电视图像的视频带宽

电视图像的视频带宽 如果图像信号的清晰度使用“扫描线×有效系数”的方法来计算，那么问题就再简单不过了。事实上，这种方法只对垂直清晰度的计算有效，对水平清晰度的计算无效。之所以对水平清晰度计算无效，是因为水平清晰度涉及到视频带宽及逆程扫描等问题。因此，我们必须先从视频带宽的概念和内容说起。 虽然“视频带宽”一词在媒体上经常见到，但对一般家庭影院爱好者来说并不清楚其真正含义和作用。尤其是有些媒体上关于视频带宽的解释和列出的达式不一样，就造成了人们更大的困惑。比如，有人说它是每秒钟图像取样点数的总和，有人说它是每秒钟扫过的图像像素总数，有人甚至还要在其后面再乘以一个幅型比，如此等等。那么，应当如何来认识视频带宽呢, 一、黑白电视的视频带宽 在AV系统中，视频带宽是相对于音频带宽而言的，它是用于、传送系统图像电磁信号的最低频率与最高频率之间的频率范围，这个范围叫频带，频带的宽度就叫“视频带宽”，简称“带宽”。 在视频带宽中所包括的信号，并非只有图像信号，还包括了行同步信号、场同步信号和扫描线回扫时的消隐信号等。因此，视频图像信号是图像信号、复合同步信号和消隐信号的总称。频率的意思不是取样点或像素点的意思，而是在单位时间内视频图像信号电平(一般用电压来表示)交替改变的次数的意思。虽然单纯用取样点或像素来描述视频带宽是不够的，因为它还包括了系统运行的其它信号，但是因为在总的视频图像信号中，用于携带图像信息的信号占了绝大多数，所以用取样点或像素值来近似地描述视频带宽还是可以的，但要注意其真正含义，现将有关内容简述如下。 图像信号的频率高低就是电平信号变化的快慢，它与构成图像内容的繁简程度有关。比如，有一幅最简单的图像，上半部是白色，下半部是黑色，那么这幅图像的电平变化只有一次，即1Hz;每秒传送50次，这幅图像的电平变化就是50次，即50Hz。这个频率，可以认为是电视图像的最低频率，只有50Hz，或者说近似0Hz。相反，如果图像构成非常细碎复杂，每两个像素点之间都有明暗程度交替变化，那么，当扫描线每扫过两个像素点时，电平就变化一次，即电视信号完成了一个变化周期;扫过所有像素点后，就产生了像素值一半的电平交替变化周期，这就是业界所说的“行周期”。在这种复杂图像的每两个像素点之间都有明暗程度交替变化的情况下，如果忽略一些次要因素(如同步信号和消隐信号等)，这时的电视图像信号频率就是最高频率fmax。其值可以简单表示为: fmax=(1/2)fV AZ2„„„(1) 其中fV为场频(在这里实际上是逐行扫描时的帧频fF)，A为幅型比4/3，Z为单幅图像总扫描线行数。因为Z为垂直方向行数，则:AZ为水平方向行数，而AZ×Z=AZ2为单幅图像总像素;乘以fV场频得到每秒总像素，再乘以1/2得到每秒总行周期，即最高频率，这就是(1)式的来源。 因为视频带宽Δf应为最高图像信号频率与最低图像信号频率之差，所以应当表示为: Δf,fmax,fmin 如果图像只是一幅纯黑或纯白的画面，那么图像信号电平没有什么变化，在系统视频信号中以同步信号和消隐信号为主，这个值不大，所以可以将最小频率fmin近似看作0Hz，那么从上式可知，视频带宽就与最高频率在数值上相同，即 Δf,fmax 因此，视频带宽既可以用Δf表示，也可以用fmax表示，还可以用专用符号fv表示。不过，用fv表示时，要与场频所用的fv相区别。 如果用帧频和像素(取样点)来表示视频带宽，则有 Δf,fmax =帧数×每帧扫描线数×每行行周期„„„(2) 从这里不难看出，电视的视频带宽，一是不能直接用水平像素乘以垂直像素再乘以每秒扫描的帧数，如果这样计算结果将大了一倍:二是在这个乘积后面不能再乘以幅型比(4/3或16/9)，如果这样，结果将更大。 利用(1)式可以计算出，在每秒50帧时，PAL制电视的视频带宽为13MHz，占用的频道太宽了。如果使用隔行扫描，可以减小一半，因此规定其视频带宽为6MHz。这样一来，每个电视频道总共占用带宽8MHz，其中6MHz用于传送图像，位于频谱的低端;15kHz用于传送伴音，位于视频频带的高端，中间有一小段距离，以避免伴音信号串入图像信号中;在8MHz的上、下边缘部分各有一段空白频带，用以防止频道之间的串扰。我国PAL制电视的视频带宽示意图见图1，该图为第二频道的带宽。 二、彩色电视的视频带宽 对彩色电视来说，由于增加了色度信号，使对视频带宽的处理复杂化。可以设想，如果R(红)、G(绿)、B(蓝)三基色中每一种颜色都要占用6MHz，那么还得需要18MHz的频带资源，这显然是不现实的。由于电视工作者的努力，利用视色不敏感性原理、色差原理和频谱间置原理，极为圆满地解决了这个问题。 1.视色不敏感性原理 这个原理是指，人眼对颜色失真的敏感性远远低于对黑白失真的敏感性，利用这个原理，只用相当窄的视频带宽，就可以传送出人眼基本上看不出颜色失真的图像来。大量的统计试验说明，色度信号仅用1.0MHz,1.5MHz的带宽，就可以使90,95,的人对图像颜色还原的质量感到满意。因此，我国使用的PAL制电视的色度信号选用了1.3MHz的带宽。 2.色差原理 经过试验研究，发现人眼对红、绿、蓝三种颜色的视见度不同，即对每种颜色的敏感性不同。人眼对黄色和绿色感觉最亮，对红色和蓝色感觉最暗。因此，在合成亮度信号时，就不能将三种颜色按一比一的比例进行混合，而应当按照适合于人眼的视觉特点进行合成。研究说明，近似用0.30的红、0.59的绿和0.11的蓝，就可以合成很自然的黑白图像。即 Y(白)=0.30R，0.59G，0.11B„„„(3) 通过(3)式，可以求出各种颜色与亮度相减之差的关系，此关系就叫“色差”: 红色差:R-Y 绿色差:G-Y 蓝色差:B-Y 在Y、R-Y、G-Y、B-Y四个量中，只要知道其中的3个，就可以求出第4个，并可以进一步将其分解成Y、R、G、B，用于组成图像的亮度和色彩。因此，电视系统选择了用亮度信号Y、红色差信号R-Y、蓝色差信号B-Y三个参数来记录和传送彩色图像，从而把色度信号从三个减少为两个。这样一来，彩色信号的视频带宽就更好处理了。 3.频谱间置原理 频谱间置原理也称“频谱交错原理”或“频谱编织原理”，其意思是，亮度信号的频率在整个频带内并不是连续不断的，而是像梳齿一样断断续续的，即亮度信号的能量主要集中在主谱线左右，各主谱线以行频fH为间隔排列着，而且频率越高能量越小，两行主谱线及其邻近谐波构成的能量带之间的空隙越宽大。对于静止图像或移动缓慢的图像，两行主谱线及其邻近谐波之间的空白部分竟然达到90%以上;对于高速运动的图像，其空白部分将小得多。但总体来说，亮度谱线空白间隙可达到46%。人们利用这个亮度信号频率像梳齿一样的空白原理，将1.3MHz的色度信号也作为梳齿状的谱线频率，插入亮度信号的梳齿状空白频带之中，就可以将色度信号和亮度信号一起进行传送(见图2)。如此一来，彩色电视的带宽与黑白电视的带宽大小一样，直接利用原来简单的黑白电视的频道，就可以传送由亮度信号Y、红色差信号R-Y、蓝色差信号B,Y组成的彩色电视，从而节约了频谱资源，有利于在电磁波总频谱上容纳更多的节目频道。 色度信号频率也叫色副载波频率，简称色副载波。一般将色度信号的中心频率安排在亮度信号频带的靠后一段，即色度信号的中心频率在图像载波频率后面3.85MHz或4.43MHz处。我国PAL-D制的是4.43MHz,日、美、韩、加的NTSC-M制的是3.85MHz。由于色度信号的中心频率位置的不同，就形成了不同制式电视的色彩标准不一样(图3)。不同制式的彩色电视，其主要区别还不在于各自色副载波的中心频率不一样，而是主要区别在于两个色差信号插入亮度信号频率间隔中的方式不同，NTSC制为“正交平衡调幅”制，SECAM制为“顺序-同时”制(又称“对副载波调频”)，PAL制为“逐行倒相正交平衡调幅”制。因有关这方面的内容很复杂，在此不多加介绍了。 在接收机还原图像信号时，用滤波器将色度信号从亮度信号中“过滤”出来，就可以进行下一步的色 差处理和还原出R、G、B颜色，经过放大后，显示出可见图像来。 三、PAL制和NTSC制电视的几个重要参数 1.PAL制电视的重要参数 我国PAL-D制电视的每帧图像扫描为720×625，如果按每秒50帧传送逐行扫描图像，需要12MHz的带宽，这显然是不行的;如果按每秒25帧传送逐行扫描图像，虽然带宽可以降到6MHz，但图像是闪烁的。为了达到不低于人眼感到不闪烁的每秒48幅图像的要求，又要只使用6MHz的带宽，结果采用了隔行扫描的方式，即将每帧图像扫描线的奇数行和偶数行分开，各自组成一场，每秒传送50场。这样一来，我国PAL电视的场频为fV,50Hz，行频为fH,1/2×625×50,15.625kHz，每场扫描线为312.5行，每场时间为20ms:每行时间为64μs(其中正程时间为52μs，逆程时间为12μs，行逆程系数α为0.18，行正程系数为0.92);每帧回扫占用50行，有效扫描线为575行，帧逆程系数β为0.08，帧正程系数为0.92。 2.NTSC制电视的重要参数 NTSC-M制电视的每帧图像扫描格式为704×525，如果按每秒60帧传送逐行扫描图像，需要将近9.5MHz的带宽，这个带宽也显得过大，标准划定给以4.5MHz的带宽。如果按每秒30帧传送逐行扫描图像，虽然带宽可以降到4.5MHz，但图像是闪烁的。同理，为了获得不低于人眼感到不闪烁的每秒48幅图像的要 求，又要只使用4.5MHz的带宽，还是采用的隔行扫描的方式，即将每帧的奇数行和偶数行分开，分别组成奇数场和偶数场，每秒传送60场。这样一来，NTSC制电视的场频就为fV,60Hz;行频为fH,1/2×525×50,15.75kHz，每场扫描线为262.5行;每场时间为16.7ms，每行时间将近为64μs。在每行时间中，正程时间为52μs，逆程时间为12μs，行逆程系数α为0.18，行正程系数为0.82;每帧回扫占用45行，有效扫描线为480行，帧逆程系数β为0.086，帧正程系数为0.914。 以上这些参数都是非常重要的参数，在分析电视的许多问题时都可能用到，所以在此一并加以介绍。 四、三种制式电视参数对照 为了使读者对现行电视有一个完整的概貌了解，下面将三种制式电视的主要参数列表如下，仅供参考。 通过本文可以看出，电视图像信号的构成和参数是比较复杂的，并非知道了某一种电视的扫描格式如720×625就能计算出它的清晰度来。事实上，图像信号的扫描线数决定了图像的垂直清晰度，图像信号的视频带宽决定了图像的水平清晰度。在720×625格式中，其扫描线625行只有575行直接用于构成图像;在720个取样点中，并没有全部用于直接构成图像，而只有其大部分，也即600多点 人的视觉特性和彩色电视图像的空间变换:要谈彩色电视的标准和清晰度，首先得从人的视觉特性谈起。人们获取信息的70%来自视觉系统，颜色是视觉系统对可见光的感知结果。人眼对不同频率的红(R)绿(G)蓝(B)光的感知度不同，例如对蓝光的感知度最弱，只有0.1左右，对绿光的感知度最强，约为0.6。人眼对亮度的感知度较大，为0.8左右。 通常，我们看到的光不是一种波长的光，而是许多不同波长的光的组合。自然界中的任何一种颜色都可用这三种基本颜色按不同的比例混合得到，它们构成一个三维的RGB矢量空间。某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述: 颜色,R(红色的百分比)，G(绿色的百分比)，B(蓝色的百分比) 例如，电视机和计算机的显示器的阴极射线管(CRT)，就是使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色的。 一幅彩色图像可以看成由许多点组成，这些点称为像素。电视画面也是分解成许许多多细小单元(像素)加以传输的。在接收端，像素按行和列排列构成电视画面。由于每个像素反映的明暗和色彩不一，人眼分辨细节的能力又有限，因此在人们面前就呈现出一幅幅明暗有别、色彩分明的完整图像。 如前所述，由于人眼对红绿蓝光和亮度的感知度不同，利用人眼的这一特性，可降低电视图像传输所需要的容量。人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。若把人眼刚能分辨出的黑白相间的条纹换成不同颜色的彩色条纹，那末眼睛就不再能分辨出这些条纹来。由于这个原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明显影响图像的质量，也就是可以把几个相邻像素不同的彩色值当作一个相同的彩色值来处理(见图1)。 为了将彩色图像按亮度和颜色分别处理，就要把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三种:YIQ 、YUV和YCrCb。每种变换使用的参数是为 了适应某种类型的显示设备。例如，YIQ用于NTSC彩色电视制式，YUV用于PAL制和SECAM彩色电视制式，而YCrCb用于计算机用的显示器。 在YUV模型中，Y表示亮度，U、V是构成彩色的两个分量。考虑人的视觉系统和阴极射线管的非线性特性，YUV 和RGB的对应关系可以近似地用下面的式子来表示: Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = - 0.147R- 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B ; 用YUV或YIQ模型来表示彩色图像的优点是亮度信号Y和色差信号UV(或IQ)是相互独立的，可对Y，U和V三种图像进行单独编辑和编码。同时，由于亮度(灰度)信号是独立传输的，我们使用的黑白电视机也能够接受彩色电视信号。 在电视和计算机工业中，由于彩色显像管使用红、绿、蓝这三种磷光材料发光合成彩色，这就需要把用YUV或YIQ表示的图像信号转换成用RGB表示的图像信号才能显示。现在人们已经开发了一套标准转换表，用来表示在这几种彩色空间中颜色值的对应关系。 既然图像可以看成由许多像素组成，一幅图像包含的像素越多，图像的清晰度也就越高。图像像素的多少也称为分辨率。分辨率有两种:图像分辨率和显示分辨率。 (1) 图像分辨率 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。 在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(DIP)表示，如果用300DIP来扫描一幅8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。 像素深度是存储每个像素所用的位数，像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者是灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。如果像素深度太浅，也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然。 (2) 显示分辨率 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。在计算机上，显示分辨率可人为设定。 显示屏上的每个彩色像点由代表R、G、B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩膜和所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为点距。因此常用点距来衡量一个 显示屏的分辨率。普通电视机用的CRT的分辨率为0.76mm，而标准SVGA显示器的分辨率为0.28mm。孔眼越小，分辨率就越高。目前已有点距为0.19mm的显示器。 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而在某一显示分辨率下，可确定显示图像的区域大小。例如显示屏的分辨率为640×480，那末一幅320×240的图像只占显示屏的1/4;相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一幅完整的画面。 目前世界上流行的彩色电视制式有三种:NTSC制、PAL制和SECAM制。 NTSC 彩色电视制式是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。PAL称为逐行倒相正交平衡调幅制，是1962年德国制定的彩色电视广播标准，中国使用这种制式。 SECAM 为法国制定的彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。这三种电视制式都是兼容制制式。 我国使用PAL彩色电视制式规定，一帧图像的总行数为625，隔行扫描。行扫描频率是15625 Hz，周期为64μs;场扫描频率是50Hz,帧频是25Hz。在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是52.2μs，其余的11.8μs是行扫描的逆程时间，不传送图像。每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回扫，不传送图像，因此每帧只有575行有图像。颜色模型采用YUV。 决定电视的清晰度的重要参数是场频率和视频系统的频带宽度。最大垂直清晰度由垂直扫描总行数所决定。由于隔行扫描会造成局部的并行，所以实际的垂直清晰度还要把有效扫描行数乘以一个Kell 系数。在2?1 隔行扫描方式中，Kell 系数为0. 7，即垂直清晰度为电视有效行数的0.7倍。 水平清晰度定义为图像上可以分清的垂直线条数。水平清晰度与图像传感器的像素数和视频系统的频带宽度有直接关系。理论上，水平清晰度和垂直清晰度应采用统一的度量标准，所以当屏幕上的水平线条间隔和垂直线条间隔相同时，图像的垂直清晰度和水平清晰度应该是一样的。图像的宽高比系数大于1 ，所以，图像的水平清晰度线数应该是图像上实际能分清的黑白垂直条数除以宽高比系数。电视的水平清晰度的为: 水平清晰度TVL/ PH = 有效行时间(μs) ×2 ×频带宽度(MHz) ? 宽高比系数 按我国GB3174 - 82 彩色电视标准，一帧电视画面由625 行扫描线组成，也就是共有625条像素行，电视画面的宽高之比是4?3，由此可计算出每行应有833 个像素。实际上，每帧图像的有效行数为575 行. 因此我国现行电视标准的垂直清晰度为575 ×0. 7 = 403 TVL/ PH。应该指出的是，电视的垂直清晰度是由电视制式决定的，与电视信号的传输和视频带宽无关。 我国电视标准规定行周期为64μs，有效行时间为52.2μs ，标称视频带宽为6 MHz，所以我国现行电视标准的水平清晰度为: 水平清晰度(SDTV) =52 (μs) ×2 ×6 (MHz) ?(4/ 3)= 468 TVL/ PH. 应该指出的是，电视图像的清晰度指的是黑白亮度(灰度)的分辨率，因为图像彩色分量的分辨率与图像扫描的格式有关，往往低于亮度的分辨率。 由于技术上的原因，早期电视技术一直沿着模拟信号处理技术的方向发展，直到世纪70年代才开始开发数字电视。数字电视系统都用彩色分量来表示图像数据。如:RGB、YIQ 和YCrCb。故又称为“分量数字化电视”。 早在上世纪80年代，国际无线电咨询委员会(CCIR)就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准，现改为ITU-R BT.601标准。该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，RGB 和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系等。 1)CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。 PAL制、SECAM制:采样频率为:fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz, N=864 NTSC制:采样频率为:fs=525×29.97×N=15734×N=13.5 MHz, N=858，其中，N为每一扫描行上的采样数目。 2)对彩色空间之间的转换，在数字域中，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示: Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128 3)有效显示分辨率:对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样864个样本;对NTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样858个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720个。 4)数字电视的数据率 模拟电视信号经过采样和量化之后，数字电视信号的数据量大得惊人，因此要对数字电视信号进行压缩。CCIR在PAL、NTSC和SECAM彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数，推荐使用4:2:2的采样格式(图2)，亮度信号Y的采样频率选择为13.5MHz/s，而色差信号Cr和Cb的采样频率选择为6.75MHz/s，在传输数字电视信号通道上的数据传输率为270Mb/s(兆比特/秒)，即 亮度(Y): 858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本, 135兆比特/秒(NTSC) 864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本,135兆比特/秒(PAL) Cr和Cb: 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本,68兆比特/秒(NTSC) 429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本,68兆比特/秒(PAL) 总计: (13.5+6.8+6.8)兆样本/秒×10比特/样本 = 271兆比特/秒 有关彩色电视图像数字化处理的另一个标准是MPEG标准: MPEG(运动图像专家组)成立于1988年，是ISO/IEC(国际标准化组织/国际电工技术委员会)的工作组，负责开发影视图像、声音的处理、压缩、解压缩、编码和它们的组合标准。到目前为止，已经开发的标准有: MPEG-1:低档数字电视压缩标准，1992年正式发布。MPEG-1处理的是标准图像交换格式，压缩的输出速率定义在1.5 Mb/s。 MPEG-2:数字电视压缩标准，已于1994发布。它是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。例如，增加了隔行扫描电视的编码并提供缩放性功能。目标位速率是4-9 M/s，最高达15 Mb/s。 MPEG-3:已于1992年7月合并到HTDV工作组 MPEG-1和MPEG-2标准已经得到广泛应用。例如应用于CD-交互系统、在网络上的数字声音广播、数字电视广播和影视点播、VCD和DVD的压缩存储及数字电视标准上。