數字視頻分量編碼

在廣播電視行業中，數字電視是一項全新的系統概念，它包含了從攝制，發送，傳輸到接收的全過程，都使用數字技術（也就是信號全用0和1表示）的電視系統，數字技術取代模擬技術也成為不可動搖的事實，數字電視節目容量巨大，畫面更清晰，是模擬電視節目無法比擬的。根據CCIR601建議的電視演播室的編碼標準，它對彩色電視信號的編碼方式、取樣頻率、取樣結構都作了明確的規定，接下來本文就數字視頻分量編碼取樣格式的問題做一簡要的介紹。

1.視頻信號的編碼方式

在數字電視中，首先是要將模擬電視信號轉換成數字信號，彩色電視信號所用的PCM編碼（脈沖編碼調制）方式有兩種：即復合編碼和分量編碼。復合編碼是將模擬的全電視信號直接進行模數轉換，以形成數字式全電視信號（碼率低、有干擾）；而分量編碼則是分別對亮度信號Y和色差信號Cr、Cb進行模數轉換，然后將這些信號并路合成為數字式全電視信號（碼率高、質量高）。

復合編碼是將復合彩色信號直接編成PCM形式，復合編碼的優點是碼率低些，設備較簡單，適用于在模擬系統中插入單個數字設備的情況。復合編碼的缺點由于數字電視的抽樣頻率必須與副載頻保持一定的關系，而各種制式的副載頻各不相同，難以統一，采用復合編碼時由抽樣頻率和副載頻間的差拍造成的干擾將影響圖像的質量。

分量編碼是將本基色信號R、G、B分量或亮度和色差信號Y、Cr（R-Y）、Cb（B-Y）分別編碼成PCM形式。

分量編碼的特點：編碼與原模擬信號制式無關，采用分時復用方式，避免了亮色串擾；在分量編碼中，亮度信號用較高的碼率傳送，兩個色差信號的碼率可低一些，但總的碼率比較高，設備價格相應較貴。

復合編碼早雖然實用簡單，但是分量編碼消除了電視制式的差別，使三大電式制式在數字電視上得到了統一，為國際間電視節目交流提供了方便，分量編碼方式已經成為世界統一的數字編碼標準。

2.數字視頻信號分量編碼格式

電視模擬信號有3種制式，即NTSC、PAL和SECAM、這3種制式以掃描方式來分又可分為625行/50場和525行/60場兩種系統。

模擬視頻信號要轉換成數字信號，在編碼時首先要對模擬信號進行采樣，根據奈奎斯特取樣定理：對于一個最高頻率為fm的模擬信號，當選取的取樣頻率fS≥2fm時，經過取樣后的離散信號序列能夠包含模擬信號的全部信息，并能通過反轉換和低通濾波不失真地恢復出原模擬信號。

根據取樣定理，為了防止頻譜混疊失真，分量編碼Y、Cr和Cb必須滿足奈奎斯特取樣定律，根據CCIR601建議亮度信號Y的抽樣頻率為525行/60場和625行/50場兩系統行頻最小公倍數2.25MHz的6倍，即以13.5MHz進行取樣，現行的電視制式，亮度信號的最大帶寬是6MHz，13.5MHz>2*6MHz，滿足奈奎斯特定理，經處理后每個有效行內都取720個亮度信號樣值，兩個色差信號Cr和Cb的抽樣頻率均為亮度信號的一半，即6.75MHz，在每個有效行內，Cr和Cb的取樣點數也分別是亮度信號樣值點數的一半，即各取360個，同理Cr和Cb兩個色差信號的抽樣頻率也符合奈奎斯特定理，上述即為數字電視演播室數字化分量編碼標準。

3.數字視頻的取樣格式

我們看到，分量編碼后的三個量值，亮度信號Y和兩個色差信號Cr和Cb。而對兩個色差信號Cr和Cb的取值不同可分為這么幾種格式4：4：4，4：2：2，4：1：1，4：2：0；第一位數值表示亮度Y分量樣本的數量，后兩個值分別表示兩個色差分量Cr和Cb樣本的數量，下面簡單的介紹一個下面幾種格式：

①4：4：4這種取樣格式，是指亮度信號Y和兩個色差信號Cr和Cb取樣頻率均為13.5MHz，且取樣結構完全相同，即在每條掃描線上，每四個連續的取樣點取四個亮度Y樣本、四個紅色差Cr樣本和四個藍色差Cb樣本，就這相當于每個像素用三個樣本表示，雖然這種格式信息量很大，色彩質量高，但對信號處理質量要求需較高的設備。

②4：2：2指在每條掃描線上每4個連續取樣取4個亮度Y樣本，2個紅色差Cr樣本和2個藍色差Cb樣本，亮度信號取樣頻率為13.5MHz，兩個色差信號取樣頻率均為6.75MHz。如圖2所示。

如表1所示，這種格式廣泛應用于演播室節目制作和傳輸中，仍然是質量相當高的色度抽樣方法，他比較完整的保留了模擬視頻信號的原始信息，大多數標準清晰度高端數字視頻格式采用這一比率，4：2：2是CCIR601建義的格式。

③4：1：1取樣格式是指在每條掃描線上每4個連續的取樣點，取4個亮度信號Y樣本，一個紅色差Cr樣本和一個藍色差Cb樣本，亮度信號和兩個色差信號的取樣頻率，分別為13.5MHz、3.375MHz、3.375MHz、Y、Cr和Cb的比值為4；1；1，在數據傳送時每一行傳送亮度值Y為720個，色差樣值Cr和Cb各180個。Cr和Cb的樣值總和為360個。

④4：2：0取樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續的取樣點上取2個亮度信號Y樣本，一個紅色差Cr樣本和一個藍色差Cb樣本，亮度信號取樣頻率為13.5MHz兩個色差信號Cr和Cb都以6.75MHz的頻率取樣，這一點同4：2：2格式相同，但在數據傳送時，除亮度信號數值為720個外，每一行只傳送兩個色差信號Cr和Cb其中的一種，其樣值也為360個，兩種色差樣值每行交替傳送。這就是通常所說的4：2：0取樣格式，在這里我們要注意Cr和Cb取樣的起點和Y是相同的，4：2：0中的0它表示的是兩種色差值在傳送時是每行交替進行的，而絕不是有一個色差信號不取樣，這點比較容易被人誤解。

4.4：1：1與4：2：0格式的區別

4：1：1格式在每一個有效行內都有亮度樣值720個，色差樣值Cr和Cb各180個；而4：2：0格式在每一個有效行內，除有亮度樣值720個外，只有色差樣值Cr或Cb其中的一種360個出現，在相鄰的有效行之間Cr、Cb交替出現，這是4：1：1和4：2：0的不同之處。

從圖4中可以看出4：2：0并非Cb取樣為零而是和4：1：1相比，在水平方向上提高1倍色差采樣頻率，但在垂直方向上以Cr、Cb間隔的方式減小一半色差采樣。4：2：0在垂直方向上犧牲了彩色清晰度，而4：1：1則在水平方向上犧牲了彩色清晰度。各有優勢，4：2：0在顯示方面有一定優勢，因為人眼對水平方向上的細節更敏感一些，而4：1：1在多代復制性能上表現得更加突出一些。

4：2：2是CCIR601建議的格式，它比較完整的保留了模擬視頻信號的原始信息，而4：1：1和4：2：0這兩種格式相對于4：2：2格式來說，隨著色差信號取樣頻率減半帶寬也隨之減半，這樣便可以大量的節省帶寬，但是它的缺點也是顯而易見的，彩色信號帶寬信息減半，場取樣比減半，導致了后期制作中的一些重要信號信息的丟失，如色鍵等。因此這兩種非標準取樣格式而產生的彩色數字電視信號就不再適合做高質量的多代編輯，但是用于普通的新聞采訪和窄帶傳輸還是很好的。4：2：2格式同4：1：1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。

參考文獻

[1]視頻信號編碼方式與演播室編碼標準.

[2]20090901第五章數字視頻與壓縮編碼（簡化版）.

作者簡介：宋超英（1958—），男，河南洛陽人，安徽廣播電視臺中級工程師。