广播电视设备的数字格式

随着电子技术、数字技术和计算机技术的迅速发展,广播电视系统设备的数字化、网络化发展日新月异,令人始料不及。1998年11月美国开始数字电视广播,计划2006年将全面实现数字电视广播并全部收回模拟电视的NTSC频道,西欧和日本等发达国家也都制定了各自的数字电视广播计划。我国的数字电视广播HDTV已于1998年9月在中央电视塔上进行广播试验,并将于2000年正式试播。数字电视的时代即将到来,模拟电视终将被数字电视所取代。所以广播电视技术工作者急需知识更新。今年上半年北京广播学院举办了《数字电视》远程教学,学习中我作为辅导员发现许多同志对电视设备的数字格式理解不深,现把广播电视设备的数字格式做一简单介绍。

  格式是指表达、记录图像信息的方式,如视频标准中最基本的参数是扫描格式,规定了每行像素数、每帧行数、每秒场数和帧数。录像机的记录方式也称为格式,如D1、 D5格式,DVCAM格式,DVCPRO及Digital-S格式等。

  模拟电视存在着许多难以克服的缺陷:多次传输或复制后会形成噪声积累,信号的线性、非线性失真,亮色互扰,行间闪烁,爬行,微分相位和微分增益失真等等,致使图像质量不断下降。但这些缺陷大多可通过将模拟信号转变为数字信号进行处理、存储、控制和传输来解决。为了用数字处理和传输电视信号,首先要将模拟电视信号数字化,即对电视信号进行抽样、量化和编码。

  电视信号是通过摄像机对自然景物的扫描并经光电转换形成的。对于PAL制,扫描后的图像每秒包含25帧,1帧分为两场,每场有效行为287.5行,这就是说电视信号一经产生,实际上已对自然景物在时间轴及图像垂直方向上完成抽样,留给数字电视系统的是如何在水平方向上完成抽样和量化。

1 CCIR 601建议所确定的数字分量编码4∶2∶2标准

  (1)抽样频率的选择
  电视信号数字化抽样频率的选择首先应满足奈奎斯特抽样定理,即抽样频率至少要等于视频带宽的两倍。对于数字分量编码,CCIR 601建议亮度抽样频率为525/60和 625/50三大制式行频公倍数2.25MHz的6倍,即13.5MHz。对现行电视制式而言,亮度信号的最大带宽是6MHz,13.5MHz>2×6MHz=12MHz,所以它符合奈奎斯特定理。而色差信号的带宽比亮度信号窄得多,所以在分量编码时两个色差信号的抽样频率可以低一些。因同时考虑到抽样的样点结构应满足正交结构要求,两个色差信号的抽样频率均选为亮度信号抽样频率的一半,即6.75MHz,这样亮度信号与两个色差信号的抽样频率之比为 4∶2∶2。

  (2)数字分量视频信号有效行取样点数的确定
  每行数字分量信号的取样点数为:
  对于625行/50场制式:
  每行亮度取样点=13.5Mhz/15625Hz=864点/行
  每行每个色度取样点=6.75Mhz/15625Hz=432点/行
  对于525行/60场制式:
  每行亮度取样点=13.5Mhz/15734.266Hz=858点/行
  每行每个色度取样点=6.75Mhz/15734Hz=429点/行

  可见,这两种制式选用了相同的抽样频率,但每行取样点数却不相同。所以把两者取样点数之差别放在数字有效行以外的部分,而使每个数字有效行内的取样点数相同。

  CCIR 601建议两种制式有效行内的取样点数亮度信号取720个,两个色差信号各取360 个,即每个数字有效行包括720个亮度数据和720个色度数据(两个色度各360个),这样就统一了数字分量编码标准,使三种不同制式便于转换和统一。所以有效行亮度信号与两个色差信号的取样点数之比也为4∶2∶2(720∶360∶360)。

  上述两点即为获取高质量的后期制作由CCIR 601建议所确定的数字分量编码标准:

亮度信号的抽样频率为13.5MHz,每个色差信号的抽样频率为6.75MHz,其抽样频率之比为4∶2∶2,或者说,每数字有效行亮度信号的取样点数是720个,每个色差信号的取样点数是360个,其取样点数之比也为4∶2∶2,这就是数字分量编码的4∶2∶2标准,也称为4∶2∶2格式。用作演播室数字设备及其联接或国际节目交换时的数字化标准。

  (3)4∶1∶1与4∶2∶0格式

  除了标准的4∶2∶2格式之外,还有将色差信号的抽样频率取为3.375MHz的较低标准的4∶1∶1和4∶2∶0格式。另外还有为适合更高图像质量要求而将色差信号抽样频率取为13.5MHz的更高标准的4∶4∶4格式。这里只对4∶2∶2格式与4∶1∶1和4∶2∶0格式数字取样结构进行比较。

  4∶1∶1和4∶2∶0格式不仅色差信号的取样频率相对于4∶2∶2格式来说减半,而且使场取样比减半,丢失了后期制作中的一些重要信号信息,如色键。由于彩色信号带宽信息的减半,此信号也就不再适合作高质量的多代编辑。然而,对于普通的新闻采访和窄带传输编码可采用4∶1∶1或4∶2∶0非标准取样方式,结果是牺牲带宽换得节省设备费用的益处。4∶2∶2格式同4∶1∶1规格及4∶2∶0格式系统相比,其高质量视频图像的效果是显而易见的。

2 数字录像机格式

  录像机是电视节目制作的基本工具,磁带录像机的发展历程也是从模拟信号形态过渡到数字信号形态的。由于视频信号处理有4∶2∶2、4∶1∶1、4∶2∶0格式之分,压缩方式有场内DCT、帧内DCT和MPEG-2之分,码率压缩比不同,记录码率有200Mbps左右、90Mbps左右、25Mbps和50Mbps之分,磁带宽度有3/4、1/2、1/4英寸以及MP与ME之分等等,数字录像机的格式十分多样。例如,不压缩的D1、D5格式,2∶1压缩的 Digital Betacam格式,5∶1压缩的DVCPRO(D7)和DVCAM格式,10∶1压缩的Betacam SX 格式,3 3∶1压缩的DVCPRO 50和Digital-S(D9)格式等等。

  (1)Betacam SX格式

  该格式系列产品的数字一体化摄录机及数字视频磁带录像机采用先进的MPEG-2 4∶2∶2 P@ML压缩算法,压缩比10∶1,可录制8bit 4∶2∶2数字分量视频信号,并可记录重放4通道16bit不压缩数字音频信号,使用1/2英寸金属粒子带,还可兼容重放模拟信号的Betacam和Betacam SP格式带(DNW-A65P和DNW-A75P提供),从而使Betacam SX向全数字化环境过渡更经济合理。

  (2)DVCPRO及DVCPRO 50格式

  1DVCPRO格式 图像处理中采用大量标准的4∶1∶1格式,即取样频率的亮度fy=13.5MHz,色差fPB、R=3.375MHz。实际上DVCPRO的视频信号输入为4∶2∶2格式,经 4∶1∶1转化后进行记录,重放时对4∶1∶1离带信号进行内插重新形成4∶2∶2格式信号输出。从数据率看,4∶2∶2格式的净数据率为〔(720+2×360) ×576×8〕×25≈165.9Mbps,转换成4∶1∶1后为〔(720+2×180) ×576×8〕×25≈124.4Mbps,压缩成25Mbps进行记录,需要的压缩比为 124.4Mbps/25Mbps≈5∶1。使用1/4英寸MP磁带,还可同时记录4通道16bit数字音频信号。

  2DVCPRO 50格式为标准的4∶2∶2输入和输出,内部处理也是4∶2∶2格式,视频数据率为50Mbps,压缩比=165.9Mbps/50Mbps≈3 3∶1,确保了高画质图像,为高档次广播级数字录像机。也使用1/4英寸MP磁带,而且能够以DVCPRO格式记录并可重放DVCPRO格式记录的节目磁带。

  (3)Digital-S(D9)格式

  该格式录像机采用4∶2∶2格式8bit量化处理,并采用基于DCT的帧内编码和50Mbps 视频码率,3 3∶1压缩比,满足CCIR 601模拟信号数字化的国际专业标准,确保了多代复制后的图像高清晰度和色彩效果。使用1/2英寸高密度金属涂敷带。

3 基于MPEG-2视频

压缩标准编码的视频格式参数比较

  以上介绍的是常规清晰度电视(SDTV)格式,它终将被新一代全数字高清晰度电视 (HDTV)所取代,下面以表格方式将SDTV与HDTV的视频格式参数做一简单比较。(参看《广播电视信息》2000.3第54页)。

  几点说明:

  1MPEG-2是一种对通用的活动图像及其相关音频的编码方法,是至今为止最重要的视频压缩国际标准,适用于SDTV、HDTV视频压缩编码。MPEG-2的视频格式分为4级:低级视频格式、主级视频格式、高级窄屏幕视频格式、高级宽屏幕视频格式。各级视频格式按每帧行数、帧频和像素速率的不同分为5类,详细内容请查阅相关资料。
  2本表采用4∶2∶2视频分量编码格式,8bit均匀量化。
  3根据MPEG-2的类和级中各视频格式编码的最大输出码率,可算出最小压缩比,而且取样格式不同,视频码率及压缩比也不相同。

 a 4∶2∶2格式

  SDTV像素速率为:
(720×576+2×360×576)×25 =(720×480+2×360×480)×30 =20.736兆像素/秒
  码率=20.736兆像素/秒×8bit=165.888Mbps
  主级视频格式中最高传输码率为15Mbps,则最小压缩比 =165.888Mbps/15Mbps=11.06。
  窄屏HDTV像素速率为:
  (1440×1152+2×720×1152)×25=(1440×960+2×720×960)×30=82.944兆像素/秒
  码率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps。

  1440高级类的最高传输码率为60Mbps,则最小压缩比=663.552Mbps/60Mbps=11.06
  宽屏HDTV像素速率为:
  (1920×1152+2×960×1152)×25=(1920×960+2×960×960)×30=110.592兆像素/秒
  码率=110.592兆像素/秒×8bit=884.736Mbps
  高级类的最高传输码率为80Mbps,则最小压缩比=884.736Mbps/80Mbps=11.06
  b 因为人眼对色度清晰度不太敏感,为了降低码率可采用4∶2∶0格式,这时各视频格式的码率及最小压缩比:
  SDTV像素速率为:
(720×576+2×360×288)×25 =(720×480+2×360×240)×30=15.552兆像素/秒
  码率=15.552兆像素/秒×8bit=124.416Mbps
压缩比=124.416Mbps/15Mbps=8.29
  窄屏HDTV像素速率为:
  (1440×1152+2×720×576)×25=(1440×960+2×720×480)×30=62.208兆像素/秒
  码率=62.208兆像素/秒×8bit=497.644Mbps
压缩比=497.664Mbps/60Mbps=8.29
  宽屏HDTV像素速率为:
  (1920×1152+2×960×576)×25=(1920×960+2×960×480)×30=82.944兆像素/秒
  码率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps
压缩比=663.552Mbps/80mbps=8.29

  4DVCAM系列产品、Ditital-S系列产品及DVCPRO50系列产品均具有用于宽屏图像录制和编辑的16∶9格式与4∶3格式宽高比切换功能,可用来提供16∶9宽屏图像,以适应下一代16∶9格式HDTV的发展。而且在BIRTV’99展览会上,Sony公司推出了HDCAM系列及松下电器推出了DVCPRO HD系列,用于下一代HDTV的ENG和节目制作。(作者:李顺芳)