2021年7月19日 星期一
2006-09-22
廣播電視設備數字格式簡介

    隨著電子技術、數字技術和計算機技術的迅速發展,廣播電視系統設備的數字化、網絡化發展日新月異,令人始料不及。1998年11月美國開始數字電視廣播,計劃2006年將全面實現數字電視廣播并全部收回模擬電視的NTSC頻道,西歐和日本等發達國家也都制定了各自的數字電視廣播計劃。我國的數字電視廣播HDTV已于1998年9月在中央電視塔上進行廣播試驗,并將于2000年正式試播。數字電視的時代即將到來,模擬電視終將被數字電視所取代。所以廣播電視技術工作者急需知識更新,現把廣播電視設備的數字格式做一簡單介紹。

    格式是指表達、記錄圖像信息的方式,如視頻標準中最基本的參數是掃描格式,規定了每行像素數、每幀行數、每秒場數和幀數。錄像機的記錄方式也稱為格式,如D1、D5格式,DVCAM格式,DVCPRO及igital-S格式等。

    模擬電視存在著許多難以克服的缺陷:多次傳輸或復制后會形成噪聲積累,信號的線性、非線性失真,亮色互擾,行間閃爍,爬行,微分相位和微分增益失真等等,致使圖像質量不斷下降。但這些缺陷大多可通過將模擬信號轉變為數字信號進行處理、存儲、控制和傳輸來解決。為了用數字處理和傳輸電視信號,首先要將模擬電視信號數字化,即對電視信號進行抽樣、量化和編碼。

    電視信號是通過攝像機對自然景物的掃描并經光電轉換形成的。對于PAL制,掃描后的圖像每秒包含25幀,1幀分為兩場,每場有效行為287.5行,這就是說電視信號一經產生,實際上已對自然景物在時間軸及圖像垂直方向上完成抽樣,留給數字電視系統的是如何在水平方向上完成抽樣和量化。
   
1 CCIR 601建議所確定的數字分量編碼4:2:2標準

(1) 抽樣頻率的選擇
    電視信號數字化抽樣頻率的選擇首先應滿足奈奎斯特抽樣定理,即抽樣頻率至少要等于視頻帶寬的兩倍。對于數字分量編碼,CCIR601建議亮度抽樣頻率為525/60和625/50三大制式行頻公倍數2.25MHz的6倍,即13.5MHz。對現行電視制式而言,亮度信號的最大帶寬是6MHz,13.5MHz>2×6MHz=12MHz,所以它符合奈奎斯特定 理。而色差信號的帶寬比亮度信號窄得多,所以在分量編碼時兩個色差信號的抽樣頻率可以低一些。因同時 考慮到抽樣的樣點結構應滿足正交結構要求,兩個色差信號的抽樣頻率均選為亮度信號抽樣頻率的一半,即 6.75MHz,這樣亮度信號與兩個色差信號的抽樣頻率之比為 4∶2∶2。
   
(2) 數字分量視頻信號有效行取樣點數的確定
    每行數字分量信號的取樣點數為:

    對于625行/50場制式:
    每行亮度取樣點=13.5Mhz/15625Hz=864點/行;每行每個色度取樣點=6.75Mhz/15625Hz=432點/行。

    對于525行/60場制式:
    每行亮度取樣點=13.5Mhz/15734.266Hz=858點/行;每行每色度取樣點=6.75Mhz/15734Hz=429點/行。

    可見,這兩種制式選用了相同的抽樣頻率,但每行取樣點數卻不相同。所以把兩者取樣點數之差別放在數字有效行以外的部分,而使每個數字有效行內的取樣點數相同。

    CCIR 601建議兩種制式有效行內的取樣點數亮度信號取720個,兩個色差信號各取360個,即每個數字有效行包括720個亮度數據和720個色度數據(兩個色度各360個),這樣就統一了數字分量編碼標準,使三種不同制式便于轉換和統一。所以有效行亮度信號與兩個色差信號的取樣點數之比也為4:2:2(720:360:360)。

    上述兩點即為獲取高質量的后期制作由CCIR 601建議所確定的數字分量編碼標準:

    亮度信號的抽樣頻率為13.5MHz,每個色差信號的抽樣頻率為6.75MHz,其抽樣頻率之比為4:2:2,或者說,
每數字有效行亮度信號的取樣點數是720個,每個色差信號的取樣點數是360個,其取樣點數之比也為4:2:2,這就是數字分量編碼的4:2:2標準,也稱為4:2:2格式。用作演播室數字設備及其聯接或國際節目交換時的數字化標準。
   
(3) 4:1:1與4:2:0格式
    除了標準的4:2:2格式之外,還有將色差信號的抽樣頻率取為3.375MHz的較低標準的4:1:1和4:2:0格式。另外還有為適合更高圖像質量要求而將色差信號抽樣頻率取為13.5MHz的更高標準的4:4:4格式。只對4:2:2格式與4:1:1和4:2:0格式數字取樣結構進行比較。

    4:1:1和4:2:0格式不僅色差信號的取樣頻率相對于4:2:2格式來說減半,而且使場取樣比減半,丟失了后期制作中的一些重要信號信息,如色鍵。由于彩色信號帶寬信息的減半,此信號也就不再適合作高質量的多代編輯。然而,對于普通的新聞采訪和窄帶傳輸編碼可采用4:1:1或4:2:0非標準取樣方式,結果是犧牲帶寬換得節省設備費用的益處。4:2:2格式同4:1:1規格及4:2:0格式系統相比,其高質量視頻圖像的效果是顯而易見的。
   
2  數字錄像機格式

  錄像機是電視節目制作的基本工具,磁帶錄像機的發展歷程也是從模擬信號形態過渡到數字信號形態的。
  由于視頻信號處理有4:2:2、4:1:1、4:2:0格式之分,壓縮方式有場內DCT、幀內DCT和MPEG-2之分,碼率壓縮比不同,記錄碼率有200Mbps左右、90Mbps左右、25Mbps和50Mbps之分,磁帶寬度有3/4、1/2、1/4英寸以及MP與ME之分等等,數字錄像機的格式十分多樣。例如,不壓縮的D1、D5格式,2:1壓縮的 Digital etacam
格式,5:1壓縮的DVCPRO(D7)和DVCAM格式,10:1壓縮的Betacam SX 格式,3 3:1壓縮的DVCPRO 50和Digital-S(D9)格式等等。

(1) Betacam SX格式
    該格式系列產品的數字一體化攝錄機及數字視頻磁帶錄像機采用先進的MPEG 2 4:2:2 P@ML壓縮算法,壓縮比10:1,可錄制8bit 4:2:2數字分量視頻信號,并可記錄重放4通道16bit不壓縮數字音頻信號,使用1/2英寸金屬粒子帶,還可兼容重放模擬信號的Betacam和Betacam SP格式帶(DNW-A65P和DNW-A75P提供),從而使etacam SX向全數字化環境過渡更經濟合理。

(2) DVCPRO及DVCPRO 50格式
    DVCPRO格式:圖像處理中采用大量標準的4:1:1格式,即取樣頻率的亮度fy=13.5MHz,色PB,R=3.375MHz。
    實際上DVCPRO的視頻信號輸入為4:2:2格式,經4:1:1轉化后進行記錄,重放時對4:1:1離帶信號進行內插重新形成4:2:2格式信號輸出。從數據率看,4:2:2格式的凈數據率為[(720+2×360)×576×8]×25≈165.9Mbps,轉換成4:1:1后為[(720+2×180)×576×8]×25≈124.4Mbps,壓縮成25Mbps進行記錄,需要的壓縮比為124.4Mbps/25Mbps≈5:1。使用1/4英寸MP磁帶,還可同時記錄4通道16bit數字音頻信號。

    DVCPRO 50格式為標準的4:2:2輸入和輸出,內部處理也是4:2:2格式,視頻數據率為50Mbps,壓縮比=165.9Mbps/50Mbps≈3 3:1,確保了高畫質圖像,為高檔次廣播級數字錄像機。也使用1/4英寸MP磁帶,而且能夠以DVCPRO格式記錄并可重放DVCPRO格式記錄的節目磁帶。
   
(3) Digital-S(D9)格式
    該格式錄像機采用4:2:2格式8bit量化處理,并采用基于DCT的幀內編碼和50Mbps 視頻碼率,3 3:1壓縮比,滿足CCIR 601模擬信號數字化的國際專業標準,確保了多代復制后的圖像高清晰度和色彩效果。使用1/2英寸高密度金屬涂敷帶。
   
3  基于MPEG-2視頻
    壓縮標準編碼的視頻格式
    參數比較

    以上介紹的是常規清晰度電視(SDTV)格式,它終將被新一代全數字高清晰度電視 (HDTV)所取代,下面以表格方式將SDTV與HDTV的視頻格式參數做一簡單比較。MPEG-2是一種對通用的活動圖像及其相關音頻的編碼方法,是至今為止最重要的視頻壓縮國際標準,適用于SDTV、HDTV視頻壓縮編碼。MPEG-2的視頻格式分為4級:低級視頻格式、主級視頻格式、高級窄屏幕視頻格式、高級寬屏幕視頻格式。各級視頻格式按每幀行數、幀頻和像素速率的不同分為5類,詳細內容請查閱相關資料。

    采用4:2:2視頻分量編碼格式,8bit均勻量化。

    根據MPEG-2的類和級中各視頻格式編碼的最大輸出碼率,可算出最小壓縮比,而且取樣格式不同,視頻碼率及壓縮比也不相同。
   
a   4:2:2格式
  SDTV像素速率為:
      (720×576+2×360×576)×25 =(720×480+2×360×480)×30 =20.736兆像素/秒
     碼率=20.736兆像素/秒×8bit=165.888Mbps
      主級視頻格式中最高傳輸碼率為15Mbps,則最小壓縮比 =165.888Mbps/15Mbps=11.06。

   窄屏HDTV像素速率為:
     (1440×1152+2×720×1152)×25=(1440×960+2×720×960)×30=82.944兆像素/秒
    碼率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps。
    1440高級類的最高傳輸碼率為60Mbps,則最小壓縮比=663.552Mbps/60Mbps=11.06

   寬屏HDTV像素速率為:
    (1920×1152+2×960×1152)×25=(1920×960+2×960×960)×30=110.592兆像素/秒
    碼率=110.592兆像素/秒×8bit=884.736Mbps
    高級類的最高傳輸碼率為80Mbps,則最小壓縮比=884.736Mbps/80Mbps=11.06
   
b   因為人眼對色度清晰度不太敏感,為了降低碼率可采用4:2:0格式,這時各視頻格式的碼率及最小壓縮比:
  SDTV像素速率為:
      (720×576+2×360×288)×25 =(720×480+2×360×240)×30=15.552兆像素/秒
    碼率=15.552兆像素/秒×8bit=124.416Mbps
      壓縮比=124.416Mbps/15Mbps=8.29

   窄屏HDTV像素速率為:
    (1440×1152+2×720×576)×25=(1440×960+2×720×480)×30=62.208兆像素/秒
    碼率=62.208兆像素/秒×8bit=497.644Mbps
      壓縮比=497.664Mbps/60Mbps=8.29

   寬屏HDTV像素速率為:
    (1920×1152+2×960×576)×25=(1920×960+2×960×480)×30=82.944兆像素/秒
    碼率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps
      壓縮比=663.552Mbps/80mbps=8.29

     4DVCAM系列產品、Ditital-S系列產品及DVCPRO50系列產品均具有用于寬屏圖像錄制和編輯的16:9格式與4:3格式寬高比切換功能,可用來提供16:9寬屏圖像,以適應下一代16:9格式HDTV的發展。而且在BIRTV’99展覽會上,Sony公司推出了HDCAM系列及松下電器推出了DVCPRO HD系列,用于下一代HDTV的ENG和節目制作!

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