在廣播電視行業(yè)中，數(shù)字電視是一項全新的系統(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)也成為不可動搖的事實，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.視頻信號的編碼方式

在數(shù)字電視中，首先是要將模擬電視信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，彩色電視信號所用的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直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將這些信號并路合成為數(shù)字式全電視信號（碼率高、質(zhì)量高）。

復(fù)合編碼是將復(fù)合彩色信號直接編成PCM形式，復(fù)合編碼的優(yōu)點是碼率低些，設(shè)備較簡單，適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個數(shù)字設(shè)備的情況。復(fù)合編碼的缺點由于數(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(guān)，采用分時復(fù)用方式，避免了亮色串?dāng)_；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(shè)備價格相應(yīng)較貴。

復(fù)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(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(tǒng)。

模擬視頻信號要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在編碼時首先要對模擬信號進(jìn)行采樣，根據(jù)奈奎斯特取樣定理：對于一個最高頻率為fm的模擬信號，當(dāng)選取的取樣頻率fS≥2fm時，經(jīng)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(zhuǎn)換和低通濾波不失真地恢復(fù)出原模擬信號。

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)處理后每個有效行內(nèi)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(nèi)，Cr和Cb的取樣點數(shù)也分別是亮度信號樣值點數(shù)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(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(shù)值表示亮度Y分量樣本的數(shù)量，后兩個值分別表示兩個色差分量Cr和Cb樣本的數(shù)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(jié)構(gòu)完全相同，即在每條掃描線上，每四個連續(xù)的取樣點取四個亮度Y樣本、四個紅色差Cr樣本和四個藍(lán)色差Cb樣本，就這相當(dāng)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(zhì)量高，但對信號處理質(zhì)量要求需較高的設(shè)備。

②4：2：2指在每條掃描線上每4個連續(xù)取樣取4個亮度Y樣本，2個紅色差Cr樣本和2個藍(lán)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(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個連續(xù)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(lán)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(shù)據(jù)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(xù)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(lán)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(shù)據(jù)傳送時，除亮度信號數(shù)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?zhèn)魉汀＿@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(jìn)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(qū)別

4：1：1格式在每一個有效行內(nèi)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(nèi)，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(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，因為人眼對水平方向上的細(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(jié)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)取樣格式而產(chǎn)生的彩色數(shù)字電視信號就不再適合做高質(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，安徽廣播電視臺中級工程師。