第一章 多媒体通信技术概述第二章 音频技术基础第三章 图像技术基础第四章 视频信息压缩与处理 第五章 多媒体通信系统中的关键技术 第六章 多媒体通信网络技术 第七章 多媒体数据的分布式处理 第八章 多媒体通信应用系统

本书章节

3.1 视觉特性 3.2 图像质量的评价 3.3 图像信号数字化3.4 电视技术基础

本章主要内容

第 3 章 图像技术基础

无论是电视系统，还是电影，其最终的目的都是为接收者提供视觉图像，因此图像质量与人眼的视觉特性有关。为了能够掌握图像通信的基础理论，因此本章将对人眼的视觉特性、图像的数字化过程、电视技术基础以及图像质量的评估等问题进行详细的介绍。

图形图形是指用计算机绘制的画面，而是指用计算机绘制的画面，而图像图像是指由是指由输入设备捕捉的实际场景画面。输入设备捕捉的实际场景画面。

图像能够以各种各样的形式出现，例如，可视的和不可视的，抽象的和实际的，适于计算机处理的和不适于计算机处理的。就其本质来说，可以将图像分为两大类：模拟图像和数字图像。将模拟图像信号经 A/D 变换后就得到数字图像信号，数字图像信号便于进行各种处理。

图像信号按其内容变化与时间的关系分类，主要包括静态图 像和动态图像两种；图像信号按其亮度等级的不同可分为二值图像和灰度图像；图像信号按其色调的不同可分为黑白图像和彩色图像；图像信号按其所占空间的维数不同可分为平面的二维图像和 立体的三维图像等等。

发射光及反射光发射光及反射光

反射光反射光

发射光发射光

发光物体呈现的颜色是由物体本身发出不同波长的光所造成；不发光物体呈现的颜色是光照射物体时被物体反射出的光所具 有的。

3.1 视觉特性

视觉灵敏度

人眼对不同波长的光所呈现的视觉感知是不同的，而且因人而异。为了了解人眼的视觉特性，因此国际照明委员会（ CIE ）特推荐标准视度曲线（人眼视觉光谱灵敏度曲线）

图 3-1 光谱灵敏度曲线

三基色原理 红、绿、蓝三色光可以混合成自然界的全部色彩，而这三色光本身相互独立，所以人们常常将红、绿、蓝称为色光三原色。从生理学上讲：人们眼睛的视网膜上存在着三种不同类型的锥体细胞，它们分别对红、绿、蓝有很高的灵敏度（对不同波长有不同的灵敏度），物体反射光进入人眼睛以后，在三种锥体细胞的作用下，产生不同颜色的光感。这就是三刺激理论，又称三色学说理论。

2 、光度测量参数 当描述光源的照明效果时，由于无法直接用辐射光功率来描述，因此实际中是使用两套参数来分别描述辐射光和照明光。前者与人眼的视觉特性无关，而后者则考虑了人眼的视觉特性 . 常用光度量单位：光通量：光源在单位时间内所发出的光能量，其单位是流明（ lm).辐射功率 P：是指辐射体在单位时间内所辐射出的总能量，其与辐射的功率频谱分布有关。

辐射强度 I是指点辐射源沿单位立体角所辐射出的功率。发光强度：点光源在单位面积内辐射出的光通量称为发光强度。亮度表示了单位面积上发射光或反射光的强度。亮度具有方向 性。照度是指被照表面单位面积上所接收到的入射光功率。可见， 照度是针对入射光进行度量的单位，而亮度则是对射出 光的度量。

3 、彩色视觉和立体视觉（ 1 ）彩色的概念 在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而引起人眼的不同彩色视觉。

（ 2 ）彩色视觉 从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度、色度和饱和度三个术语。亮度表示光的强弱；色度是指彩色的类别，如黄色、绿色、蓝色等；饱和度则代表颜色的深浅程度，如浅紫色、粉红色。色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。 尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常观察到这样的现象。由适当比例的红光和绿光混合起来，可以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果。又如日光也可以由红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而成。实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光混合而成，因而人们称红、绿、蓝为三基色。

图 3-3 三种锥状细胞的光谱灵敏度曲线

注意：波长为 580nm的黄光对应的灵敏度曲线有两条

（ 3 ）立体视觉 自然界中的景物都是立体的，具有高度、宽带和深度。立体视觉一般分为双眼视觉和单眼视觉。

双眼视觉是指双眼同时观看一个空间景物时所形成的立体视 觉；

单眼视觉是指单眼观看景物时所产生的立体感觉。

4 、人眼的分辨力与空间频率 人眼的分辨力究竟有多高，可用何种方法对其进行描述，一直是人们非常关注的问题。经过长期的研究发现，将人眼等效为一个空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、对比度和噪音等方面影响的同时，便可以利用滤波器的频率特性来表示人眼的分辨力。可见空间频率的概念在图像技术中具有很重要的地位。（ 1 ）空间频率 时间频率是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）周期性变化的次数来定义的，单位为周 /秒，其自变量为时间。而空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位空间距离内周期性变化的次数，单位为周 /米。

实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的，可用视觉空间频率响应曲线表示，如图 3-4所示。图中横坐标为空间频率，即单位视角（ 1°）内所含黑白条数，而纵坐标则表示空间频率的传输特性（ MTF）。

0.1 0.3 1 3 10 30

1.0

0.3

空间频率 ( 线 /mm)

MT

F

（ 2）人眼的空间频率响应

图 3-4 人眼的空间频率响应

图中虚线表示彩色，实线表示亮度

从图中可以看出，人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。例如原有黑白相同的条纹，当它们距人眼一定距离时，仍能分辨出其黑白间的差别，但如果仍保持其条纹间的距离，只是将黑白条纹换成彩色条纹，此时便无法做出分辨。

据资料显示，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此彩色电视系统在传输彩色图像时，细节部分可以不传送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输频带资源。

图 3-5 色调和饱和度分辨阈与波长的关系

色调分辨阈：人眼分辨出色调差别的最小波长变化值。 从图中可知，人眼对 480~640nm区间的色调分辨力较高，对大于 655nm 和小于 430nm 的可见光的色调变化不敏感。当饱和度减小时，人眼的色调分辨力也将随之下降。

5 、人眼的对比度特性（ 1 ）图像的对比度与灰度

对比度是指景物或重现图像的最大亮度 Lmax与最小亮度 Lmin 之比，用符号 C表示，即

而画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉级数称为亮度层次，也称为灰度。

由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环境亮度下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视时，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度为

其中 为环境亮度。

min

max

L

LC

LL

LLC

min

max

L

（ 2 ）人眼的对比度灵敏度特性亮度感觉 在定义亮度时虽然考虑了人眼的光谱灵敏度，但实际观察景物时所获得的亮度感觉，并不仅由景物的亮度决定，而且与其所处的周围环境亮度有关。 亮度感觉是指能分辨出不同的亮度层次。

人眼视觉的对比度灵敏度 人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅（如图3-6所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨这一空间频率的临界对比度，用 Cr表示。临界对比度的倒数1/Cr 被称为人眼对于这一空间频率对比度灵敏度。

由以上定义可知，临界对比度表示人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级（或灰度级）。

图 3-6 定义临界对比度的正弦光栅

6 、视觉惰性与闪烁的概念

视觉惰性 当一个景物突然出现在眼前时，需经过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；同样当一个实际景物从眼前消失后，所看到的印象都不会立即消失，还会暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的建立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是逐步的，这种现象就是视觉惰性。

闪烁 如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这种感觉就是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点。 临界闪烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地增高。

3.2 图像质量的评价

图像质量的评价方法有两种，即主观评价和客观评价 影响图像质量的基本因素 发送环境：照度和闪烁 接收环境：室内照明、显示器、视距 图像传输与处理系统： 模拟图像通信：随机噪声、周期噪声、衰减失真、时延失真等 数字图像通信：颗粒噪声、边缘闪烁、传输抖动、误码等

图像编码过程中变换与反变换：清晰度、对比度、亮度等。

图像质量的主观评价主观评价是指观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价，是一种最直观、最可靠的评价方法。受人的感觉和心理状态的影响，即图像质量的最终评价与观察者心理因素有关

图像的客观评价又称为图像逼真度计量法（数学公式）

会议电视系统的图像质量评价因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时、运动补偿等。

3.3 图像信号数字化3.3.1 图像信号的表述1 、图像信号的时域分析

由于人眼所感觉的景物是连续的，所形成的图像为连续图像，而连续图像信号是无法直接在数字系统中实现传输或存储的，因此需要将连续图像信号转化为离散数字信号。通常我们称此过程为图像信号的数字化。包括三大部分，即取样、量化和编码。取样又称为抽样，它是指图像信号空间离散化的过程。这时所选取的点就是取样点、抽样点或样点，也被称为像素。由此可见，一幅图像是由许多大小有限的像素组成，而且每个像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性

图像中的任何一个像素 P通常可用 8 个物理量表示，即

其中（ x,y,z）表示像素的空间变量 ;

L,H,S分别代表像素的亮度、色调和饱和度 ;

R 则表示图像的分辨率（即每一个像素面积在图像总面积中 的比例 ;

t是该像素产生上述物理量的时间。

),,,,,,,( tRSHLzyxfP

2、（二维）图像信号的频谱 图像通信系统是一个二维信息系统，因此可以进行类似的定义，二维函数 f（ x,y）与其频谱 F(μ,ν)的关系：

dxdyeyxfF yxj

)(2),(2

1),(

ddeFyxf vyxj )(2),(2

1),(

据分析显示，图像中景物的复杂程度是有限的。通常其中的大部分区域内的内容变化不大，而且人眼对空间频率上的复杂程度（频率）的分辨能力有一定的局限性，因而从频率域上来观察图像时，大多数情况下其频谱多局限在一定的范围之内。

图 3-7 取样图像的频谱

如图 3-7所示，其中锥形区域代表二维图像信号 f(x,y)在频率域上的有效成分， Um, Vm分别代表水平和垂直方向上的最大空间频率，可见 F(μ,ν)所表示的是二维图像信号与空间频率之间的关系，这种关系对图像的数字化以及数字处理具有非常重要的意义。

1 、二维取样定理 一个模拟信号 f（ x, y）的傅氏频谱为 F(μ,ν),如果其水平方向的截止频率为 Um,而垂直方向的截止频率为 Vm，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为 U0≥2Um和 V0≥2Vm（水平间隔Δx≤1/(2Um),垂直间隔Δy≤1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，这就是二维取样定理。

3.3.2 取样与二维取样定理

i jp y

j

x

iF

yxyxfF ),(

1)],([

i j

jiFyx

),(1

x1

y1其中

如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出，抽样后的图像信号 fp(x,y) 的频谱是原频谱 F(μ,ν)沿 μ轴和 ν轴分别以 Δu ， Δv 为间隔无限地周期重复的结果 . 如图 3-7 （ c ）所示。

从图中可以看出，只要 Δu>2Um ， Δv>2Vm ，抽样后的图像信号频谱就不会出现混叠。因此通常在进行取样之前，图像信号首先经过一个低通滤波器，使其成为一个带宽受限信号。当以满足上述条件的取样间隔进行取样时，取样后的图像频谱不会出现混叠的现象，这样可以利用一个低通滤波器将原图像频谱滤出，从而可无失真地重建原图像，这就是二维取样定理，也称为二维奈奎斯特取样定理。

2 、亚取样 当取样频率小于奈奎斯特取样频率时，通常称其为亚抽样。这就向人们提出了新的课题，即如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真。在自然景物图像中，由于垂直和水平的物体、线条、运动等比在其他方向上多，因此反映在频谱中，就是水平和垂直方向的频谱分量多于其他方向，即自然景物图像的频谱主要分布在以原点为中心的菱形范围内，如图 3-8（b）中心阴影区域所示。相应的二维空间取样点分布如图 3-8（ a）所示，沿水平和垂直方向上的取样间隔分别为2Δx和2Δy。如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真？ ——菱形亚取样

图 3-8 菱形亚取样及其频谱分布

1 、量化与量化信噪比 经过取样后所获得的图像是由一系列空间上离散的样值序列构成，每个样值是一个有无穷多个取值的连续变量。量化是指将具有无限多个取值的样值用有限个离散值来表示的过程，并且可以赋予不同的码字，从而成为真正意义上的数字图像。

均匀量化：将样本连续灰度等间隔分层量化方式称为均匀量化

非均匀量化：不等间隔分层量化方式称为非均匀量化。

3.3.3 量化与编码

量化既然以有限个离散值来近似表示无限多个连续量，就一定会产生误差，这就是所谓的量化误差。由此产生的失真叫量化失真或量化噪声，对均匀量化来讲，量化分层越多，量化误差越小，但编码时占用比特数就越多。在一定比特数下，为了减少量化误差，往往要用非均匀量化，如按图像灰度值出现的概率大小不同进行非均匀量化，即对灰度值经常出现的区域进行细量化，反之进行粗量化。

2 、编码 通过计算可知，编码位长每增加 / 减小 1bit，就使量化信噪比增加 / 减小约 6dB，因此，取样值的编码比特数 n，直接决定图像的质量。 通常 : 广播电视、视频通信 8bit 高质量静止图像、遥感图像等 >=10bit

3.3.4 取样、量化对图像质量的影响1 、实际取样脉冲宽度的影响 由于实际取样脉冲不是理想的 δ函数，而是具有 τ宽度，因此会存在取样值误差，从而引起高频失真。

2 、量化误差的影响 量化误差所造成图像质量下降的主要原因有斜率过载、颗粒噪声、边缘忙乱和伪轮廓四种：

斜率过载发生在图像灰度急剧变化的边界，正是由于此处灰度变化太大，即使使用最大的量化值，仍无法反映期间的变化，因此使图像轮廓变得模糊。

图 3-10 实际取样脉冲的频谱

颗粒噪声出现在图像灰度变化很小的区域，这时最小的量化间隔仍不足以反映其缓慢的变化过程，因此可能会在两个最小量化电平之间出现来回振荡的局面，造成解码后所恢复的图像中其灰度平坦区域出现颗粒状的细斑。

边缘忙乱是指在变化不太快的边缘出现闪烁不定的现象。这是由于原始图像中存在噪声，它造成不同图像帧之间在同一像素位置产生的量化噪声不同，从而引起缓慢变化的边缘出现这种不确定的现象。

伪轮廓发生在图像亮度缓慢变化的区域，此时预测误差较小，但实际系统中所采用量化间隔过大，则会在图像亮度缓慢增加或减小的区域，出现这种伪轮廓的现象。

3-4 电视技术基础

3.4.1 电视系统的组成 电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术，其系统结构如图 3-11 所示。

在发送端首先经过摄像设备，如摄像机，将景物进行图像分解，完成空时、光电变换（在后面介绍），然后送至信道进行图像信息的传送。在接收端再由显像设备，如显示器，对接收信号进行图像复合，还原成原图像，而其中的同步系统，则负责发送与接收数据之间的同步关系，这只是初略的划分，一般来说， 整个电视系统主要由成像、电视信号形成、信号处理、传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。

图 3-11 电视系统基本组成

电视制式

所谓电视制式，实际上是一种电视显示的标准。不同的制式，对视频信号的解码方式、色彩处理的方式以及屏幕扫描频率的要求都有所不同，因此如果计算机系统处理的视频信号的制式与连接的视频设备的制式不同，在播放时，图像的效果就会有明显下降，甚至根本无法播放 。

目前国际上三大模拟彩色电视制式： PAL 、 NTSC 、 SECAM

PAL制式

PAL 是 phase Alternate Line 的缩写，译为相位逐行交换。它是前联邦德国 1962年制定的一种电视制式。它规定每秒 25帧，每帧 625 行，水平分辨率为 240~400个像素点，隔行扫描，扫描频率 50Hz ，宽高比例 4:3 。我国和西欧大部分国家都使用这种制式。

NTSC制式

NTSC 是 Notional Television System Committe 的缩写，译为国家电视制式委员会。它是 1953年美国研制成功的一种兼容的彩色电视制式。它规定每秒 30帧，每帧 526 行，水平分辨率为 240~400个像素点，隔行扫描，扫描频率60Hz ，宽高比例 4:3 。北美、日本等一些国家使用这种制式。

SECAM制式

SECAM 是 Sequential Color Memory System 的缩写，译为顺序传送彩色存储。它是法国于 1965年提出的一种标准。它规定每秒 25帧，每帧 625 行，隔行扫描，扫描频率为50Hz ，宽高比例 4:3 。上述指标均与 PAL制式相同，不同点主要在于色度信号的处理上。法国、俄罗斯、非洲地区使用这种制式。

3.4.2 彩色电视信号的形成与传送原理1 、电视信号的形成 在实用电视系统中是采用扫描的方式来完成图像的分解与变换，即用时间的一维函数来代表像素信息的物理量，完成扫描功能的设备就是摄像机，如图 3-11 所示。 在目前的电视系统中普遍使用电真空摄像器件，以此通过电子束扫描来实现光电转换，但随着 CCD摄像机的不断投入使用，也可以利用各种脉冲数字电路来实现光电转换。

2、电视系统的亮度方程 彩色电视系统是按照三基色的原理而设计的，三基色原理告诉我们任何一种彩色都可以由另外的三种彩色按不同的比例混合而成。通常选择红、绿、蓝为标准的三基色，用这三个摄像管分别提取景物光学图像中的这三种彩色分量，以此来模仿人眼中的三种锥形细胞的视觉效果。这样便形成了彩色电视系统中的红、绿、蓝三个基色分量。

由于彩色电视系统是在黑白电视系统的基础上发展起来的，所以当时彩色电视系统的设计应考虑到与已有的黑白电视系统的兼容问题，因此在彩色电视系统中所传输的不是红、绿、蓝三个基色分量，而是传输 1个亮度分量和 2个色差分量。它们与红、绿、蓝三个基色分量（ R,G,B ）呈矩阵变换关系，因而在系统的发射端要利用变换矩阵将红、绿、蓝三个基色分量变换为 1个亮度分量和 2个色差分量，然后进行信息的传送。

在彩色电视系统中由 3 种基色分量 R 、 G 、 B构成的亮度信号的比例关系为：

BGRY 114.0587.0299.0 上式就是电视系统的亮度方程。 另外还有 2 个色差信号 U和 V， U表示所传输的蓝基色分量与亮度分量的差值信号，而 V表示所传送的红基色分量与亮度分量的差值信号，它们存在下述关系：

)(1 YBkU

)(2 YRkV

其中 k1,k2 为加权系数，系统中所选择的加权系数不同，那么在相同亮度信号下，所得到的色差信号也不同。 如果系统是黑白电视系统， R=G=B=0, 可以得出这样的结论，即 U=V=0. 如果系统是彩色电视系统，除了亮度之外，图像的色调和饱和度都是表示图像质量的重要参数，它们与 U 、 V 的关系如下： 图像的色调 =

图像的饱和度 =

V

U

22 VU

以上我们介绍了亮度方程及亮度信号 Y与 2 个色差信号U、 V之间的关系和图像色调、图像饱和度与 U、 V的关系。在此过程中人们不禁会问为什么彩色电视系统不直接传送 R、G、 B信号，而传送 Y、 U、 V信号？ 消除了相关性，减少数据量 兼容性（彩色与黑白电视）

彩色电视制式：PAL、 NTSC 、 SECAM

3 、扫描——空间频率与时间频率的转换 在摄像管和显像管中，电子束都是以某种周期规律在光电导层和荧光屏上作来回地运动。这一过程就是电子扫描。从而完成由空间分布的像素变为随时间而变化的电信号，同时显示器也利用电子扫描把所接收的随时间变化的电信号变换成空间分布的像素（与发送时的空间排列规律相同），从而复合成一幅完整的光图像。

根据扫描的路径来区分，电子束的扫描可分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。

逐行扫描 逐行扫描是指电子束按一行接一行的规律，从上到下（称为垂直扫描或场扫描）的对整个一幅（帧）画面进行扫描的方式。而从左到右扫描称为水平扫描，也叫行扫描。

逐行扫描中帧和场是一个概念，帧频 =场频。 人们将一个正程（从屏幕的最左端扫描到最右端）和逆程所用的时间称为扫描周期，用 TH表示，由此可以得出行扫描频率（行频） fH：

HH Tf

1

可见行扫描频率（行频） fH是行周期的倒数。

场扫描过程也可分为场正程和场逆程。场正程是指电子束均匀地从屏幕的最上方扫描道最下方的过程。场逆程则是指从屏幕的下方又返回到最上方的过程，可见整个场扫描所用的时间包括场正程和场逆程的时间。通常用 TV表示，如图3-12所示，要求逆程所用的时间少。

场扫描频率（场频）

可见场扫描频率是场扫描周期的倒数。在逐行扫描过程中要求一场的扫描行数必须是整数，

即

其中 n为整数，代表每场中所包含的扫描行数，由此我们可以得到场频与行频之间的关系：

vv Tf

1

HV nTT

HV nff

场扫描频率（场频）：

场频与行频之间的关系：

vv Tf

1

HV nff

图 3-12 逐行扫描过程

2 、隔行扫描 为了使人眼在观看连续图像时，无闪烁感觉，则要求场扫描频率高于临界闪烁频率，同时又能达到人眼对图像清晰度的要求，这就要求扫描行应在 500行以上，这样需为其提供 10MHz以上的频带。可见无论信道的利用率，还是设备的复杂程度都要求很高。为了减小图像信号所占用的带宽，可以通过降低场频来实现，但随之又会带来闪烁的问题，而降低扫描行数，又会使图像的清晰度下降。为了解决这一矛盾，人们采用隔行扫描方式。 奇数场、偶数场

隔行扫描是指将一幅（帧）图像分成两场进行扫描，第一场扫描 1 ， 3， 5， 7···等奇数行，通常称为奇数场，然后再扫描 2， 4， 6， 8···等偶数行，故而称为偶数场。可见两场叠加起来就是一幅完整的图像。如图 3-13 所示。

图 3-13 隔行扫描

隔行扫描中 帧频和场频是不同的，帧频是每秒传送图像的帧数，由于一帧被分为奇、偶两场，因此，帧频是场频的一半。我国 PAL 电视标准中，场频为 50Hz ，帧频为 25Hz 。

4、电视信号的频谱特点与频道分配策略 (自学）（ 1）静止图像和活动图像频谱 静止图像的频谱是由行频正弦波及其各次谐波构成的离散型线状谱，其频率成分可以用 fn=nfh±mfv来表示，即行频及其谐波是以 fH为间隔分布的，而且谐波次数越高，其振幅也越小。场频及其谐波则以 fV为间隔对称地分布在行频及其谐波的两侧，幅度也随谐波次数的增加而减少，而且场频各次谐波幅度的衰减速度还更快。可见图像信号的能量主要集中在行频及其谐波的两侧很窄的一个频带内。 对于活动图像，由于行与行、场与场之间存在一定的相关性（相邻行、相邻场的内容变化不大），所以活动图像具有准周期性，其频谱分布结构基本不变，只是行频及其谐波两侧的谱线更密。

图 3-14 隔行扫描静止图像频谱

（ 2 ）频谱交错原理和平衡正交调制a.频谱交错原理

由上述分析可知，电视信号的频谱是以行频、场频或帧频按一定的规律排列而成的离散型线状谱，而且谱线中间存在很大的空间。另外 U,V色差信号是由 R,G,B的线性组合，因而其频谱分布具有相同的规律，因此在彩色电视中，正是利用电视信号的这一特性，可将色差信号插入到这些空隙之中 .

具体方法是： 选择副载波 fSC,它是半行频的奇数倍，即

（它正好出现在电视信号频谱的空隙中间），然后用 fSC对两

个色差信号进行调制，从而将它们搬移到空隙处，这就是亮度信号与色差信号按频谱交错间置的共频传送原理。由此看来现在问题的关键是在于对 fSC的选取。

2/)12( bsc fnf

b.平衡正交调制

由于两个色差信号分别是以 fSC调制到电视信号频谱的空隙处，它们共同占有相同的带宽，在 NTSC 和 PAL制中是将两个色差信号 U和 V分别调制在载频 fSC的两个正交相位上，因此这种调制就是正交调制。

C.频率分配策略 每一路电视节目占用 8MHz 带宽，目前我国规定的开路电视信号共包括 68 个频道。目前可供使用的无线电频谱范围为 48—958MHz，被划分为 5 个频段。

1 、分量电视信号的数字化 在 ITU-R BT 601建议中，建议采用分量编码，亮度

和色差信号的取样频率 fY和 fC分别为 :

其中 fHNTSC和 fHPAL分别代表 NTSC制和 PAL制中的行频。

3.4.3 视频信息的数字化

MHzfff HPALHNTSCY 5.13864858

MHzff YC 75.62

1

与前面所介绍的图像数字化过程一样，视频信号的数字化，也包括空间位置的离散化（取样）、样值的离散化（量化）以及 PCM 编码这三个过程。

如果对亮度信号和色差信号进行量化，而且都采用8位码，那么三个分量信号数字化后的数据量为：

sMbit /21610)75.625.13(8 6

可见其数据量是相当大的，因此需要进行数据的压缩以提高信道的利用率。

2、复合电视信号的数字化 如果对亮度和色度信号的共频带所形成的复合电视信号直接进行数字化，那么只需要一个取样频率即可。但若所选择取样频率略高于信号最高的 2倍时，对系统中所使用的滤波器和量化的要求过于严格，否则由副载波所引起的混叠失真将造成图像质量的下降。 在 PAL制中，取样频率选取为 3fsc或 4fsc 。（ fSC ：副载波 ,它是半行频的奇数倍，即 ） 由复合图像信号进行数字化，然后再恢复的图像质量要低于分量信号数字化后的图像质量，因此，复合信号数字化通常只应用于存储、记录系统中。

2/)12( bsc fnf

1 、数字电视的基本特点及其分类 数字电视是指从信源开始，将图像画面中的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数码进行编码，其编码后的数据很大，因此需进行压缩编码。另外为了克服噪声、干扰对图像通信质量的影响，而采取信道编码（包括前向纠错、交织、调制等），其后以很高的比特率进行数码发送和传输，最后由对端进行接收、处理，从而恢复出高质量的模拟图像信号和音频信号（环绕立体声或丽音效果）。

3.4.4 数字电视系统的结构与特点

（ 1）图像参数 表示图像格式的重要参数，包括图像的宽高比和图像的纵横像素数（即分辨率）等参数。 图像的宽高比是指一幅图像的宽与高的比值。电影、SDTV（普通级数字电视）和 HDTV图像各有不同的宽高比。

图像的纵横像素数即图像的分辨率 =每行的像素数 *每 帧的有效行数

（ 2）数字电视的优点 与原有的模拟电视相比，数字电视具有如下优点：★高质量的画面 数字电视的一幅画面的像素数高达 1920×1080，接近35mm 宽银幕电影水平，而一般计算机在 SVGA模式下的像素数为 800×600。★高质量的音频效果 在数字电视中采用了 AC-3 和 MUSICAM等环绕立体声编码方案，既可以消除噪声、失真的影响，又能产生环绕立体声的效果使声音的空间临场感、音质和高保真等方面远超过普通电视的效果，同时还能提供多种语言的选择功能以满足不同国家用户的需求。

★ 提供丰富的电视节目和多种功能 可以利用数字压缩技术，在原来只能传送 1套节目的电视频道内，同时传送 4～ 5 套数字电视节目。这样在现有的频道资源范围，可以开设更多的专业节目以丰富人们的业余生活。另外，由于采用了数字技术，因而可以方便地实现信号的存储、制式转换、画中画、交互性（即音频、视频、数据在同一频道内实现双向传输）等功能。

（3）数字电视的分类第一类是标准清晰度的数字常规电视，其中包括图像分辨 率约为 500 线的广播级数字电视、图像分辨率约 400 线的相当于 DVD 的普通级数字电视（ SDTV ）和图像 分辨率约 300 线的相当于 VHS 的普及型数字电视 （ DPTV或 LDTV ）。其中 LDTV采用 MPEG-1 压缩编 码标准（后面介绍），其视频速率为 1.5Mbit/s左右。

第二类是图像分辨率在 800 线以上的高清晰度电视 HDTV, 目前我国很多厂商都参予这方面的研究与开发，如 康佳、 TCL 等。

（ 1）数字电视的构成

2、数字电视的结构

图 3-17 数字电视系统结构

（ 2）数字电视数据流的分层结构包括图像层、压缩层、传送层和传输层。 p69图

3 、数字电视系统中使用的关键技术 在数字电视系统中使用的关键技术很多，有数字压缩技术、变换编码技术、视觉加权技术、自适应预处理与后处理技术和多路复用技术等。视觉加权技术：保留与人眼判决有重大关系的信息，去除 人眼无法分辨的细节信息，减少通信量。自适应预处理与后处理：发端 --滤除图像中的高频成分 收端—滤除编码失真多路复用与传送：节目传送比特流的多路复用 系统层比特流的多路复用正交频分复用 OFDM：有效防止因频率选择性衰落造成的码 间干扰。

图 3-18 节目传送和系统层的复用结构