数字HDTV的格式和参数
参数选择的依据
在确定数字HDTV的参数之前,应当考虑所选定的参数具有最大的通用性,以便于实现国际节目交换,并以此作为参数选择的依据。
扫描格式
自电视诞生以来,场频一直沿用50Hz和60Hz(或59.94Hz,即60/1.001)这两种格式,对应的帧频分别为25Hz和30Hz(29.97Hz)。数字HDTV也不例外。场频是我们确定其它参数的一个重要出发点。另外,电视系统采用的扫描方式也有两种:逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描是一种理想的扫描方式,它的垂直清晰度高,便于数字寻址,图像压缩效率高,有利于实现与计算机的互操作性(计算机显示采用的是逐行扫描);它的缺点是信号频带太宽,码率太高。隔行扫描则以牺牲上述优点为代价而换取了带宽的压缩和码率的降低,是目前普遍采用的扫描方式。
屏幕宽高比
高清电视所追求的首先是人的视觉感受。实验证明,采用16∶9的宽高比,更符合人眼的视觉特性,临场感更强。屏幕的宽高比是确定图像象素分布的依据。目前广泛采用的高清象素的分布格式为1920×1080,正好满足了16∶9的宽高比要求;而且,象素为1∶1方形结构。我们知道,计算机的常用分辨率为800×600或1024×768,即宽高比为4∶3,为方形象素。二者象素均为方形,同样有利于实现与计算机的互操作性。
取样频率和样点结构
数字HDTV的样点结构应当便于图像数字处理,以保持最佳的图像清晰度。这就要求每行、每场的取样点都是整数,使图像的样点结构在垂直方向上逐行、逐场对齐。这样的样点结构称为正交样点结构。要采用正交样点结构,取样频率必须为行频的整数倍。由于历史的原因,在传统的模拟HDTV中有着行频各不相同的扫描格式,取样频率采用2.25MHz的整数倍,就可以兼顾各种不同的扫描格式。
电影素材的转换
电影素材在电视节目中占有重要地位,但电影与电视的帧频是不同的。为此,在目前普遍采用的数字HDTV扫描格式中,除了上述场频为50Hz和60Hz的扫描格式之外,还有一种24Hz(23.976Hz)的扫描格式,它使得电影素材可方便地在数字HDTV中的编辑和播出。
如上所述,因场频和扫描方式的不同,在全球范围内,存在着多种高清格式。本文仅就1125行/50场/2∶1(隔行扫描)格式进行讨论,这与我国制定的演播室数字HDTV标准也是一致的。这一高清格式的主要系统参数列于表1。须要说明的是,由于Y、CB和CR视频分量编码信号的广泛运用,因此表1中只给出了Y、CB、CR的参数值;如果使用R、G、B分量信号,只需参考Y信号的参数即可。
取样和量化
摄像机输出的RGB信号经线性矩阵转换为亮度信号Y和两个色差信号CR和CB;RGB信号和亮度信号Y的带宽均为30MHz,色差信号的带宽为15MHz。与常规清晰度电视的单极性双电平同步信号不同,模拟HDTV采用的是双极性三电平(±300mv和0)同步信号。行周期为1/28.125kHz=35.556μs。同步信号的波形、电平及分量信号Y(或R、G、B)、CR和CB的动态范围如图1所示,其中上图为Y信号,下图为CR、CB色差信号。
三个分量信号R、G、B与Y、CB、CR之间的换算关系为:
Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B
CB=0.5389(B-Y)
CR=0.6350(R-Y)
须要注意,高清电视亮度与色差公式中的系数与标清电视有所不同。
在对模拟信号进行数字化处理时,须要对行、场正程期间的视频信号进行取样和量化,这样得出的取样点为有效样点。按照标准,每帧有效样点数应当是1920(水平方向)×1080(垂直方向)。标准规定:视频信号采用4∶2∶2分量编码,Y信号的取样频率为74.25MHz,CR或CB的取样频率为其一半,即37.125MHz。因此,每亮度行的总取样点数为:
74.25MHz/28.125kHz=2640
CR或CB色差信号的取样点数均为:
37.125MHz/28.125kHz=1320
三者合计,每行的总样点数为5280。每个样点采用10b量化(也可以采用8b量化),那么总码率为:
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