在廣播電視行業(yè)中，數(shù)字電視是一項(xiàng)全新的系統(tǒng)概念，它包含了從攝制，發(fā)送，傳輸?shù)浇邮盏娜^程，都使用數(shù)字技術(shù)（也就是信號(hào)全用0和1表示）的電視系統(tǒng)，數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)也成為不可動(dòng)搖的事實(shí)，數(shù)字電視節(jié)目容量巨大，畫面更清晰，是模擬電視節(jié)目無法比擬的。根據(jù)CCIR601建議的電視演播室的編碼標(biāo)準(zhǔn)，它對彩色電視信號(hào)的編碼方式、取樣頻率、取樣結(jié)構(gòu)都作了明確的規(guī)定，接下來本文就數(shù)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(hào)的編碼方式

在數(shù)字電視中，首先是要將模擬電視信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，彩色電視信號(hào)所用的PCM編碼（脈沖編碼調(diào)制）方式有兩種：即復(fù)合編碼和分量編碼。復(fù)合編碼是將模擬的全電視信號(hào)直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)字式全電視信號(hào)（碼率低、有干擾）；而分量編碼則是分別對亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)Cr、Cb進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將這些信號(hào)并路合成為數(shù)字式全電視信號(hào)（碼率高、質(zhì)量高）。

復(fù)合編碼是將復(fù)合彩色信號(hào)直接編成PCM形式，復(fù)合編碼的優(yōu)點(diǎn)是碼率低些，設(shè)備較簡單，適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個(gè)數(shù)字設(shè)備的情況。復(fù)合編碼的缺點(diǎn)由于數(shù)字電視的抽樣頻率必須與副載頻保持一定的關(guān)系，而各種制式的副載頻各不相同，難以統(tǒng)一，采用復(fù)合編碼時(shí)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(zhì)量。

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

分量編碼的特點(diǎn)：編碼與原模擬信號(hào)制式無關(guān)，采用分時(shí)復(fù)用方式，避免了亮色串?dāng)_；在分量編碼中，亮度信號(hào)用較高的碼率傳送，兩個(gè)色差信號(hào)的碼率可低一些，但總的碼率比較高，設(shè)備價(jià)格相應(yīng)較貴。

復(fù)合編碼早雖然實(shí)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(shù)字電視上得到了統(tǒng)一，為國際間電視節(jié)目交流提供了方便，分量編碼方式已經(jīng)成為世界統(tǒng)一的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)。

2.數(shù)字視頻信號(hào)分量編碼格式

電視模擬信號(hào)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(tǒng)。

模擬視頻信號(hào)要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在編碼時(shí)首先要對模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)奈奎斯特取樣定理：對于一個(gè)最高頻率為fm的模擬信號(hào)，當(dāng)選取的取樣頻率fS≥2fm時(shí)，經(jīng)過取樣后的離散信號(hào)序列能夠包含模擬信號(hào)的全部信息，并能通過反轉(zhuǎn)換和低通濾波不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)。

根據(jù)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(jù)CCIR601建議亮度信號(hào)Y的抽樣頻率為525行/60場和625行/50場兩系統(tǒng)行頻最小公倍數(shù)2.25MHz的6倍，即以13.5MHz進(jìn)行取樣，現(xiàn)行的電視制式，亮度信號(hào)的最大帶寬是6MHz，13.5MHz>2*6MHz，滿足奈奎斯特定理，經(jīng)處理后每個(gè)有效行內(nèi)都取720個(gè)亮度信號(hào)樣值，兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb的抽樣頻率均為亮度信號(hào)的一半，即6.75MHz，在每個(gè)有效行內(nèi)，Cr和Cb的取樣點(diǎn)數(shù)也分別是亮度信號(hào)樣值點(diǎn)數(shù)的一半，即各取360個(gè)，同理Cr和Cb兩個(gè)色差信號(hào)的抽樣頻率也符合奈奎斯特定理，上述即為數(shù)字電視演播室數(shù)字化分量編碼標(biāo)準(zhǔn)。

3.數(shù)字視頻的取樣格式

我們看到，分量編碼后的三個(gè)量值，亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb。而對兩個(gè)色差信號(hào)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(shù)值表示亮度Y分量樣本的數(shù)量，后兩個(gè)值分別表示兩個(gè)色差分量Cr和Cb樣本的數(shù)量，下面簡單的介紹一個(gè)下面幾種格式：

①4：4：4這種取樣格式，是指亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb取樣頻率均為13.5MHz，且取樣結(jié)構(gòu)完全相同，即在每條掃描線上，每四個(gè)連續(xù)的取樣點(diǎn)取四個(gè)亮度Y樣本、四個(gè)紅色差Cr樣本和四個(gè)藍(lán)色差Cb樣本，就這相當(dāng)于每個(gè)像素用三個(gè)樣本表示，雖然這種格式信息量很大，色彩質(zhì)量高，但對信號(hào)處理質(zhì)量要求需較高的設(shè)備。

②4：2：2指在每條掃描線上每4個(gè)連續(xù)取樣取4個(gè)亮度Y樣本，2個(gè)紅色差Cr樣本和2個(gè)藍(lán)色差Cb樣本，亮度信號(hào)取樣頻率為13.5MHz，兩個(gè)色差信號(hào)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(yīng)用于演播室節(jié)目制作和傳輸中，仍然是質(zhì)量相當(dāng)高的色度抽樣方法，他比較完整的保留了模擬視頻信號(hào)的原始信息，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)清晰度高端數(shù)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(gè)連續(xù)的取樣點(diǎn)，取4個(gè)亮度信號(hào)Y樣本，一個(gè)紅色差Cr樣本和一個(gè)藍(lán)色差Cb樣本，亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)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(shù)據(jù)傳送時(shí)每一行傳送亮度值Y為720個(gè)，色差樣值Cr和Cb各180個(gè)。Cr和Cb的樣值總和為360個(gè)。

④4：2：0取樣格式是指在水平和垂直方向上每2個(gè)連續(xù)的取樣點(diǎn)上取2個(gè)亮度信號(hào)Y樣本，一個(gè)紅色差Cr樣本和一個(gè)藍(lán)色差Cb樣本，亮度信號(hào)取樣頻率為13.5MHz兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb都以6.75MHz的頻率取樣，這一點(diǎn)同4：2：2格式相同，但在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，除亮度信號(hào)數(shù)值為720個(gè)外，每一行只傳送兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb其中的一種，其樣值也為360個(gè)，兩種色差樣值每行交替?zhèn)魉?。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(diǎn)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(shí)是每行交替進(jìn)行的，而絕不是有一個(gè)色差信號(hào)不取樣，這點(diǎn)比較容易被人誤解。

4.4：1：1與4：2：0格式的區(qū)別

4：1：1格式在每一個(gè)有效行內(nèi)都有亮度樣值720個(gè)，色差樣值Cr和Cb各180個(gè)；而4：2：0格式在每一個(gè)有效行內(nèi)，除有亮度樣值720個(gè)外，只有色差樣值Cr或Cb其中的一種360個(gè)出現(xiàn)，在相鄰的有效行之間Cr、Cb交替出現(xiàn)，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(yōu)勢，4：2：0在顯示方面有一定優(yōu)勢，因?yàn)槿搜蹖λ椒较蛏系募?xì)節(jié)更敏感一些，而4：1：1在多代復(fù)制性能上表現(xiàn)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(hào)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(hào)取樣頻率減半帶寬也隨之減半，這樣便可以大量的節(jié)省帶寬，但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，彩色信號(hào)帶寬信息減半，場取樣比減半，導(dǎo)致了后期制作中的一些重要信號(hào)信息的丟失，如色鍵等。因此這兩種非標(biāo)準(zhǔn)取樣格式而產(chǎn)生的彩色數(shù)字電視信號(hào)就不再適合做高質(zhì)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(tǒng)相比其高質(zhì)量視頻圖像的效果是顯而易見的。

參考文獻(xiàn)

[1]視頻信號(hào)編碼方式與演播室編碼標(biāo)準(zhǔn).

[2]20090901第五章數(shù)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(tái)中級(jí)工程師。