数字视频分量编码

在广播电视行业中，数字电视是一项全新的系统概念，它包含了从摄制，发送，传输到接收的全过程，都使用数字技术（也就是信号全用0和1表示）的电视系统，数字技术取代模拟技术也成为不可动摇的事实，数字电视节目容量巨大，画面更清晰，是模拟电视节目无法比拟的。根据CCIR601建议的电视演播室的编码标准，它对彩色电视信号的编码方式、取样频率、取样结构都作了明确的规定，接下来本文就数字视频分量编码取样格式的问题做一简要的介绍。

1.视频信号的编码方式

在数字电视中，首先是要将模拟电视信号转换成数字信号，彩色电视信号所用的PCM编码（脉冲编码调制）方式有两种：即复合编码和分量编码。复合编码是将模拟的全电视信号直接进行模数转换，以形成数字式全电视信号（码率低、有干扰）；而分量编码则是分别对亮度信号Y和色差信号Cr、Cb进行模数转换，然后将这些信号并路合成为数字式全电视信号（码率高、质量高）。

复合编码是将复合彩色信号直接编成PCM形式，复合编码的优点是码率低些，设备较简单，适用于在模拟系统中插入单个数字设备的情况。复合编码的缺点由于数字电视的抽样频率必须与副载频保持一定的关系，而各种制式的副载频各不相同，难以统一，采用复合编码时由抽样频率和副载频间的差拍造成的干扰将影响图像的质量。

分量编码是将本基色信号R、G、B分量或亮度和色差信号Y、Cr（R-Y）、Cb（B-Y）分别编码成PCM形式。

分量编码的特点：编码与原模拟信号制式无关，采用分时复用方式，避免了亮色串扰；在分量编码中，亮度信号用较高的码率传送，两个色差信号的码率可低一些，但总的码率比较高，设备价格相应较贵。

复合编码早虽然实用简单，但是分量编码消除了电视制式的差别，使三大电式制式在数字电视上得到了统一，为国际间电视节目交流提供了方便，分量编码方式已经成为世界统一的数字编码标准。

2.数字视频信号分量编码格式

电视模拟信号有3种制式，即NTSC、PAL和SECAM、这3种制式以扫描方式来分又可分为625行/50场和525行/60场两种系统。

模拟视频信号要转换成数字信号，在编码时首先要对模拟信号进行采样，根据奈奎斯特取样定理：对于一个最高频率为fm的模拟信号，当选取的取样频率fS≥2fm时，经过取样后的离散信号序列能够包含模拟信号的全部信息，并能通过反转换和低通滤波不失真地恢复出原模拟信号。

根据取样定理，为了防止频谱混叠失真，分量编码Y、Cr和Cb必须满足奈奎斯特取样定律，根据CCIR601建议亮度信号Y的抽样频率为525行/60场和625行/50场两系统行频最小公倍数2.25MHz的6倍，即以13.5MHz进行取样，现行的电视制式，亮度信号的最大带宽是6MHz，13.5MHz>2*6MHz，满足奈奎斯特定理，经处理后每个有效行内都取720个亮度信号样值，两个色差信号Cr和Cb的抽样频率均为亮度信号的一半，即6.75MHz，在每个有效行内，Cr和Cb的取样点数也分别是亮度信号样值点数的一半，即各取360个，同理Cr和Cb两个色差信号的抽样频率也符合奈奎斯特定理，上述即为数字电视演播室数字化分量编码标准。

3.数字视频的取样格式

我们看到，分量编码后的三个量值，亮度信号Y和两个色差信号Cr和Cb。而对两个色差信号Cr和Cb的取值不同可分为这么几种格式4：4：4，4：2：2，4：1：1，4：2：0；第一位数值表示亮度Y分量样本的数量，后两个值分别表示两个色差分量Cr和Cb样本的数量，下面简单的介绍一个下面几种格式：

①4：4：4这种取样格式，是指亮度信号Y和两个色差信号Cr和Cb取样频率均为13.5MHz，且取样结构完全相同，即在每条扫描线上，每四个连续的取样点取四个亮度Y样本、四个红色差Cr样本和四个蓝色差Cb样本，就这相当于每个像素用三个样本表示，虽然这种格式信息量很大，色彩质量高，但对信号处理质量要求需较高的设备。

②4：2：2指在每条扫描线上每4个连续取样取4个亮度Y样本，2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，亮度信号取样频率为13.5MHz，两个色差信号取样频率均为6.75MHz。如图2所示。

如表1所示，这种格式广泛应用于演播室节目制作和传输中，仍然是质量相当高的色度抽样方法，他比较完整的保留了模拟视频信号的原始信息，大多数标准清晰度高端数字视频格式采用这一比率，4：2：2是CCIR601建义的格式。

③4：1：1取样格式是指在每条扫描线上每4个连续的取样点，取4个亮度信号Y样本，一个红色差Cr样本和一个蓝色差Cb样本，亮度信号和两个色差信号的取样频率，分别为13.5MHz、3.375MHz、3.375MHz、Y、Cr和Cb的比值为4；1；1，在数据传送时每一行传送亮度值Y为720个，色差样值Cr和Cb各180个。Cr和Cb的样值总和为360个。

④4：2：0取样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的取样点上取2个亮度信号Y样本，一个红色差Cr样本和一个蓝色差Cb样本，亮度信号取样频率为13.5MHz两个色差信号Cr和Cb都以6.75MHz的频率取样，这一点同4：2：2格式相同，但在数据传送时，除亮度信号数值为720个外，每一行只传送两个色差信号Cr和Cb其中的一种，其样值也为360个，两种色差样值每行交替传送。这就是通常所说的4：2：0取样格式，在这里我们要注意Cr和Cb取样的起点和Y是相同的，4：2：0中的0它表示的是两种色差值在传送时是每行交替进行的，而绝不是有一个色差信号不取样，这点比较容易被人误解。

4.4：1：1与4：2：0格式的区别

4：1：1格式在每一个有效行内都有亮度样值720个，色差样值Cr和Cb各180个；而4：2：0格式在每一个有效行内，除有亮度样值720个外，只有色差样值Cr或Cb其中的一种360个出现，在相邻的有效行之间Cr、Cb交替出现，这是4：1：1和4：2：0的不同之处。

从图4中可以看出4：2：0并非Cb取样为零而是和4：1：1相比，在水平方向上提高1倍色差采样频率，但在垂直方向上以Cr、Cb间隔的方式减小一半色差采样。4：2：0在垂直方向上牺牲了彩色清晰度，而4：1：1则在水平方向上牺牲了彩色清晰度。各有优势，4：2：0在显示方面有一定优势，因为人眼对水平方向上的细节更敏感一些，而4：1：1在多代复制性能上表现得更加突出一些。

4：2：2是CCIR601建议的格式，它比较完整的保留了模拟视频信号的原始信息，而4：1：1和4：2：0这两种格式相对于4：2：2格式来说，随着色差信号取样频率减半带宽也随之减半，这样便可以大量的节省带宽，但是它的缺点也是显而易见的，彩色信号带宽信息减半，场取样比减半，导致了后期制作中的一些重要信号信息的丢失，如色键等。因此这两种非标准取样格式而产生的彩色数字电视信号就不再适合做高质量的多代编辑，但是用于普通的新闻采访和窄带传输还是很好的。4：2：2格式同4：1：1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。

参考文献

[1]视频信号编码方式与演播室编码标准.

[2]20090901第五章数字视频与压缩编码（简化版）.

作者简介：宋超英（1958―），男，河南洛阳人，安徽广播电视台中级工程师。