1、SONY高清影视技术培训高清晰度数字电视技术高清晰度电视（HDTV）是电视技术的最新发展，在此之前电视技术已经经历了从黑白到彩色、从模拟到数字的转变。数字电视技术的发展释放了标清电视（SDTV）技术标准的全部潜力，在不改变电视体系标准的条件下使图像质量比模拟电视有了很大提高。因此在数字电视的基础上要想大幅度提高图像质量就必须改变电视技术标准，增加有效信息量，这就是高清晰度电视。 清晰度（分辨率）的表达方法 由于历史的原因在电视、电影（胶片）以及数字影像等行业表达清晰度（分辨率）的方法是不同的。电视清晰度的表达方法 线、电视线、带宽、调制度 模拟电视时代摄像管和显像管都是通过扫描线的扫描产生和再
2、现图像，所以当时用“线”或“电视线”表示清晰度。 垂直清晰度电视的垂直清晰度用线数表示，与有效扫描行数有关。在理想的极端条件下垂直清晰度与有效扫描行数相同，在一般情况下垂直清晰度相当于有效扫描行数的5070% （科尔系数）。 水平清晰度 绝对清晰度（线）和相对清晰度（电视线） 绝对清晰度是指在水平方向上实际显示的线条数。例如，在水平方向上显示400条线 （黑色/白色各200条） 时称水平清晰度为400线。 因为电视画面的宽高比是4:3，所以在象素尺寸相同的条件下水平方向上能够容纳的象素数量是垂直方向上的4/3倍。例如，在线距相同的情况下垂直方向显示300条线时水平方向上能够显示400条线。为了
3、在同一系统中用相同的度量方法表示不同方向上的清晰度，在电视技术中把画面宽高比与水平方向上显示线条数的乘积称为“电视线”。例如，在水平方向上显示400条线时称水平清晰度为 400 x 3/4 = 300 电视线因为用电视线概念表达的水平清晰度是相对值，所以在显示线条数量相同的情况下画面宽高比不同时水平清晰度的电视线数是不同的。例如，同样在水平方向上显示400条线时如果画面宽高比是16 : 9则水平清晰度为 400 x 9/16 = 225 电视线 带宽与调制度 电视的水平清晰度还可以用带宽或调制度表示。带宽与调制度是频率与电平（幅度）之间的函数关系，是MTF（调制传输函数）在电视技术中的专用表述
4、。 带宽是在约定电平值的位置计量频带宽度，例如3dB带宽就是以最大值作为0dB时电平下降3dB处的频带宽度。电视技术中经常使用的带宽有三种，即0dB带宽，-1dB带宽和-3dB带宽。 调制度是在约定频率点的位置计量电平值，例如标清摄像机就是以0.5MHz的输出幅度作为参考电平，5MHz频率点的输出电平与参考电平之比即为调制度，用百分比表示。 电视信号传输带宽与水平清晰度的关系 标准清晰度电视（ITU R BT.601-5）在水平方向上显示400条黑色和白色线条相当于在一行的有效扫描期间（53.3微秒）内使正弦波变化200次： 200个周期 / 53.3微秒 = 3.75 MHz标准清晰度电视画
5、面宽高比为4:3时在水平方向上显示400条黑白线称水平清晰度为400线或300电视线，每1 MHz带宽相当于 300电视线 / 3.75 MHz = 80电视线 / 1 MHz或400线 / 3.75 MHz = 107线 / 1 MHz标准清晰度数字电视亮度信号的0dB传输带宽最大为6 MHz，相当于水平清晰度 6 MHz x 80电视线 / 1 MHz = 480电视线 或6 MHz x 107线 / 1 MHz = 640线 重现720线需要的带宽为 720 / 107 = 6.75 MHz （取样频率13.5 MHz的1/2） （说明：ITU R BT.601-5规定的标清亮度信号0d
6、B带宽为5.75MHz，但实际产品的0dB带宽大多为6MHz） 高清晰度电视 （ITU-R BT.709-5）在水平方向上显示400条黑色和白色线条相当于在一行的有效扫描期间（25.858微秒）内使正弦波变化200次 200个周期 / 25.858微秒 = 7.734 MHz高清晰度电视画面宽高比为16:9，在水平方向上显示400条黑白线称水平清晰度为400线或225电视线，每1 MHz带宽相当于 225电视线 / 7.734 MHz = 29电视线 / 1 MHz 或400线 / 7.734 MHz = 52线 / 1 MHz高清晰度数字电视亮度信号的0dB传输带宽最大为30 MHz，相当于
7、水平清晰度 30 MHz x 29电视线 / 1 MHz = 870电视线 或30 MHz x 52线 / 1 MHz = 1550线 重现1920线需要的带宽为 1920 / 52 = 37.125 MHz （取样频率74.25 MHz的1/2）电影胶片清晰度的表达方法 线对 胶片采用每毫米线对（Line Pair/mm）表示清晰度。需要注意的是，电视与胶片对清晰度的定义有所不同。在胶片技术中400线清晰度是指400线对（Line Pair），显示400线对也就是800条线，而在电视技术中400线清晰度是指显示400条线，即200线对。 数字影像清晰度的表达方法 像素 数字影像（如数码相机等
8、）和计算机图形处理采用像素表示清晰度，像素是组成图像的最小单位。表现彩色图像需要RGB或Y/B-Y/R-Y三个独立的分量，因此每个像素实际上都是由3个单色像素组成的。 目前数字电影和数字电视的摄像和显示也都采用了有限像素的器件如CCD、CMOS、LCD、PDP、DLP等，因此不论是数字影像还是电影、电视都可以用像素表达清晰度。例如，标清数字电视的清晰度可以表示为720 x 480（52560Hz）或720 x 576（62550Hz），每帧画面的像素数量分别为34万和41万。高清数字电视的清晰度可以表示为1920 x 1080或1280 x 720，每帧画面的像素数量分别为207万和92万。电
9、视信号的数字化 包括电视信号在内的各种信息的原始形态都是模拟的，电视信号的数字化就是把在时间轴和电平轴上连续变化的模拟电视信号在时间轴和电平轴上离散化，即用有限的取样点和有限的电平阶去表现在时间和电平上无限变化的模拟信号。 取样 取样就是把电视信号在时间轴上离散化，用有限像素表现无限清晰的景物。根据尼奎斯特定理，只要了解了取样频率（单位时间内的取样点数）就知道了该系统能够传输信号的带宽，也就是清晰度。 看电影相当于隔着一个巨大的旋转扇叶观看实际的景物，观众看到的只是在两个扇叶之间未被遮挡的画面，当旋转的扇叶挡住眼睛的时候观众什么都看不到。这实际上也是一种取样，这个取样就是用有限数量的静止画面表
10、达在空间上连续运动的景物。与看电影类似，看电视时也相当于隔着一个旋转的扇叶观看景物，扇叶的旋转速度就是场频或帧频。与看电影不同的是看模拟电视时在旋转扇叶的后面还增加了一个固定不动的帘子，帘子的缝隙相当于扫描线，观众只能看到帘子缝隙间的景物，被帘子挡住的部分是看不到的，帘子的缝隙数量越多相当于扫描线越多，图像的垂直清晰度就越高。扫描也是一种取样，这个取样就是在垂直方向上对两维空间画面离散化，用有限数量的水平扫描线表达完整的静止画面。 电视信号数字化后原来在时间轴上连续变化的每行信号被离散化成了有限的取样点，因此如果说看模拟电视是相当于隔着一个旋转的扇叶和帘子观看景物的话，那么看数字电视就相当于隔
11、着一个旋转的扇叶和筛子观看景物了。筛子水平方向上的孔越多相当于取样点越多也就是取样频率越高，图像的水平清晰度就越高。正交取样 正交取样是指在每行扫描线上的取样点都处于相同的位置，把这些样点用直线连接起来，连线与扫描线正交。 正交取样是图形和图像计算机处理的基础，这种取样结构对人的视觉干扰小，实际上目前所有的演播室分量数字电视标准都采用了正交取样结构。 实现正交取样的条件是取样频率必须是水平扫描频率（行频）的整倍数。 方形像素如果每个像素在水平和垂直方向上的大小是相同的，即像素的宽高比为1:1，那么在画面的垂直和水平方向上所能容纳的像素数量之比应该与画面的宽高比相同。方形像素的概念最早是在计算机
12、行业提出并实际应用的，目前计算机行业绝大多数显示标准都符合方形像素原则，例如:VGA（640x480），SVGA（800x600），XGA（1024x768），UXGA（1600x1200）均符合方形像素原则，只有SXGA（1280x1024）例外。方形像素有利于图形和图像的计算机处理。早期1125行高清电视标准中有效扫描行数是1035行，为符合方形像素的原则已经将有效扫描行数修改为1080行。16:9宽高比高清电视系统均符合方形像素原则，如1920x1080，1280x720。而4:3宽高比的标准清晰度电视720x576和720x480都不是方形像素。数字电视的取样结构在数字电视技术中经常用
13、4:2:2、4:2:0等方式表达数字分量电视信号的取样结构，这种表示法的原始含义是亮度与色度信号的取样频率之比。例如在4:2:2中，4表示亮度信号的取样频率，2和2 表示两个色差信号的取样频率。4的原始含义是亮度信号的取样频率是彩色副载波的4倍即13.5MHz （NTSC的付载波频率是3.58MHz），2的含义是色差信号的取样频率是副载波的2倍即6.75MHz。不过近年来这种表示法已经被大大扩展，目前取样结构的表示法不光代表了亮度与色度信号的取样频率之比，还用于表示亮度与色度的清晰度也就是取样点数量的比例。例如标清数字分量信号的4:2:2表示每行亮度信号的取样点数量是720个，带宽6MHz，色
14、度信号的取样点数量是亮度信号的一半360个，带宽3MHz。高清数字分量信号的4:2:2表示每行亮度信号的取样点数量是1920个，带宽30MHz，色度信号的取样点数量是亮度信号的一半960个，带宽15MHz。图12是4:4:4（RGB）的取样结构，在4:4:4的取样结构中RGB的取样点数量（也就是带宽和清晰度）是一样的。为了降低数字电视信号源的码率，电视制作时很少采用4:4:4的RGB全带宽取样结构，实际使用的大多是Y/B-Y/R-Y取样，并对B-Y/R-Y色度信号采用了亚取样处理，使其取样点数量少于亮度信号。图13示出了4:2:2的取样结构，色度信号在水平方向上的取样点数量是亮度信号的1/2。
15、在4:2:2:4中后面的4表示键控信号，其取样点数量与亮度信号相同，4:0:0表示每行电视信号中只有亮度信号。图14 是4:1:1的取样结构，色度信号在水平方向上的取样点数量是亮度信号的1/4 4:2:0表示色度信号的取样点数量在水平和垂直方向上都是亮度信号的1/2。不过在不同的技术标准中4:2:0的色度信号取样结构是不一样的，图15、图16和图17分别示出了MPEG-2、MPEG-1/DV以及DVB的4:2:0取样结构。图18是用像素数量表示的标清电视不同取样结构示意图，图19是用相同方式表示的高清取样结构，图20是目前市场上各种实用高清产品的取样结构。从图20中可以看到HDCAM的3:1:
16、1和HDV/XDCAM HD的3:1.5:0。HDCAM是目前市场上广泛使用的高清拍摄/制作设备，每行亮度信号的取样点数量是1440，色度信号是480。如果把ITU的高清取样点数量1920:960:960称为4:2:2，那么很显然可以把HDCAM的1440:480:480称为3:1:1。为便于与其他取样结构比较，图21示出了3:1:1的取样结构图。HDV/XDCAM HD的亮度取样点数量是1440，色度为720，色度信号垂直方向上的取样点数量是亮度的一半，仿照4:2:0的说法可以称之为3:1.5:0，或叫做基于1440的4:2:0。不过，在3:1:1或3:1.5:0的取样结构中亮度信号就不是方
17、形像素了。取样结构小结把4:4:4经预滤波、亚取样转变成 4:2:2、4:1:1、3:1:1、4:2:0或3:1.5:0 （基于1440的4:2:0）的目的是用不压缩的方法通过降低彩色分辨率的方式降低数字电视信号的码率。 量化量化就是把电视信号在电平（幅度）轴上离散化，用有限的灰度阶表现无限的灰度。量化的比特越高传输电平的精度越高，只要了解了量化比特数就知道了该系统所能达到的最高信噪比。印刷、数字影像以及电视行业的经验表明，8比特（256灰度阶）是再现图像连续灰度的最低要求，低于8比特时人眼就会分辨出灰度层级中的灰度差，呈现版画感。高质量记录和制作需要10比特（1024灰度阶）。 数字电视格式
18、的表示法 在不同的文献资料中可以看到很多数字电视格式表示法。SMPTE的表示法 在SMPTE文件中1920 x 1080/60/I表示每行取样点数量1920，每帧有效扫描行数1080，刷新频率60Hz，隔行扫描。1280 x 720/60/P表示每行取样点数量1280，每帧有效扫描行数720，刷新频率60Hz，逐行扫描。最后的字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐行（Progressive）扫描。EBU的表示法 在EBU文件中1920 x 1080/I/25（简化表示为1080/I/25）表示每行取样点数量1920，每帧有效扫描行数1080，25帧（50场）隔行扫描。1280 x
19、720/P/50表示每行取样点数量1280，每帧有效扫描行数720，50帧逐行扫描。中间的字母I表示隔行（Interlace）扫描，P表示逐行（Progressive）扫描。在EBU表示法中最后的数字25表示帧频，而在SMPTE表示法中第三位数字50表示刷新频率，因此EBU的1920 x 1080/I/25与SMPTE的1920 x 1080/50/I含义完全相同，有时容易造成误解。简化表示法 因为SMPTE的表示法比较长，为求简便在很多文件中经常把SMPTE表示法简化使用。例如1920 x 1080/60/I表示为1080/60i，1280 x 720/60/P表示为720/60P。采用简化
20、表示法美国的NTSC可表示为480/60i，欧洲和中国的PAL可表示为576/50i，这是目前使用最多的表示法。其它表示法 目前数字电视格式并没有统一的表示法，因此在各种文献中也经常可以见到其它的表示法。例如，已知帧/场频时用1080i、720P表示有效扫描线数和扫描方式，已知扫描线数时用50i或60P表示帧/场频和扫描方式。有些资料用1080/50/2:1表示1080/50i，720/60/1:1表示720/60P。有时用代替/，如108060i，72060P。有的文件用扫描线总数代替有效扫描线，如1125/60i，750/60P，625/50i，525/60i。欧洲经常用1080i25或1
21、080i/25表示帧频25Hz的隔行扫描，这是从EBU表示法简化来的，相当于一般简化表示法的1080/50i。同样地，在欧洲也经常用720p50表示720/50P。1080/50i有时被表示为1080i50或1080i/50Hz。数字电视信号的码率 码率是在单位时间内系统所能达到的最大数据量。传输数字电视信号时信道设备（如矩阵、光端机等）的带宽必须大于通过该通道的码率。标准清晰度数字电视信号的码率 在ITU-R601数字电视标准中，采用10比特量化时亮度信号的码率为取样频率x量化比特数 = 13.5（MHz）x 10（Bit）= 135 Mbps2个色差信号的码率为2 x 6.75（MHz）x
22、 10（Bit）= 135 Mbps总的码率为亮度信号码率+色差信号码率 = 135 + 135 = 270 Mbps270Mbit/S是标清数字分量演播室使用的SDI接口标准码率。高清晰度数字电视信号的码率 在SMPTE 274M数字电视标准中，采用10比特量化时亮度信号的码率为取样频率x量化比特数 = 74.25（MHz）x 10（Bit）= 742.5Mbps2个色差信号的码率为2 x 37.125（MHz）x 10（Bit）= 742.5Mbps总的码率为亮度信号码率+色差信号码率 = 742.5 + 742.5 = 1485Mbps从上述计算中可以看到，高清晰度电视的码率是标准清晰度
23、电视的5.5倍。1485Mbps是高清晰度数字分量演播室使用的HD-SDI接口标准码率。数字电视信号的有效码率 有效码率（视频有效码率）是在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信息，所以有效码率一般只是码率的60-80%。使用磁带、硬盘或光盘存储数字视频信号时可以只记录有效码率代表的视频信息。标准清晰度数字电视信号的有效码率 在ITU-R601数字电视标准中，采用8比特量化时480/60i（NTSC）亮度信号的有效码率为每行的取样点数 x 有效扫描行数 x 量化比特数 x 帧频= 720 x 480 x 8 x 30 = 82.944Mbps2个色差信
24、号的有效码率为2 x 360 x 480 x 8 x 30 = 82.944Mbps总的有效码率为亮度信号有效码率+色差信号有效码率= 82.944 + 82.944 = 165.888Mbps（480/60i）576/50i（PAL）总的有效码率为720 x 576 x 8 x 25 x 2 = 165.888Mbps（576/50i）从上述计算可以看到由于480/60i的有效扫描行数少场频高而576/50i的有效扫描行数多场频低，实际上两种信号的有效码率是相同的。 高清晰度数字电视信号的有效码率 在SMPTE 274M数字电视标准中，采用8比特量化时1080/60i 信号格式亮度信号的有效
25、码率为1920 x 1080 x 8 x 30 = 497.664Mbps2个色差信号的有效码率为2 x 960 x 1080 x 8 x 30 = 497.664Mbps总的有效码率为2 x 497.664 = 995.328Mbps（1080/60i）1080/50i 信号格式的有效码率为1920 x 1080 x 8 x 25 x 2 = 829.44Mbps（1080/50i）因为ITU推荐的高清晰度电视标准无论帧频高低每帧内的有效扫描行数和每行内的有效取样点数相同，所以1080/60i的有效码率是1080/50i的1.2倍。与标准清晰度电视相比1080/60i的有效码率是480/60
26、i （NTSC）的6倍，1080/50i的有效码率是576/50i （PAL）的5倍。 NTSC国家和地区的59.94i 由于历史的原因电视的场或帧频一般都是与当地电网频率相同的。在电源频率为60Hz的美国播出黑白电视时其场频也是60Hz，与电网频率相同，但开始NTSC彩色电视广播后其场频改为59.94Hz，降低了千分之一。改变场频的原因是NTSC的彩色副载波频率采用了1/2行频间置，为了避免彩色副载波与亮度信号和音频载波之间的相互干扰，各种频率之间必须满足下述关系： 彩色副载波是二分之一行频的整倍数（1/2行频间置） 音频载波是行频的整倍数 为满足NTSC彩色信号与原黑白电视信号的兼容性要求
27、，音频载波频率4.5 MHz不能更改，因此 行频取 4.5MHz / 286 = 15,734 Hz（与黑白电视的15,750 Hz相近） 帧频取 15734 / 525 = 29.97 Hz（与黑白电视的30 Hz相近） 场频取 29.97 x 2 = 59.94 Hz（与黑白电视的60 Hz相近） 所有频率均同比下降千分之一（F / 1.001） 在采用NTSC的国家和地区（如美国和日本）为满足标准清晰度与高清晰度电视信号相互转换的要求，高清晰度电视采用了与NTSC相同的场频59.94Hz，因此与60Hz相比所有相关频率均同比下降千分之一，例如 取样频率由74.25 MHz下降为74.25
28、 MHz / 1.001 = 74.176 MHz 行频由67.5 KHz下降为67.5 KHz /1.001 = 67.433 KHz 场频由60 Hz下降为60 Hz /1.001 = 59.94 Hz频率降低了千分之一后应称为59.94i，但习惯上仍经常称为60i。与NTSC相同，编辑1080/59.94i格式的高清晰度信号时需按失落帧方式处理。 在NTSC国家和地区进行电影/电视转换时由于60i的场频降低了千分之一，与此相对应24P的帧频也降低为23.976 Hz，但用于电影制作时仍然采用24P而非23.976P。 逐行扫描和隔行扫描 电视采用扫描的方法把两维静止画面分解成若干行一维的
29、扫描线，构成一幅完整画面的全部扫描线叫电视帧。最简单的扫描方式是逐行扫描，每帧图像由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，下一帧扫描线的位置与上一帧完全相同。为了在有限的带宽资源条件下提高图像刷新率，标清电视采用了2:1隔行扫描。2:1隔行扫描是把一帧电视画面分两次交错扫描，下一场扫描线的位置与上一场相差一行，在空间上两个相邻电视场的扫描线位置相隔一行。逐行扫描的优点是有利于图形和图像的计算机处理，没有隔行扫描所特有的场间闪烁感，长时间观看眼睛不易疲劳，它的缺点是与相同垂直扫描频率的隔行扫描方式相比数据量大一倍。目前数字电影的拍摄和放映、计算机显示以及部分数字电视的制作和播出采用逐行扫描。隔行
30、扫描的优点是与相同垂直扫描频率的逐行扫描方式相比数据量只有逐行的一半，缺点是场间闪烁感觉明显，不利于图形和图像的计算机处理，长时间观看眼睛容易疲劳。与标清时代隔行扫描一统天下的局面不同，高清电视从诞生之日起就采用了逐行与隔行两种扫描方式。高清电视采用逐行扫描拍摄和制作的原因之一是拍摄和显示器件的逐行化。近年来随着显示屏幕尺寸的扩大，显像管类的传统显示器件正在逐步让位给等离子显示屏（PDP）和液晶显示屏（LCD）这样的平板显示器件，采用LCD或DLP芯片的投影显示设备也有了长足的发展。显像管的光栅是通过电子束扫描形成的，这种灵活的扫描寻址方式不需要逐一驱动每个像素，因此既适用于隔行也适用于逐行显
31、示。PDP、LCD、DLP的图像显示原理与显像管完全不同，他们是有限像素的面阵列显示器件，这种采用XY寻址的显示方式需要逐一驱动每个像素单元，不论输入信号是何种扫描方式也不论他们的清晰度高低都要被转换成与显示面板物理像素数量相同的清晰度显示，因此这类新型的平板显示器件更适于显示逐行扫描信号。实际上采用PDP、LCD、DLP等器件的电视显示的都是逐行扫描图像，即使输入的是隔行扫描信号也会在显示驱动电路中转换成逐行扫描。因此，也可以把PDP、LCD、DLP等称为逐行扫描显示器件。如果在拍摄、制作和显示等环节都采用逐行扫描方式，就可以避免信号的隔行、逐行转换带来的图像质量损失。 Psf 逐行分段传输 逐行扫描信号的传输方式有两种，一种是一帧一帧地传输逐行扫描信号，另一种是把一帧逐行扫描的电视信号分成奇数场和偶数场分别传送，即Progressive segmented frame -逐行分段传输，缩写为Psf。Psf是一种用隔行扫描接口传送逐行扫描信号的传输方式，由于Psf的信号传输结构与隔行扫描相同，因此采用Psf传输可以使逐行扫描信号与大部分只支持隔行扫描格式的记录、制作和显示设备兼容。例如用1080/25P拍摄的图像如果采用逐行扫描的25P传输，
