第6章视频与编码标准.docx
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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→彩色电视（无线→卫星→有线）→数字电视→高清晰电视
⏹显示：
阴极射线管CRT→背投/前投→液晶LCD→等离子PDP→薄膜电视OLED/表面传导电子发射显示器SED
⏹存储播放：
录像带/机VCR→VCD→DVD→BD/HDDVD
●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]
⏹[1860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Ю.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年电子束管（electronbeamtube）即阴极射线管（CRT=Cathode-RayTube）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子二极管]
⏹[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cabletelevision）
⏹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=LiquidCrystalDisplay）
⏹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（plasmadisplaypanel）
⏹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（ChingWTang汪根祥）发明小分子OLED（OrganicLightEmittingDiode有机发光二极管/有机电激发光显示器）薄膜电视，1987年英国剑桥大学博士生JeremyBurroughes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显示器更薄，耗电更低，与LCD不同可以自己发光的先进平面显示器——SED（Surface-ConductionElectron-emitterDisplay表面传导电子发射显示器）
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）
606~988
25~68
8.68M
其中：
MF=MediumFrequency中频TF=TropicFrequency热带频HF=HighFrequency高频VHF=VeryHighFrequency甚高频UHF=UltraHighFrequency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制、PAL制和SECAM制。
这里不包括模拟的高清晰度彩色电视。
⏹NTSC（NationalTelevisionSystemsCommittee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-AlternativeLine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：
SequentialColeurAvecMemoire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（interlacedscanning）和逐行扫描（non-interlacedscanning/progressivescanning）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6-1（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6-1（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（frame）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fF。
ff和fF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描频率。
●黑白电视国际标准
表6-3黑白电视的国际标准（宽高比=4:
3）
标准系统
A
M
B、C、G、H
I
D、K、L
E
行数/帧
405
525
625
819
场数/秒
50
60
50
帧数/秒
25
30
25
行数/秒
10125
15750
15625
20475
带宽（MHz）
3.0
4.2
5.0
5.5
6.0
10.0
码率（Mb/s）
48
67.2
80
88
96
160
其中，系统A和I用于英国，M用于北美和日本，E和L用于法国，其余西欧国家用B、C、G和H，中国用D。
●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（GID）
NTSC（M）
SECAM（L）
行/帧
625
525
625
帧/秒（场/秒）
25（50）
30（60）
25（50）
行/秒
15625
15734
15625
参考白光
C白
D6500
D6500
声音载频（MHz）
5.56.06.5
4.5
6.5
γ
2.8
2.2
2.8
彩色副载频（Hz）
4433618
3579545
4250000（+U）
4406500（-V）
彩色调制
QAM
QAM
FM
亮度带宽（MHz）
5.05.5
4.2
6.0
色度带宽（MHz）
1.3（Ut）1.3（Vt）
1.3（I）0.6（Q）
>1.0（Ut）>1.0（Vt）
●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
为了使彩色电视与黑白电视兼容，同时也为了可以利用人眼对亮度和颜色的不同感知特性进行数据压缩，彩色电视并没有直接采用红绿蓝RGB颜色体系进行信号传输，而是采用了亮度色差颜色体系YC1C2。
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彩色电视制中，C1和C2分别表示I和Q两个色差信号；在PAL彩色电视制中，C1和C2分别表示U和V两个色差信号；在SECAM彩色电视制中，C1和C2分别表示Db和Dr两个色差信号；在CCIR601数字电视标准中，C1和C2分别表示Cb和Cr两个色差信号。
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γ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=-2.169V
601标准YCbCr是YUV的伸缩平移：
其中，
。
伸缩后Y=16~235、CbCr=16~240。
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：
⏹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；
⏹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高清晰数字电视
最开始的电视机只有9或14英寸大，5、6百条扫描线就足够清晰了，可后来电视机越做越大：
18、20、25、29、34、39英寸，甚至42、50和63英寸（等离子电视和背投电视），但电视信号却仍然只有5、6百线，观看效果让人难以接受，迫切需要发展高清晰度电视。
（其他可供比较的视频信号的扫描线数为：
VHR/VCD：
200多线、S-VHS：
320线、LaserDisc：
420线、DVD：
576线）
高清晰度电视（HDTV=High-DefinitionTeleVision）是指图像质量大于1000线（似16mm电影）、环绕立体声（似现代电影院）、宽高比为16:
9或5:
3（似宽银幕电影）的电视。
普通电视的图像质量只有5、6百线、单声道或立体声、宽高比为4:
3（似普通银幕电影和普通的计算机显示器）。
可见HDTV的扫描线数是普通彩色电视的2倍，信息量（像素）增加到5倍。
参见图6-3和表6-5。
图6-3HDTV与普通电视的分辨率
表6-5HDTV与普通彩色电视的比较
参数
HDTV
普通彩色电视
扫描行数
1250
525/625
图幅宽高比
16:
9或5:
3
4:
3
最佳观看距离
3倍屏幕高
5倍屏幕高
水平视角（°）
30（电影60）
10
隔行比
-
2:
1
场频（Hz）
50
60/50
Y带宽（MHz）
25
4.2/5.5
C带宽（MHz）
6.5
1.3
行频（kHz）
31.25
15.734/15.625
Y取样频率（MHz）
72
13.5
C取样频率（MHz）
36
6.75
Y取样个数/行
2,304
858/864
Y有效样数/行
1,920
720
Y有效行数
1,152
480/576
C有效样数/行
960
432
C有效行数
576
240/288
像素纵横比
15:
16
3:
4/15:
16
总码率（Mb/s）
25
8.448
压缩比
26.5:
1
20:
1
最早的HDTV是日本研究与实现的，但主要为模拟系统。
后来美国和欧洲相继研究和制定了全数字化的HDTV方案，日本也只好随大流而改用DTV（DigitalTV数字电视）。
现代的HDTV都采用数字方案，数字广播的主要有优越性有：
⏹一个PAL制式的频道可以传输8~10套压缩后的标准分辨率的DTV信号；
⏹数字电视的信号更稳定，抗干扰能力强；
⏹可以实现联网和交互性，如浏览网络信息、VOD（Video-On-Demand视频点播）等。
许多国家的政府为了促进HDTV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。
中国为了申请2000年奥运会，也积极开始HDTV的研制，后来由于申请失败，放慢了研制的步伐。
但为了2008年的北京奥运会，中国政府会再一次加大投入，加快研制和推广步伐的。
HDTV有不同的实现方案，主要有：
●日本ISDB
1972年日本广播协会（NHK）研究所提出MUSE（MultiSub-NyquistSamplingEncoding多重奈奎斯特取样编码）的HDTV（在日本叫Hi-vision）方案，1980年代开发了全套HDTV设备，1987年试验成功，1988年转播汉城奥运会，1991年开始每天8小时的正式试播。
由于MUSE主要采用的是模拟方法，占用的频带宽，与全数字化的发展趋势相悖，所以于1997年3月决定改为数字系统ISDB（Integrated-ServicesDigitalBroadcasting集成业务数字广播）。
ISDB的主要技术特点是：
⏹信源码与系统码——视频、音频及业务数据位流复用编码，均采用MPEG-2标准
⏹信道编码调制——地面传输时，信道内码为卷积码、外码为RS，采用OFDM调制
日本政府计划2000年试播、2003年东京开播、2006年全国开播、2010年停播模拟广播，用十年时间完成模拟到数字广播的转换过程。
1995年NHK又着手开发2000~3000线（似35~70mm电影）的超级分辨率电视UDTV（UltraDefinitionTV），得到日本100多家公司的支持。
●美国ATSC
⏹1983年在美国成立了一个自愿研究数字电视标准的非营利国际组织——先进电视系统委员会（ATSC=AdvancedTelevisionSystemsCommittee）
⏹1987年11月美国的联邦通信委员会（FCC=FederalCommunicationsCommission）成立管理先进电视（ATV=AdvancedTelevision）业务的ACATS（AdvisoryCommitteeonATVService先进电视业务咨询委员会）
⏹1988年9月共提出了24种ATV方案，ACATS从其中选出6种
⏹1990年5月美国GI公司发布全数字HDTV传输制式DigiCipher（数字密码），引起轰动
⏹1993年淘汰了两种模拟方案EDTV和MUSE，只剩下4种全数字方案
⏹1993年5月FCC成立了由这5个方案的提出者（GI、Zenith、AT&T、Thomson、Sarnoff）参加的HDTV大联盟（GA=GrandAlliance）
⏹1994年4/12月发表GAHDTV规范1.0/2.0
⏹1995年4月通过ATSC数字电视标准作为美国ATV广播标准，参见网站http:
//www.atsc.org。
为了适应消费电子、计算机和网络的发展，ATSC（GAHDTV）中引入了互操作性和可扩展性，使得HDTV成为信息高速公路上的多媒体终端。
其主要技术特点有：
⏹数字图像压缩技术——MPEG-2的子集
⏹传输格式——与ATM兼容
⏹扫描格式——与计算机兼容（方形像素、逐行扫描、宽高比固定）
⏹传输调制——采用8VSB方式
⏹伴音——5.1环绕声系统（以DollbyAC-3为备有系统）
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，现在美国又将转换的截止时间推迟到了2010年。
●欧洲DVB
1983年欧洲推出新的电视制式——MAC（MultiplexedAnalogueComponents多元模拟成分），1986年提出HDTV的HD-MAC，并于1992年冬季奥运会上首次使用。
在美国的影响下，1993年9月欧洲制定了全数字的HDTV方案——DVB（DigitalVideoBroadcasting数字视频广播）。
它也是基于MPEG-2标准，采用Musicam环绕声和AC-3环绕声。
参见网站http:
//www.dvb.org。
1998年10月1日英国开始DVB广播。
●台湾HDTV
1997年确定方案、1999年中试播、2001年底开播、2006年停模拟广播，原计划用7年时间完成模拟到数字广播的转换过程，现在也有所推迟。
●中国HDTV
⏹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
⏹1996年国家科委将HDTV列入国家重大科技产业工程项目（战略研究、八五攻关、样机研制）
⏹1997年7/11月CCTV-长城试验成功/建成闭路电视系统
⏹1998年
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