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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
●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→高清数字电视→超高清数字电视。
⏹显示：
阴极射线管CRT→背投/前投→液晶LCD→等离子PDP→薄膜电视OLED/激光显示器。
⏹存储播放：
录像带/机VCR→VCD→DVD→BD→在线播放/网络下载/移动存储。
●电视的发展历史
⏹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。
⏹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。
⏹1949年美国无线电公司研制成功荫罩式彩色显像管。
⏹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。
⏹1958年中国开始黑白电视广播。
⏹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。
⏹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
⏹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，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。
⏹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。
⏹1980年代中国开始在单位安装电缆电视。
⏹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，高清电视的分辨率为1280*720/1920*1080。
⏹1997年中国的CCTV进行HDTV广播试验，1999年实况转播50周年国庆。
⏹2002年5月日本NHK开始推出具有7680×4320像素的超高清电视UHDTV。
⏹2006年8月18日中国公布数字电视地面广播传输的国家标准。
6.1.2彩色电视
●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。
⏹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、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
1952/1954
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
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。
●电视扫描
扫描有隔行扫描（interlacedscanning）和逐行扫描（non-interlacedscanning/progressivescanning）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描频率。
●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
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，标清数字电视的分辨率为640×480（NTSC）和768×576（PAL）、高清数字电视的分辨率为1280×720和1920×1080。
1．数字电视的优缺点
数字电视DTV（DigitalTeleVision）广播的主要优点有：
⏹信号好——数字电视的信号更稳定，抗干扰能力强。
⏹频道多——由于一个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，所以电视频道数从模拟的几十套到数字的几百套。
⏹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：
⏹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。
⏹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：
⏹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。
⏹日本政府计划2000年试播、2003年东京开播、2006年全国开播、2000年（后改为2011年7月）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。
⏹中国政府计划1998年试播、2005年1/4数字化、2015年停止模拟电视广播，用17年时间完成有线电视从模拟到数字广播的转换过程。
6.1.4高清电视
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、25、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：
表6-5HDTV与普通彩色电视的比较
420线、DVD：
576线。
）
参数
HDTV
普通彩色电视
扫描行数
1080/1152
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
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。
1．技术方案
图6-3HDTV与普通电视的分辨率
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。
●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-ServicesDigitalBroad-casting，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。
●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）。
●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。
●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9月在CCTV试播。
⏹1999年10月CCTV用HDTV实况转播50周年国庆。
⏹2006年元旦CCTV和上海文广传媒集团，同时开始高清晰度电视节目的正式广播。
⏹2006年8月30日公布数字电视地面广播的国家标准。
⏹2008年5月1日CCTV正式开始高清数字电视的地面广播。
⏹2008年8月CCTV实现北京奥运会的高清数字电视全程转播。
2．中国标准
中国的HDTV的信源编码采用的上海交通大学提出的基于MPEG-2的方案（1920×1152，5:
3、兼容国际标准的1920×1080和1280×720，16:
9）。
积极参加研究的单位有：
HDTV总体组、CCTV、清华-赛格高技术研究中心、康佳、TCL、海信、夏华-天津大学、创维-华中科技大学等。
中国的数字电视技术标准及其制定单位：
⏹信道传输技术标准：
◆卫星传输（欧洲DVB-C标准）；
◆有线传输（浙江大学，采用欧洲DVB-S标准）；
◆地面传输（清华大学、上海交通大学）。
⏹信源编码技术标准（AVS工作组）（采用MPEG-2标准）：
◆数据与命令格式（系统）；
◆视频编码；
◆音频编码。
●用户与安全管理标准（信息产业部第三所）：
◆付费管理；
◆加密与解密。
2006年8月18日批准的中国数字电视（包括高清晰电视）的地面广播传输系统标准：
GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》，是清华和上海交大的两套方案的“融合”。
从技术上来说，清华大学和凌讯科技提出的“多载波方案”，上海交大和上海高清提出的“单载波方案”，属于两种各有优劣但完全不同的工作模式。
清华大学方案的优势在于抗多径干扰能力较强，但成本较高，适合在地形复杂或是高楼林立的城市使用；而上海交大的方案则适合大范围的广播，在平原和农村使用。
最终的国家地面数字电视标准是清华和上海交大这两套方案的拼凑，同时具备它们两个的（优）缺点，而且结构复杂、实现困难、生产成本高。
其中的单载波部分主要用于没有被有线电视覆盖的城郊和广大农村地区的用户，多载波部分则主要应用于移动和网络电视等。
上海电视台已于2001年元旦开始试播数字高清晰度电视节目，北京电视台于2003年9月1日开始试播，广州电视台于2003年8月开始试播，深圳电视台也于2003年10月8日试播高清频道。
2006年元旦，中央电视台和上海文广传媒集团，同时开始高清晰度电视节目的正式（有线）广播。
2008年元旦，中央电视台在北京开通地面数字电视广播服务。
2008年7月1日，中央电视台正式开始高清数字电视的地面广播（CCTV高清频道）。
2008年8月北京奥运会期间，按广电总局的部署，在北京、上海、青岛、天津、沈阳、秦皇岛、广州、深圳等“6+2”城市也开始了（高清）数字电视的地面广播。
3．AVS数字电视
AVS（AudioVideocodingStandard，音视频编码标准）是中国自主制订的音视频编码标准，其视频编码部分AVS-P2已于2006年年2月22日成为国家推荐标准。
AVS-P2是对H.264/AVC国际标准算法的简化和改进（并回避了大量的国外专利），AVS的压缩比是MPEG-2的2~3倍。
有关AVS标准的更多内容，参见本章的6.4.3小节和第11章。
2008年7月，经国家广电总局批准，上海东方明珠广播电视塔试开播的数字电视（标清）地面广播，采用我国数字电视地面传输标准和AVS数字视音频编码标准，具有自主知识产权而且在技术上优于国外现行标准，在一个模拟电视频道上传输16套标准清晰度电视节目（而采用MPEG-2编码的数字电视为8套），解决了有线电视没有覆盖的广大郊区农村用户和城市办公楼无法收看电视的问题。
由于AVS标准的压缩比高，能够节省宝贵的无线频谱资源，同时较之数字电视现行的MPEG-2编码标准有很大的价格优势。
目前AVS标准已陆续在上海、杭州、四川、山西太原、河北保定、青岛等地进入大规模商用阶段。
全国第一个采用AVS标准的高清电视频道已于2008年4月在广州开播。
2008年北京奥运会期间，北京大学有线电视网开通了两个AVS高清试验频道，取得了很好的试验效果。
我国自主创新的AVS视频编码高清电视将于2009年10月国庆60周年之际实现规模化示范，届时多个省市的高清频道将向千家万户直播国庆期间的重大庆祝活动。
6.1.5超高清电视
1995年日本NHK着手开发4000线（似70mm电影）的超高清电视UHDTV（UltraHighDefinitionTeleVision），也叫UHDV（UltraHighDefinitionVideo，超高清视频），统称为SUV（SuperHi-Vision，超高视），得到日本100多家公司的支持。
UHDTV具有7680×4320像素（16:
9）的画面（3千3百多万像素）、每秒60帧的帧率、22.2声道的伴音（9上+10中+3下+2低音）、21GHz频带（600MHz，500~6600Mbit/s带宽），参见图6-4和5。
图6-4UHDTV与数字电视和电影的分辨率图6-5UHDTV的22.2声道伴音
标清数字电视的画面的分辨率为640×480（NTSC，30多万像素）和768×576（PAL，44万多像素）、高清数字电视的分辨率为1280×720（92万多像素）和1920×1080（207万多像素），UHDTV的分辨率为7680×4320（
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