视频信号处理标准概述

 

 

PAL制式是电视广播中色彩编码的一种方法。全名为 Phase Alternating Line 逐行倒相。除了北美，东亚部分地区使用 NTSC制式 ，中东、法国及东欧采用 SECAM制式 以外，世界上大部份地区都是采用 PAL。PAL 由德国人 Walter Bruch 在1967年提出，当时他是为德律风根(Telefunken)工作。“PAL”有时亦被用来指625 线，每秒25格，隔行扫瞄，PAL色彩编码的电视制式。

　　原理

　　PAL 发明的原意是要在兼容原有黑白电视广播格式的情况下加入彩色讯号。PAL 的原理与 NTSC 接近。“逐行倒相”的意思是每行扫描线的彩色讯号，会跟上一行倒相。作用是自动改正在传播中可能出现的错相。早期的 PAL 电视机没有特别的组件改正错相，有时严重的错相仍然会被肉眼明显看到。近年的电视会把上行的色彩信号跟下一行的平均起来才显示。这样 PAL 的垂直色彩分辨率会低于NTSC 。但由于人眼对色彩的灵敏不及对亮度，因此这并不是明显问题。

　　NTSC 电视机需要色彩控制 (tint control) 来手动调节颜色。这亦是 NTSC 的最大缺憾之一。另外，有人昵称 NTSC 为 Never The Same Color (不会出现一样的色彩)、称 PAL 为 Perfect At Last 、称 SECAM 为 System Essentially Contrary to American Method(本质上与美国的系统有别)或 Shows Every Color All Murky (把每一个颜色显示得模糊)。

　　不同的 PAL

　　PAL、NTSC、SECAM在各地的分布PAL 本身是指色彩系统，经常被配以 625线，每秒25格画面，隔行扫描的电视广播格式: 如 B, G, H, I ,N。亦有PAL是配以其他分辨率的格式：例如巴西使用的 M广播格式为 525 线，29.97格 (与NTSC 格式一样)，用NTSC 彩色副载波，但巴西是使用 PAL彩色编码的。现在大部分的 PAL 电视机都能收看以上所有不同系统格式的PAL。很多 PAL 电视机更能同时收看基频的 NTSC-M ,例如电视游戏机、录影机等等的 NTSC 讯号。但是它们却不一定可以接收NTSC 广播。

　　当影像讯号是以基频传送时（例如电视游戏机、录影机等等），便再没有以上所说各种以"字母"区分广播格式的分别了。这情况下，PAL 的意思是指：625 条扫描线，每秒25帧画面，隔行扫描，PAL 色彩编码。对数码影像如 DVD 或 数码广播，色彩编码亦没有分别，这情况下 PAL 是指：625 条扫描线，每秒25帧画面，隔行扫描；即是跟 SECAM 一模一样。

　　英国、香港、澳门使用的是 PAL-I。中国大陆使用的是 PAL-D、新加坡使用的是 PAL B/G 或 D/K。

　　PAL 放送的电影

　　电影一般是以每秒 24 帧拍摄。电影在 PAL 制式电视播影时会以每秒25 帧播放，播放的速度因而比电影院内或 NTSC 电视广播加快了 4%。这种差别不太明显，但电影内的音乐会因而变得高了一个半音。如果电视台在广播时没有加以调校补偿，小心聆听便会发现。

 

视频编码：

1. 数字图像：经过数字化转换并可以用数字表示、处理的图像。由象素点组成，其中横向的点数称为水平分辨率，纵向的为垂直分辨率，一幅完整的图分为若干行，称为一帧图像。每个象素根据量化精度不同其取值也不同，例如取三个色彩分量均为8 位二进制数的RGB表示方法，用连续的三个8 位二进制数表示一个彩色点，(200,100,64)描述的点的红色分量为200，绿色分量100，蓝色分量64，其中每个分量的取值均为0—255 表示从最暗到最亮256个等级。许多静态的图像可以经连续播放产生动态效果，25 帧/秒或30 帧/秒的帧速可产生较平滑的动态显示效果。

2. 色彩空间 RGB 色彩空间：图像采集和显示设备采用，例如CCD、CMOS 摄像头，CRT 监视器等。因其色彩分量之间有较大的相关性，不适于做图像处理。 YCbCr 色彩空间：Y 表示亮度，Cb 和Cr 表示色差。各色彩分量之间相关性小，适于进行处理操作。色差信号常做2:1 抽样处理以节省带宽。

3. 视频图像 视频简单地说就是活动图像。电影也是活动图像，电影把大量静止图像记录在胶片上，一张一张地连续显示出来，就成了我们看到的电影。对于电视视频，每秒钟包含几十帧静止图像，每一帧静止图像由几百个行组成，每一行又由几百个像素点组成。1 秒钟包含的图像帧数为帧频，1 秒钟包含的总行数为行频，1 秒钟包含的总像素数实际上就是相当于视频带宽。 我国的黑白视频信号帧频为25 Hz，就是说每秒显示25 幅图像，之所以规定为25 Hz，而不是其它的某个值，主要是因为两个原因。一个与人的视觉生理特点有关，当图像的刷新速度达到5 帧/秒的时候，人开始感觉图像是活动的，而达到24 帧/秒的时候，人感觉图像是完全连续和流畅的（电影所使用的帧频就是24 Hz），所以视频信号帧频应大于等于24 Hz。理论上来说帧频越高越好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，成本也越高，在当时的条件下，只能选择一个大于24 的尽量小的值。另一个原因是因为我国的电网频率是50Hz，当采用25 Hz 帧频时，隔行扫描时的场频为50Hz，正好与电网同频，这样，电源对图像的干扰是固定的，人眼不容易感觉出来，或者换个角度说：电源就可以不必做得那么精密（那个时候开关电源还很少使用，整流电源缺乏稳压措施，纹波很大）。所以选择了25 Hz 帧频。说到这里，又要说说“场频”。电视在显示图像的时候，把一帧分成了两场来显示，一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场，另一个场由帧中的偶数行组成，叫做偶场。之所以要这样做，主要是因为在CRT 显象管上一秒钟显示25 帧图像时，人眼感觉到连续性还是不太好，而且还有明显的闪烁，一帧分成两场后，场频为50 Hz，图像更加连续一些。当然还有一些别的原因，与电路设计方面有关。 我国的黑白视频信号规定每帧图像共625 行，奇数场为312 行，偶数场为313行，行频15625 Hz，视频带宽6MHz。在每场的行信号中，有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的，按照CCIR656标准规定的行编号方法，偶场的行号为第1 至312 行，奇场的行号为第313 至625 行，其中，偶场的第23 至310 行包含有效的视频信号，共288 行，奇场的第336 至623行包含有效的视频信号，共288 行。所以一帧中有效的总行数为576 行。

 

彩色视频信号：

当科学家们开始研究彩色电视的时候，黑白电视已经大量使用了，所以最好彩色电视信号能够与黑白电视信号保持兼容，以便彩色电视信号在黑白电视机上能播放出黑白的图像。这个问题是很困难的，因为色度信号也要占用较大的带宽，而在电视射频频带上，一个频道挨着一个频道，亮度信号（实际上还有调频的伴音信号）已经把频带给塞满了，幸运的是，后来终于运用压缩亮度信号带宽、大面积着色等技术解决了这个问题。从频域的角度来看，色度信号（UV 色差信号）是插在亮度信号的频谱的间隙之中的，具体的位置是插在4.43MHz 的地方，带宽1.3MHz。在接收机中，简单地说，把收到的信号中的4.43MHz 处的带宽1.3MHz 的信号取出来就成了色度信号，而把收到的信号中的4.43MHz 处的这个信号滤掉剩下的就是亮度信号。黑白视频的亮度信号采用了调幅制，一行的周期是64us，其中显示在屏幕上的信号占52us，其余部分为行消隐、行同步头。对于彩色信号，还在行同步头上叠加了一小段4.43MHz 的副载波信号，用作接收机中的4.43MHz 信号的频率和相位基准。 上面说的是彩色视频信号怎么加到原来的黑白视频信号中。那么彩色图像是怎么还原和显示出来的呢？我们知道，黑白图像的像素只能用亮度（灰度）来描述。而彩色图像的像素的描述要复杂一些，在计算机或电视机的CRT 显象管中都是用的RGB（红、绿、蓝）三基色合成的方法，用RGB 三基色来表示彩色的确很直观，但是如果把这种方法用作图像传输则绝不是一个好的方法。

(1) 与黑白图像不兼容，把RGB 三基色转换为灰度的方法是：灰度=R*0.3+G*0.59+B*0.11,这个转换过程显然是比较复杂的。对于电视机而言，就意味着必须解码出RGB 信号才有可能得到黑白图像，而黑白电视机没有解码功能，所以不能实现兼容。

(2) 占用太多带宽，用RGB 三基色表示图像，每个分量的带宽是均等的，都约等于亮度信号的带宽，所以对于每个分量，都要用较大的带宽来描述。

(3) 抗干扰能力差。由于G 分量占有亮度值的59%，所以当G 受到干扰的时候，像素的亮度值会受到很大的影响，而人眼对亮度值的变化是十分敏感的，所以图像主观质量会明显下降。基于这些原因，在视频信号传输中采用的是YUV合成的方法。Y 代表亮度信息，U(Cb)代表蓝色色差（就是蓝色信号与亮度信号之间的差值），V(Cr)代表红色色差。

这种表示方法的优点。

(1) 与黑白图像兼容。假定一个像素是用YUV 表示的，我们只要忽略UV 分量，取出Y 分量，就可以得到像素的亮度值，从而把彩色图像转换为黑白图像。这样很容易实现彩色电视信号与黑白电视信号的兼容。

(2) 节省带宽。说这个问题的时候要先说说大面积着色原理。实验发现，人眼对亮度信息是敏感的，主要通过亮度差别来分辨物体形状的细节，而对彩色信息是不敏感的，人眼区分不出物体颜色上的细小的变化，或者说人眼不容易觉察出来图像的色彩的细节部分的变化。因此，可以对亮度信号用较高的采样频率采样，而对色度信号用较低的采样频率采样（或者用较低的量化深度），比如几个相邻的像素的亮度值不同，但是却可以使用一个相同的色度值。这就是大面积着色原理。基于这个原理，在电视信号传输中，U或V 信号的带宽远小于V 信号的带宽，这样就节约了带宽。换个方式来说，比如在计算机中，用RGB 方式描述一个像素需要R、G、B 共3 个字节。而用YUV 方式描述，则对于每2个像素，Y 用2 个字节，U 取相同的值，用一个字节，V 取相同的值，用一个字节，平均每个像素2 个字节。或者每个像素Y 用一个字节，U 用半个字节，V 用半个字节，共2 个字节。

(3) 抗干扰能力强。由于亮度信号是单独表示的，所以如果色差信号受到干扰，不会影响到亮度，主观感觉噪声不会明显增加。在电视机中，彩色视频信号首先分解为亮度信号Y 和色度信号，色度信号再分解为U色差信号和V 色差信号，最后由YUV 三个分量经过矩阵运算变换为RGB 信号，以便在显像管上显示。

 

视频信号的缺点：

(1) 帧频低。视频信号的帧频只有25Hz，必然导致图像闪烁。

(2) 分辨率低。在一帧中有效的行只有576 行。由于采用了隔行扫描，一帧图像要由连续的两场来拼合而成，而实际上很难保证两场中的行准确地错开（对准间隙），这进一步导

致垂直方向的分辨能力损失。

(3) 亮色串扰。亮度信号和色度信号混合在一起，解码的时候不能很好地分开，导致亮度信号和色度信号互相干扰。

(4) 缺乏改进余地。除非重新制定新的标准，否则前面提到的三个问题在现有基础上都很难改进。视频信号格式有这么多缺点，是因为受当年制定这个标准时的技术条件制约造成的，而近年来通过在电视中加入一些数字处理的手段，比如倍频扫描（100 Hz 场频）、使用数字梳状滤波器等方法，电视的图像质量也得到一些提高。而现在正在研究的数字电视，是重新制定的全新的标准，用以获得胶片质量的图像，可能会彻底淘汰现在的视频标准和电视设备。

 

数字视频：

视频信号起初是以模拟信号的形式保存在录像磁带上的，而现在随着数字技术的发展，可以变成数字信号保存在光盘或计算机硬盘中，当然这些离不开功能强大的计算机，实际上，在嵌入式领域，数字视频也是可以应用的，比如用DSP 来处理数字视频数据。 模拟视频信号解码并量化成连续的数字视频流后所包含的一些信号元素：模拟视频信号每秒25 帧，每帧周期40ms，而每帧又分为2 场，每场20ms，先输出的是奇场，然后是偶场，奇场的行号为第1 至312 行，偶场的行号为第313 至625 行，其中，奇场的第23至310 行包含有效的视频信号，偶场的第336 至623 行包含有效的视频信号。把模拟视频信号解码为YUV 分量后，分别进行A/D 量化采样，转换为数字视频流，时间上也应该是按上面的顺序依次输出。有几个相关的国际标准对此作了一些约定。比如1994 年国际无线电咨询委员会出台了CCIR601 标准，这个标准主要是针对演播室的要求制定的，其中规定亮度信号的采样频率是13.5 MHz，色度信号的采样频率是6.75 MHz，采用8 位编码。这样，每行的Y 采样数为864 个，其中有效的Y 采样数为720 个。而每行的U 或V 采样数为432 个，有效的U 或V 采样数为360 个。平均描述每个像素的YUV 的位数分别为8bit、4bit、4bit，又叫做YUV422 编码方案（当然还有很多别的方案，如YUV411 等）。国际无线电咨询委员会还出台了CCIR656 建议，其中规定视频数据的量化值中的0 和255 保留不用，而量化数据串行输出的顺序是：U0、Y0、V0、Y1，U2，Y2，V2，Y3，U4，Y5，V4，Y6，如此循环。通过上面的讨论，我们可以看出，数字视频流应包含的元素有：奇偶场指示信号FI（有的称为ODD）、场同步信号、行同步信号、像素时钟、YUV 数据输出。在此我们顺便计算一下数字视频流的数据量，每秒的数据量=（720 像素*576 行*25 帧）*2 字节=20736000 字节，数据率约165Mbps。

 

 

高清视频格式概述
HDTV规定了视频必须至少具备720线非交错式（720p，即常说的逐行）或1080线交错式隔行（1080i，即常说的隔行）扫描（DVD标准为 480线），屏幕纵横比为16:9。音频输出为5.1声道(杜比数字格式)，同时能兼容接收其它较低格式的信号并进行数字化处理重放。
HDTV有三种显示格式，分别是：

720P（1280×720P，非交错式），

1080 i（1920×1080i，交错式），

1080P（1920×1080P，非交错式），

其中以720P和1080 i最为常见，而在微软WMV-HD站点上1080P的样片相对较多。

 

ITU(国际电讯联盟)推荐的HDTV标准
(ITU-R BT.709-3建议书部分内容)

每行有效样点数	1920
每帧有效扫描行	1080
采样结构	正交采样
像数形状	方形像数
画面宽高比	16：9
每帧扫描行数	1125行（原来的1250行已经被取消）
垂直扫描类型	逐行或者是2：1隔行
垂直扫描频率	逐行：23.976/24/25/29.97/30/50/59.94/60帧 隔行：50/59.94/60场
采样频率	亮度：74.25MHz 色度：37.125MHz
带宽	亮度：30MHz 色度：15MHz
量化电平	8或者10bit

 

 

 

 

美国电视电影工程师协会HDTV标准（SMPTE274部分内容）

每行有效样点数	1920
每帧有效扫描行	1080
采样结构	正交采样
像数形状	方形像数
画面宽高比	16：9
每帧扫描行数	1125行
垂直扫描类型	逐行或者是2：1隔行
垂直扫描频率	逐行：59.94/60帧 隔行：59.94/60场
采样频率	亮度：74.25MHz 色度：37.125MHz
带宽	亮度：30MHz 色度：15MHz
量化电平	8或者10bit

 

国家广电总局HDTV标准

（GY/T 155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数 部分内容）

每行有效样点数	1920
每帧有效扫描行	1080
采样结构	正交采样
像数形状	方形像数
画面宽高比	16：9
每帧扫描行数	1125行
垂直扫描类型	逐行或者是2：1隔行
垂直扫描频率	逐行：24帧 隔行：50场
采样频率	亮度：74.25MHz 色度：37.125MHz
带宽	亮度：30MHz 色度：15MHz
量化电平	8或者10bit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目前世界上正在播出和准备播出的几种高清晰度电视系统参数

扫描标准	使用地区	每行样点数	有效扫描行数	系统	幅型比
1125行60场	美国CBS HBO NBC 日本 韩国 台湾 部分南美国家	1920	1080	1080/60i	16:9
750行60帧，逐行	美国ABC	1280	720	720/60P	16:9
1125行50场，隔行	澳大利亚 中国 香港 新加坡	1920	1080	1080/50i	16:9
注: 在美国和日本等地区实际播出的信号中，场或帧频均为60/1.001=59.94Hz

 

在开发板中，主要是针对国内的1080/50i视频标准进行阐述。

1920×1080 HDTV行信号波形，行消隐数据是720，有效视频数据是1920，1线采样点数为2640.