《视频解密》中文版第四版第四章.docx
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《视频解密》中文版第四版第四章
《视频解密》中文版(第四版)第四章视频信号概述
第四章视频信号概述
视频信号的种类繁多─可以按扫描行数,隔行扫描还是逐行扫描,模拟视频还是数字视频分类。
本章主要描述常见视频信号的格式和它们的时序。
数字分量视频的背景
数字分量视频,在用于广播传输或录制的目的时,才会从分量格式(YCbCr或R’G’B’)编码成复合的NTSC、PAL、SECAM格式。
由于576iPAL制式视频素材转换成SECAM制式非常困难,所以欧洲广播联盟(EBU)更倾向于使用数字分量视频。
不管是PAL制式或SECAM制式的国家节目源,数字视频信号的格式都是必须相同的,这样就允许编码成想要的复合视频信号格式进行广播应用。
经过运动图片协会和电视工程师协会(SMPTE)的协商,为了节目源的国际交流,使用统一的数字频标准,包括480i系统。
编码范围
为了平衡信号超出范围的失真和最小量化的失真而选择适当编码范围。
虽然视频信号的暗点电平很好定义,但是由于视频信号和设备存在公差,白点电平的定义很难统一。
噪声,增益变化,通过滤波器时的瞬态响应都会导致信号超出正常范围。
YCbCr或R’G’B’格式分量信号,每个采样点采用8比特或10bit。
虽然8比特数字化编码带有较大的量化失真,但最初认为视频源本生固有的信号失真掩盖了8位量化失真。
然而如果视频源本身无失真,那么量化失真将会在那些亮度信号缓变的地方体现出来。
此外,编辑环境中的设备之间传输信号时,都会对YCbCr或R’G’B数据增加两比特数据的小数以减少四舍五入对信号的影响。
由于这些原因,所有的视频前端设备都采用10比特的YCbCr或R’G’B’数据,允许2比特的小数数据,而保持高位YCbCr或R’G’B’数据不变。
起初规定YCbCr三个分量采用相同的编码范围。
由于白电平比黑电平的限制更敏感,Y信号在白电平附近有更大的余量,所以这个编码范围进行了修改。
8比特Y电平的正常范围为16~235,而3比特CbCr电平范围为16~240(电平128是无色的)。
偶尔超出这个电平范围电平是允许的,但是不能超过0~255之间。
在8比特的视频系统,00H和FFH两个值用于时间同步。
为了与8比特视频系统兼容,在10比特的视频系统中,000H~003H和3FCH~3FFH用于时间同步。
YCbCr或R’G’B’格式的75%彩条信号在第三章中已经讨论。
数字R’G’B’信号的正常电平范围定义成和Y电平相同的范围,这样简化了R’G’B’和YCbCr之间转换的矩阵。
标准清度(SDTV)数字电视采样频率
线锁定采样模拟R’G’B或YUV视频信号已经完成。
当前采样扫描线位于前次采样线下方对于采样场也一样,这就产生了静态正交采样网格,如图3.2~3.11所示。
另一个重要的特性是在模拟水平同步信号(0H)下降到50%的点进行采样,以锁定相位。
这保证了不同视频系统的视频源都在图像的同一点进行采样。
这个特点简化了不同视频系统之间的相互转换。
对于480i和576i视频系统,最初测试了几个Y分量的采样频率,包括4倍被。
由于4倍的采样频率不支持简化国际视频节目交流的要求,所以他们降低采样频率到共同适合的频率。
为在保证视频质量的前提下使是采样频率达到最低的目标,12MHz采样率是首选,而且被用了很长时间;但由于12MHz太接近奈奎斯特采样频率的极限,使得滤波器设计相当复杂。
当在采样频率12MHz和14.3MHz之间测试时,Y分量的13.5MHz的采样率比较适合480ihe576i系统之间的通用性。
对于信号Cb和Cr不需要和Y分量相同的采样带宽,只需要Y信号采样率的一半,即6.75MHz采样率即可。
4:
2:
2的视频现在很常用,最初用于NTSC和PAL视频系统,彩色副载波信号Y、U、V分别采样4×、2×、2×个点。
BT.601的数字分量视频采用4:
2:
2格式,4个点Y和2个点Cb,Cr信号的采样频率各为3.375MHz。
4:
2:
2现在一般表示Cb和Cr分量采样率是Y分量采样率的一半,而不管实际采用采样率是多少。
13.5MHz采样率时,480i系统每个扫描行的采样点数是858个,576i系统每个扫描行的采样点数是864个,在有效行的后包含了一个数字消影期。
480i和576i系统每一行的采样点数都是720个。
有效行具有相同的采样点数使得设计兼容标准设备和标准之间的转换变得简单。
在6.75MHz采样频率时,对于4:
2:
2格式,每一个有效行周期包含的360个Cb和360个Cr信号。
对于模拟系统,会出现消影时间间隔变长和消影边界软化的问题,这需要重新对视频处理。
对于720点数字采样的有效行周期之间可容纳的模拟消影时间对480i和576i系统是不一样的。
所以再不改变数字消影周期的情况下,需要对每一行视频重新处理。
对模拟图像宽度处理只需做一次,最好在图像显示之前或在模拟视频转换之时做。
最初BT.601只支持宽高比为4:
3的480i和576i系统(720×480i和720×576i有效像素)。
后来增加了支持宽高比为16:
9的系统(960×480i和960×576i有效像素),采样频率为18MHz。
增强数字电视(EDTV)采样频率
ITUBT.1358定义了SDTV视频信号的逐行扫描方式,也就是480p或576p格式或增强数字电视(EDTV)。
为了保持静态正交采样网格和BT.601一样,采样频率增加两倍,对于宽高比4:
3为27MHz,宽高比16:
9为36MHz。
高清数字电视(HDTV)采样频率
ITUBT.709定义了三种视频信号,720p,1080i和1080p。
对于高清电视使用了一种新技术─每一有效行的视频采样点数和每一帧视频的有效行数是恒定的,跟视频的帧频没关系。
这样为了保值静态的正交采样网格,不同的帧频采用不同的采样时钟频率。
480i和480p视频系统
隔行扫描模拟复合视频
(M)NTSC和(M)PAL是模拟复合视频信号,使用一条信号线携带所有时间和颜色信息。
这些模拟接口每帧图像使用525有效行,将在第八章中详细讨论。
隔行扫描模拟分量视频
模拟分量信号由模拟R’G’B’或YPbPr三个信号组成。
对于480i(每帧包括480有效交叉扫描行),为了兼容(M)NTSC时序,帧频通常是29.97Hz(30/1.001)。
模拟接口每帧使用525行,有效视频行位于23~262和286~525行,如图4.1所示。
图4.1480i垂直间隔时序
对于帧频为29.97Hz,每一扫描行的时间约为63.556us。
详细的水平扫描时间依赖于使用的特定视频接口,将在第五章中详细讨论。
逐行扫描模拟分量视频
模拟分量信号由模拟R’G’B’或YPbPr三个信号组成。
对于480p(每帧包括480有效扫描行),为了兼容早期的(M)NTSC时序,帧频通常是59.94Hz(60/1.001)。
模拟接口每帧使用525行,有效视频行位于45~524行,如图4.2所示。
图4.2480p垂直间隔时序
对于帧频为59.94Hz,每一扫描行的时间约为31.776us。
详细的水平扫描时间依赖于使用的特定视频接口,将在第五章中详细讨论。
隔行扫描数字分量视频
BT.601和SMPTE-267M规定了480i数字R’G’B’和YCbCr格式视频的表示方法。
在BT.601和SMPTE-267M规范中定义了常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
960×480i 18.0MHz 29.97Hz
720×480i 13.5MHz 29.97Hz
其他常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
864×480i 16.38MHz 29.97Hz
704×480i 13.50MHz 29.97Hz
640×480i 12.27MHz 29.97Hz
544×480i 10.12MHz 29.97Hz
528×480i 9.900MHz 29.97Hz
480×480i 9.000MHz 29.97Hz
352×480i 6.750MHz 29.97Hz
864×480i是16:
9像素格式,而640×480i是4:
3像素格式。
虽然理想的16:
9像素格式是854×480i,但是864×480i能处理MPEG的16×16宏块结构。
704×480i格式采用720×480i格式处理,只是将720×480i的每一有效扫描行的前八个和后八个采样点当作消影期的元素。
模拟和数字视频信号的关系例子如图4.3~4.7所示。
H(水平消影),V(垂直消影)和F(场)信号的定义如图4.8所示。
H、V和F时序可以看出除了BT.656格式信号之外都可用兼容的视频压缩标准,将在第6章中详细讨论。
图4.3480i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,29.97Hz帧频,13.5MHz采样时钟)
图4.4480i模拟和数字信号的关系(16:
9格式,29.97Hz帧频,18MHz采样时钟)
图4.5480i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,29.97Hz帧频,12.27MHz采样时钟)
图4.6480i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,29.97Hz帧频,10.125MHz采样时钟)
图4.7480i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,29.97Hz帧频,9MHz采样时钟)
图4.8480i数字垂直时序(480有效扫描行)
在EAV序列中,数字行的开始处F和V改变状态。
注意从图4.3~4.7中可以看到,数字行的行号比行同步信号状态变化早。
在SMPTERP-202,ATSCA/54a和ARIBSTD-B32标准中规定了相应的有效行。
EIA-861B(DVI和HDMI时序)规定的有效视频行是22~261和285~524行。
IEC61834-2,ITU-RBT.1618和SMPTE314(DV格式)规定的视频有效行是22~262和285~524行。
ITU-RBT.656规定的有效视频行是20~263和283~525,每帧视频总共有487有效视频行。
逐行扫描数字分量视频
BT.1358和SMPTE293M规定了480p数字R’G’B’和YCbCr格式视频的表示方法。
在BT.1258和SMPTE-293M规范中定义了常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
960×480p 6.0MHz 59.94Hz
720×480p 27.0MHz 59.94Hz
其他常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
864×480p 32.75MHz 59.94Hz
704×480p 27.00MHz 59.94Hz
640×480p 24.54MHz 59.94Hz
544×480p 20.25MHz 59.94Hz
528×480p 19.80MHz 59.94Hz
480×480p 18.00MHz 59.94Hz
352×480p 13.50MHz 59.94Hz
864×480p是16:
9像素格式,而640×480p是4:
3像素格式。
虽然理想的16:
9像素格式是854×480p,但是864×480p能处理MPEG的16×16宏块结构。
704×480p格式采用720×480p格式处理,只是将720×480p的每一有效扫描行的前8个和后8个采样点当作消影期的元素。
模拟和数字视频信号的关系例子如图4.9~4.12所示。
图4.9480p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,59.94Hz帧频,27MHz采样时钟)
图4.10480p模拟和数字信号的关系(16:
9格式,59.94Hz帧频,36MHz采样时钟)
图4.11480p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,59.94Hz帧频,24.54MHz采样时钟)
图4.12480p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,59.94Hz帧频,20.25MHz采样时钟)
H(水平消影),V(垂直消影)和F(场)信号的定义如图4.13所示。
H、V和F时序可以看出除了BT.656格式信号之外都可用兼容的视频压缩标准,将在第6章中详细讨论。
图4.13480p数字垂直时序(480有效行)
在EAV序列中,数字行的开始处V改变状态。
注意从图4.9~4.12中可以看到,数字行的行号比行同步信号状态变化早。
在SMPTERP-202,ATSCA/54a和ARIBSTD-B32标准中规定了相应的有效行。
然而EIA-861B(DVI和HDMI时序)规定的有效视频行是43~522行。
SIF和QSIF
SIF定义有效像素点为352×240p,4:
3格式SIF定义有效像素点数为320×240p。
QSIF定义有效像素点数为176×120p,4:
3格式QSIF定义有效像素点数为160×120p。
576i和576p视频系统
隔行扫描模拟复合信号
(B,D,G,H,I,N,)PAL是模拟复合视频信号,使用一条信号线携带所有时间和颜色信息。
这些模拟接口每帧图像使用625有效行,将在第八章中详细讨论。
隔行扫描模拟分量视频
模拟分量信号由模拟R’G’B’或YPbPr三个信号组成。
对于576i(每帧包括576有效交叉扫描行),为了兼容PAL时序,帧频通常是25Hz。
模拟接口每帧使用625行,有效视频行位于23~310和336~623行,如图4.14所示。
图4.14576i垂直间隔时序
对于帧频为25Hz,每一扫描行的时间约为64us。
详细的水平扫描时间依赖于使用的特定视频接口,将在第五章中详细讨论。
逐行扫描模拟分量视频
模拟分量信号由模拟R’G’B’或YPbPr三个信号组成。
对于576p(每帧包括
576有效扫描行),为了兼容PAL时序,帧频通常是50Hz。
模拟接口每帧使用625行,有效视频行位于45~620行,如图4.15所示。
图4.15576p垂直间隔时序
对于帧频为50Hz,每一扫描行的时间约为32us。
详细的水平扫描时间依赖于使用的特定视频接口,将在第五章中详细讨论。
隔行扫描数字分量视频
BT.601规定了576i数字R’G’B’和YCbCr格式视频的表示方法。
在BT.601规范中定义了常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
960×576i 18.0MHz 25Hz
720×576i 13.5MHz 25Hz
其他常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
1024×576i 19.67MHz 25Hz
768×576i 14.75MHz 25Hz
704×576i 13.50MHz 25Hz
544×576i 10.12MHz 25Hz
480×576i 9.000MHz 25Hz
1024×576i是16:
9像素格式,而768×576i是4:
3像素格式。
704×576i格式采用720×576i格式处理,只是将720×576i的每一有效扫描行的前8个和后8个采样点当作消影期的元素。
模拟和数字视频信号的关系例子如图4.16~4.19所示。
图4.16576i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,25Hz帧频,13.5MHz采样时钟)
图4.17576i模拟和数字信号的关系(16:
9格式,25Hz帧频,18MHz采样时钟)
图4.8576i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,25Hz帧频,14.75MHz采样时钟)
图4.19576i模拟和数字信号的关系(4:
3格式,25Hz帧频,10.125MHz采样时钟)
H(水平消影),V(垂直消影)和F(场)信号的定义如图4.20所示。
H、V和F时序可以看出除了BT.656格式信号之外都可用兼容的视频压缩标准,将在第6章中详细讨论。
图4.20576i数字垂直时序(576有效扫描行)
在EAV序列中,数字行的开始处F和V改变状态。
注意从图4.16~4.19中可以看到,数字行的行号比行同步信号状态变化早。
IEC61834-2,ITU-RBT.1618和SMPTE314(DV格式)规定的视频有效行是23~310和335~622行。
逐行扫描数字分量视频
BT.1358规定了576p数字R’G’B’和YCbCr格式视频的表示方法。
在BT.1358和SMPTE-293M规范中定义了常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
960×576p 6.0MHz 50Hz
720×576p 27.0MHz 50Hz
其他常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
1024×576p 39.33MHz 50Hz
768×576p 29.50MHz 50Hz
704×576p 27.00MHz 50Hz
544×576p 20.25MHz 50Hz
480×576p 18.00MHz 50Hz
1024×576p是16:
9像素格式,而768×576p是4:
3像素格式。
704×576p格式采用720×576p格式处理,只是将720×576p的每一有效扫描行的前8个和后8个采样点当作消影期的元素。
模拟和数字视频信号的关系例子如图4.21~4.24所示。
图4.21576p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,50Hz帧频,27MHz采样时钟)
图4.22576p模拟和数字信号的关系(16:
9格式,50Hz帧频,36MHz采样时钟)
图4.23576p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,50Hz帧频,29.5MHz采样时钟)
图4.24576p模拟和数字信号的关系(4:
3格式,50Hz帧频,20.25MHz采样时钟)
H(水平消影),V(垂直消影)和F(场)信号的定义如图4.13所示。
H、V和F时序可以看出除了BT.656格式信号之外都可用兼容的视频压缩标准,将在第6章中详细讨论。
图4.25576p数字垂直时序(576有效行)
在EAV序列中,数字行的开始处V改变状态。
注意从图4.21~4.24中可以看到,数字行的行号比行同步信号状态变化早。
720p视频系统
逐行扫描模拟分量视频
模拟分量信号由模拟R’G’B’或YPbPr三个信号组成。
对于720p(每帧包括720有效扫描行),为了兼容M(NTSC)时序,帧频通常是59.94Hz(60/1.001)。
模拟接口每帧使用750行,有效视频行位于26~745行,如图4.26所示。
图4.26720p垂直间隔时序
对于帧频为59.94Hz,每一扫描行的时间约为22.24us。
详细的水平扫描时间依赖于使用的特定视频接口,将在第五章中详细讨论。
逐行扫描数字分量视频
SMPTE296M规定了720p数字R’G’B’和YCbCr格式视频的表示方法。
在SMPTE296M规范中定义了常用格式1×Y和R’G’B’的采样率()和帧频,为:
1280×720p 74.176MHz 23.976Hz
1280×720p 74.250MHz 24.000Hz
1280×720p 74.250MHz 25.000Hz
1280×720p 74.176MHz 29.970Hz
1280×720p 74.250MHz 30.000Hz
1280×720p 74.250MHz 50.000Hz
1280×720p 74.176MHz 59.940Hz
1280×720p 74.250MHz 60.000Hz
注意长宽比4:
3和16:
9都使用。
模拟和数字视频信号的关系例子如图4.27、4.28和表4.1所示。
H,V,和F信号定义见图4.29。
图4.27720p模拟和数字信号的关系(16:
9格式,59.94Hz帧频,74.176MHz采样时钟;60Hz帧频,74.25MHz采样时钟)
图4.28通用的720p模拟和数字信号的关系
水平有效采样点数
帧频(Hz)
1×Y采样频率(MHz)
水平总采样点数(A)
水平消影期采样点数(B)
C采样点数
1280
24/1.001
74.25/1.001
4125
2845
2585
24
74.25
4125
2845
2585
251
48
1536
256
21
251
49.5
1584
304
25
25
74.25
3960
2680
2420
30/1.001
74.25/1.001
3300
2020
1760
30
74.25
3300
2020
1760
50
74.25
1980
700
440
60/1.001
74.25/1.001
1650
370
110
60
74.25
1650
370
110
注:
1.对于行频是31.250KHz,场频50Hz的CRT高清电视(HDTV)。
同步脉冲是-300mV电平而不是±300mV电平。
720p垂直缩放到1152i的有效扫描线;1250i全部扫描线代替750p。
表4.1图4.28中包含的720p的各种模拟数字参数关系
图4.29720p数字垂直时序(720有效扫描行)
在EAV序列中,数字行的开始处V改变状态。
注意从图4.27~4.28中可以看到,数字行的行号比行同步信号状态变化早。
1080i和1080p视频系统
隔
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