自上世紀(jì)70年代，各國(guó)相繼開(kāi)展了對(duì)高清晰度電視(HDTV)的研究和開(kāi)發(fā)工作，但進(jìn)展一直比較緩慢。到了90年代，進(jìn)入了模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)換的新時(shí)期，由標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)向高清晰度電視過(guò)渡的進(jìn)程大大加快。這里就演播室數(shù)字HDTV的格式、參數(shù)、接口做一介紹。
數(shù)字HDTV的格式和參數(shù)
參數(shù)選擇的依據(jù)
在確定數(shù)字HDTV的參數(shù)之前，應(yīng)當(dāng)考慮所選定的參數(shù)具有最大的通用性，以便于實(shí)現(xiàn)國(guó)際節(jié)目交換，并以此作為參數(shù)選擇的依據(jù)。
掃描格式
自電視誕生以來(lái)，場(chǎng)頻一直沿用50Hz和60Hz(或59.94Hz，即60/1.001)這兩種格式，對(duì)應(yīng)的幀頻分別為25Hz和30Hz(29.97Hz)。數(shù)字HDTV也不例外。場(chǎng)頻是我們確定其它參數(shù)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)。另外，電視系統(tǒng)采用的掃描方式也有兩種：逐行掃描和隔行掃描。逐行掃描是一種理想的掃描方式，它的垂直清晰度高，便于數(shù)字尋址，圖像壓縮效率高，有利于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的互操作性(計(jì)算機(jī)顯示采用的是逐行掃描)；它的缺點(diǎn)是信號(hào)頻帶太寬，碼率太高。隔行掃描則以犧牲上述優(yōu)點(diǎn)為代價(jià)而換取了帶寬的壓縮和碼率的降低，是目前普遍采用的掃描方式。
屏幕寬高比
高清電視所追求的首先是人的視覺(jué)感受。實(shí)驗(yàn)證明，采用16∶9的寬高比，更符合人眼的視覺(jué)特性，臨場(chǎng)感更強(qiáng)。屏幕的寬高比是確定圖像象素分布的依據(jù)。目前廣泛采用的高清象素的分布格式為1920×1080，正好滿足了16∶9的寬高比要求；而且，象素為1∶1方形結(jié)構(gòu)。我們知道，計(jì)算機(jī)的常用分辨率為800×600或1024×768，即寬高比為4∶3，為方形象素。二者象素均為方形，同樣有利于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的互操作性。
取樣頻率和樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)
數(shù)字HDTV的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)便于圖像數(shù)字處理，以保持最佳的圖像清晰度。這就要求每行、每場(chǎng)的取樣點(diǎn)都是整數(shù)，使圖像的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)在垂直方向上逐行、逐場(chǎng)對(duì)齊。這樣的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)稱為正交樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)。要采用正交樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，取樣頻率必須為行頻的整數(shù)倍。由于歷史的原因，在傳統(tǒng)的模擬HDTV中有著行頻各不相同的掃描格式，取樣頻率采用2.25MHz的整數(shù)倍，就可以兼顧各種不同的掃描格式。
電影素材的轉(zhuǎn)換
電影素材在電視節(jié)目中占有重要地位，但電影與電視的幀頻是不同的。為此，在目前普遍采用的數(shù)字HDTV掃描格式中，除了上述場(chǎng)頻為50Hz和60Hz的掃描格式之外，還有一種24Hz(23.976Hz)的掃描格式，它使得電影素材可方便地在數(shù)字HDTV中的編輯和播出。
如上所述，因場(chǎng)頻和掃描方式的不同，在全球范圍內(nèi)，存在著多種高清格式。本文僅就1125行/50場(chǎng)/2∶1(隔行掃描)格式進(jìn)行討論，這與我國(guó)制定的演播室數(shù)字HDTV標(biāo)準(zhǔn)也是一致的。這一高清格式的主要系統(tǒng)參數(shù)列于表1。須要說(shuō)明的是，由于Y、CB和CR視頻分量編碼信號(hào)的廣泛運(yùn)用，因此表1中只給出了Y、CB、CR的參數(shù)值；如果使用R、G、B分量信號(hào)，只需參考Y信號(hào)的參數(shù)即可。
取樣和量化
攝像機(jī)輸出的RGB信號(hào)經(jīng)線性矩陣轉(zhuǎn)換為亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)CR和CB；RGB信號(hào)和亮度信號(hào)Y的帶寬均為30MHz，色差信號(hào)的帶寬為15MHz。與常規(guī)清晰度電視的單極性雙電平同步信號(hào)不同，模擬HDTV采用的是雙極性三電平(±３00mv和0)同步信號(hào)。行周期為1/28.125kHz=35.556μs。同步信號(hào)的波形、電平及分量信號(hào)Y(或R、G、B)、CR和CB的動(dòng)態(tài)范圍如圖1所示，其中上圖為Y信號(hào)，下圖為CR、CB色差信號(hào)。
三個(gè)分量信號(hào)R、G、B與Y、CB、CR之間的換算關(guān)系為：
Y=0.2126R＋0.7152G＋0.0722B
CB=0.5389(B-Y)
CR=0.6350(R-Y)
須要注意，高清電視亮度與色差公式中的系數(shù)與標(biāo)清電視有所不同。
在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，須要對(duì)行、場(chǎng)正程期間的視頻信號(hào)進(jìn)行取樣和量化，這樣得出的取樣點(diǎn)為有效樣點(diǎn)。按照標(biāo)準(zhǔn)，每幀有效樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)當(dāng)是1920(水平方向)×1080(垂直方向)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：視頻信號(hào)采用4∶2∶2分量編碼，Y信號(hào)的取樣頻率為74.25MHz，CR或CB的取樣頻率為其一半，即37.125MHz。因此，每亮度行的總?cè)狱c(diǎn)數(shù)為：
74.25MHz/28.125kHz=2640
CR或CB色差信號(hào)的取樣點(diǎn)數(shù)均為：
37.125MHz/28.125kHz=1320
三者合計(jì)，每行的總樣點(diǎn)數(shù)為5280。每個(gè)樣點(diǎn)采用10b量化(也可以采用8b量化)，那么總碼率為：
(5280×10b)/35.556μs=1.485Gb/s
這就是數(shù)字高清的總數(shù)據(jù)率。當(dāng)然，直接用Y與CR、CB取樣頻率之和再與10b相乘，所得出的總碼率也是一樣的。對(duì)行正程期間視頻信號(hào)的10b量化電平的規(guī)定如圖2所示。
取樣和量化的過(guò)程也就是模／數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)CB、CR的取樣和量化是分別進(jìn)行的，它們各為10比特字。兩個(gè)色差信號(hào)經(jīng)過(guò)并行時(shí)分復(fù)用后(以下用CB/CR表示時(shí)分復(fù)用后的色差信號(hào))與亮度信號(hào)組合為20比特字，每個(gè)20比特字對(duì)應(yīng)一個(gè)CB/CR色差取樣和一個(gè)亮度取樣。按照規(guī)定，復(fù)用組合應(yīng)當(dāng)采用如下方式：
(CB0 Y0)(CR0 Y1)(CB2 Y2)(CR2 Y3)… (CBi Yi)(CRi Yi＋1)…
這里(CBiYi)表示每行第i個(gè)有效樣點(diǎn)(i為偶數(shù))，其中Yi表示每行第i個(gè)亮度取樣，CBi和CRi表示每行第i個(gè)色差取樣，它們與Yi屬于位置相同的一個(gè)有效取樣點(diǎn)。由上述比特字的排列方式可以看出，僅在每行第偶數(shù)個(gè)有效樣點(diǎn)上才有色差取樣(因樣點(diǎn)序號(hào)從零開(kāi)始，為便于說(shuō)明，此處權(quán)將“0”也視為偶數(shù))，第奇數(shù)個(gè)(i+1)樣點(diǎn)上只有亮度取樣而無(wú)色差取樣，即CB或CR色差樣點(diǎn)數(shù)均為亮度樣點(diǎn)數(shù)的一半，這是因?yàn)?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10pt; FONT-FAMILY: Arial">CR或CB的取樣頻率為亮度取樣頻率的一半。
在亮度和色差信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，按照規(guī)定，無(wú)論是亮度取樣字還是色差取樣字，均不允許使用000h至003h之間(十進(jìn)制為0、1、2、3)及3FCh至3FFh之間(十進(jìn)制為1020、1021、1022、1023)的量化電平級(jí)來(lái)表示樣點(diǎn)幅度，這些數(shù)據(jù)字被作為保留電平。這樣做也便于與8b量化編碼格式兼容，因?yàn)槿∠@些量化電平后，在用二進(jìn)制表示的10b有效樣值的量化電平中，去掉末尾(即最低位)的兩個(gè)零，就是相同電壓幅度下的8b有效樣值量化電平。例如，對(duì)于700mV的亮度信號(hào)，在10b量化編碼格式中，其量化電平為1110101100(參見(jiàn)圖2)，去掉末尾兩個(gè)零，就是700mV在8b量化編碼格式的量化電平11101011。
同步和定時(shí)
模擬分量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后，就形成了數(shù)字分量數(shù)據(jù)流。在模擬電視中，利用行場(chǎng)同步脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端的同步掃描；而在數(shù)字分量信號(hào)中，定時(shí)信息是通過(guò)有效視頻結(jié)束(EAV)標(biāo)志和有效視頻開(kāi)始(SAV)標(biāo)志這兩種定時(shí)基準(zhǔn)碼來(lái)傳送的。SAV和EAV分別位于每一數(shù)字有效行的起始處和結(jié)束處，具體位置如圖3所示。
由圖3可知，模擬行和數(shù)字行的定時(shí)基準(zhǔn)不在同一處。模擬同步基準(zhǔn)點(diǎn)OH與數(shù)字行定時(shí)基準(zhǔn)碼SAV字終點(diǎn)的時(shí)間寬度為：
44T+148T=192T
其中T為數(shù)字亮度行的取樣周期，它等于：
1/74.25MHz=13.468ns
定時(shí)基準(zhǔn)碼EAV或SAV均含有4個(gè)字，前3個(gè)字為固定的3FFh、000h、000h字，接收端正是憑借這3個(gè)字(一個(gè)全“1”，兩個(gè)全“0”)來(lái)識(shí)別定時(shí)基準(zhǔn)碼。第4個(gè)字XYZ非常重要，它包含掃描格式(逐行或隔行)、場(chǎng)序識(shí)別、行場(chǎng)正程或逆程等信息，EAV與SAV的區(qū)分也在于XYZ字，其兩個(gè)最低位(bit 0和bit 1)預(yù)置為零，其作用在于和8b量化兼容。其它8位(bit 2～bit 9)的含義為：
bit 9：始終固定為1；
bit 8 (F)：在逐行掃描系統(tǒng)中始終為0，在隔行掃描系統(tǒng)中，F(xiàn)=0時(shí)表示該行(即XYZ字所在行)位于第一場(chǎng)，F(xiàn)=1時(shí)表示該行位于第二場(chǎng)；
bit 7(V)：V=1表示該行位于場(chǎng)消隱期間，V=0表示該行位于有效圖像期間；
bit 6(H)：H=1表示該定時(shí)基準(zhǔn)碼為EAV，H=0表示該定時(shí)基準(zhǔn)碼為SAV；
bit5、4、3、2(分別表示為P3、P2、P1、P0)：這4個(gè)比特稱為保護(hù)比特，它們與F、V、H比特共同組成線性分組碼序列，保護(hù)比特的取值決定于F、V、H的數(shù)值，從而為F、V和H比特提供檢錯(cuò)和誤碼校正，在接收端可以檢測(cè)出F、V和H 3個(gè)比特中的兩位錯(cuò)碼并能糾正其中一位錯(cuò)碼。
圖4是數(shù)字場(chǎng)的定時(shí)示意圖。容易看出，因?yàn)镕有0、1之分，所以該系統(tǒng)為隔行掃描格式；F=0時(shí)該行在第一場(chǎng)，F(xiàn)=1時(shí)則在第二場(chǎng)；凡V=0時(shí)該行處于有效圖像期，凡V=1時(shí)則處在場(chǎng)消隱期；凡H=0時(shí)該定時(shí)基準(zhǔn)碼為SAV，凡H=1時(shí)則為EAV。
另外，由圖4知，一幀總行數(shù)為1125，其中第1124行、1125行和1～20行位于第一場(chǎng)數(shù)字場(chǎng)消隱區(qū)，計(jì)22行；561～583行位于第二場(chǎng)數(shù)字消隱區(qū)，計(jì)23行。每幀場(chǎng)消隱區(qū)總共為45行。21～560行為第一場(chǎng)有效圖像區(qū)，計(jì)540行；584～1123為第二場(chǎng)有效圖像區(qū)，計(jì)540行。兩場(chǎng)合計(jì)共1080行，即為一幀的有效圖像行數(shù)。
每一亮度行(或CB/CR色差行)的樣點(diǎn)序號(hào)從SAV后第一個(gè)有效樣點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)，第一個(gè)樣點(diǎn)序號(hào)為零，至SAV的終點(diǎn)為最后一個(gè)樣點(diǎn)，序號(hào)為2639。
行序號(hào)指示和CRC校驗(yàn)
與數(shù)字SDTV不同，在數(shù)字HDTV的消隱期內(nèi)，設(shè)有行序號(hào)指示字和循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)字，接收端可以據(jù)此判斷所接收的視頻數(shù)據(jù)是屬于哪一行，同時(shí)能夠檢測(cè)出某行視頻數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸后是否存在差錯(cuò)。
從圖3可以看出，緊隨EAV序列4個(gè)字之后有兩個(gè)字的行編號(hào)(LN0和LN1)，LN0和LN1合在一起，用11b的二進(jìn)制數(shù)值(L0～L10)給出了它所在行的行序號(hào)，其比特分配參見(jiàn)表2。在這兩個(gè)字中，最高位bit 9總是bit 8的邏輯非；兩個(gè)最低位作為保留比特，預(yù)置為零?，F(xiàn)舉一例說(shuō)明行序號(hào)指示的用法：假設(shè)LN0= 394h、LN1=220h，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別為1110010100和1000100000，按照表2對(duì)行序號(hào)的分配規(guī)定，可知該行的行序號(hào)為10001100101，即第1125行。
數(shù)字HDTV的CRC校驗(yàn)計(jì)算是按亮度數(shù)據(jù)行和CB/CR色差數(shù)據(jù)行分別進(jìn)行的，而且是逐行校驗(yàn)。每一亮度數(shù)據(jù)行在行編號(hào)(LN0和LN1)之后有YCR0和YCR1兩個(gè)數(shù)據(jù)字(見(jiàn)圖3)，這兩個(gè)字就是亮度CRC校驗(yàn)字。CRC校驗(yàn)的基本原理是把該行發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)比特序列當(dāng)作一個(gè)數(shù)學(xué)多項(xiàng)式的系數(shù)(例如，一組比特序列1000010001可用F(X)=X9+ X4+1來(lái)表示)，并將它作為被除數(shù)，用一個(gè)收發(fā)雙方預(yù)先約定的生成多項(xiàng)式作除數(shù)，二者相除后就得到一個(gè)余數(shù)多項(xiàng)式，在發(fā)送端將這個(gè)余數(shù)多項(xiàng)式的系數(shù)(它被稱為CRC校驗(yàn)字)存放在YCR0和YCR1內(nèi)，隨同視頻數(shù)據(jù)序列一起發(fā)送，在接收端采取與發(fā)送端同樣的除法運(yùn)算，如果計(jì)算出的余數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)與存放在YCR0和YCR1內(nèi)的系數(shù)相同，表示傳輸無(wú)差錯(cuò)；如果不同，則表示有誤碼產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CRC校驗(yàn)的生成多項(xiàng)式為：
CRC(X)=X18+X5+X4+1
由于它的最高次冪為18，因此余數(shù)多項(xiàng)式的最高次冪不可能超過(guò)17，用18b來(lái)存放CRC校驗(yàn)字是能夠滿足位數(shù)的要求。YCR0和YCR1數(shù)據(jù)字的比特分配如表3所示，最高位bit 9仍然是bit 8的邏輯非。實(shí)際上，CRC校驗(yàn)過(guò)程是從亮度行的第一個(gè)視頻數(shù)據(jù)字即Y0開(kāi)始計(jì)算，直到該行EAV后的行序號(hào)字LN1為止。CRC的初始值預(yù)置為零。這種循環(huán)冗余校驗(yàn)在接收端能夠檢測(cè)出視頻數(shù)據(jù)流中所有1位、2位和奇數(shù)位的離散錯(cuò)，以及所有長(zhǎng)度不大于18位的突發(fā)錯(cuò)(即連續(xù)的一串錯(cuò)碼)，它對(duì)于長(zhǎng)度大于18位的突發(fā)錯(cuò)也有相當(dāng)強(qiáng)的檢測(cè)能力。
在圖3中，CB/CR色差行的行序指示字也為L(zhǎng)N0和LN1，它們與亮度行中的對(duì)應(yīng)行序號(hào)指示相同。CCR0和CCR1為色差行中CB/CR色差數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)字。其校驗(yàn)過(guò)程與亮度行同。
有效圖像區(qū)中的CB0、CR0、CB1、CR1…等為色差數(shù)據(jù)字。
在數(shù)字消隱期間，除SAV、EAV、行序號(hào)、CRC校驗(yàn)字和輔助數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)字均使用消隱電平來(lái)填充。由圖2知，在亮度行中，消隱電平為40h；在色差行中，消隱電平為200h。
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