重新信号，需要重新还原成自然二原成自然二进制制码，故，故处理理电路路较复复杂。折叠二折叠二进制制码 折叠二折叠二进制制码沿中心沿中心电平上下平上下对称，适于表示称，适于表示上下上下对称的双极性信号称的双极性信号(例如声音信号和色差信例如声音信号和色差信号号)。在。在该码中，其最高位用来代表信号幅中，其最高位用来代表信号幅值的正、的正、负。0代表正代表正值，1代表代表负值。其余各位。其余各位则以零以零电平平为中心，上下中心，上下对称（如表中所示，称（如表中所示，对称的称的码字之字之间仅最高位在最高位在

39、变，低两位不，低两位不变），以自然二），以自然二进制制码排排列。列。对于音于音频信号，正信号，正负半周除极性之外其余半周除极性之外其余码位位相同，故可用相同的比相同，故可用相同的比较器和器和编码器，不但器，不但节约了了编码比特数，而且比特数，而且简化了化了电路路结构。另外，折叠二构。另外，折叠二进制制码抗抗误码能力能力较强。232 归一化一化处理理 在在对模模拟电视分量信号分量信号EY、ER-Y和和EB-Y 进行量行量化和化和编码前，必前，必须进行行归一化一化处理以便于用有限的理以便于用有限的比特数比特数进行行编码。根据。根据电视基基础理理论，亮度和色差，亮度和色差信号的构成信号的构成 EY=

40、0.299ER+0.587EG+0.114EB ER-Y=0.701ER0.587 EG0.114EB EB-Y=0.299 ER0.587EG+0.886EB为便于数字化便于数字化处理，将上述亮度信号与色差信号要理，将上述亮度信号与色差信号要进行行归一化，所一化，所谓信号信号归一化，就是一化，就是设置其峰置其峰值为1.0V(即最大即最大电平平为1.0V)，则l00彩条信号的各彩条信号的各值如表如表24所示。所示。表表24 100彩条信号所彩条信号所对应的基色及色差的基色及色差值彩条彩条EREGEBEYERYEBY白白1.01.01.01.01.01.01.01.00 00 0黄黄1.01.0

41、1.01.00 00.8860.8860.1140.1140.8860.886青青0 01.01.01.01.00.7010.7010.7010.7010.2990.299绿0 01.01.00 00.5870.5870.5870.5870.5870.587紫紫( (品品) )1.01.00 01.01.00.4130.4130.5870.5870.5870.587红1.01.00 00 00.2990.2990.7010.7010.2990.299蓝0 00 01.01.00.1140.1140.1140.1140.8860.886黑黑0 00 00 00 00 00 0由表可由表可见，亮度

42、信号，亮度信号EY的的动态范范围取取值在在01之之间， 红、青彩条中色差信号、青彩条中色差信号ERY的的动态范范围是是0.7010.701，而而蓝、黄彩条中色差信号、黄彩条中色差信号EBY的的动态范范围是是0.8860.886。归一化一化处理理 为了使色差信号的了使色差信号的动态范范围也限制在也限制在0.5+0.5之之间，需要再次，需要再次归一化，即一化，即对色差信号引入色差信号引入压缩，其，其压缩系数分系数分别为： KR0.500.7010.713 KB0.500.8860.564则归一化后的色差信号一化后的色差信号为： ECR=0.713ER-Y=0.500ER0.419EG0.081EB

43、 ECB=0.564EB-Y=0.169ER0.331EG+0.500EB233 归一化后的一化后的码电平分配平分配1亮度信号亮度信号码电平分配平分配 在在对分量信号分量信号进行行8bit均匀量化均匀量化时，共分，共分为2 5 6个等个等间隔的量化隔的量化级，其二，其二进制的范制的范围是是00000000 11111111，相，相应的十的十进制范制范围是是0255。在。在CCIR 601建建议中，中，0和和255 这两个两个级留作留作同步信息用，不能作同步信息用，不能作为视频数据出数据出现。为了防止信了防止信号号变动过载，在，在256级内上端留内上端留20级、下端留、下端留1 6级作作为信号超

44、越信号超越动态范范围的保的保护带，其量化后的，其量化后的码电平分配如平分配如图2-1 2所示。所示。过载保保护带过载保保护带亮度信号亮度信号经归一化一化处理后的理后的动态范范围为01，经量后量后总共占共占220个量化个量化级，码电平平16对应消消隐电平，平，码电平平235对应峰白峰白电平。平。 2色差信号色差信号码电平分配平分配 色差信号色差信号经过两次两次归一化一化处理后，其理后，其ECR和和ECB的的动态范范围是在是在 0 5+05之之间，因此，因此进8bit均匀量化均匀量化时，必，必须使色差零使色差零电平平对应码电平平2562128，色差信号，色差信号总共占共占225个量化个量化级，如，

45、如图2-13所示。所示。24 视频模数模数转换器与数模器与数模转换器器3.3V1.8V5V5VCr/Y/Cb7:0C9:0Video outVideo inS-Video in视频输入入接口接口A/D(TVP5147)Y9:0FPGA（EP1C6Q240）D / A(SAA7121)视频缓冲池冲池（Flash）USB接口接口（CY7C68013）USBPCI2C功率放大功率放大（2267）Video outS-Video out视频输出出接口接口电源部分源部分（AMS1117-3.3） （ ASM1117-1.8）DVI 输出出接口接口视频输出出接口接口DVI 输出出接口接口电路路视频图像采集像采集电路原理框路原理框图数字数字图像每像每帧数据量的数据量的计算算数字数字图像数据量像数据量 =图像分辨率（像分辨率（mn）每个像素的每个像素的平均数据量（随不同的采平均数据量（随不同的采样格式确定）格式确定） 例：例：对于于4:2:2 标清数字清数字电视720576量化精度采用量化精度采用8bit 单帧图像的数据量像的数据量=720576168 =53084160bit =6635520B =6480kB=6.328125MB