ITU-BT601与ITU BT656的基础知识

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视频已经进入的高清时代,但是是似乎我们的视频接口还停留在远古时代,由于是历史遗留的问题,直到今天我们的监控行业的视频处理的视频采集的接口基本还都 是 ITU BT 601与ITU BT656,当采用ITU BT656进行视频采集的时候,接口工作在108MHZ的时候才可以传高清,因为标准的27MHZ也只能传一个 D1(720X576),刚好一个高清差不多等于4个D1。所以HDMI,USB3.0,才大有机会。

  1. ITU BT 601与ITU BT656 的区别

关于这两种信号的区别:

ITU-R BT 601: 16位数据传输;21芯;Y、U、V信号同时传输。ITU-R BT 656: 9芯,不需要同步信号;8位数据传输;串行视频传输;传输速率是601的2倍;先传Y,后传UV。
656输出的是串行数据,行场同步信号嵌入在数据流中;601是并行数据,行场同步有单独输出;
656只是数据传输接口而已,可以说是作为601的一个传输方式。
简单的说ITU-R BT.601是"演播室数字电视编码参数"标准,而ITU-R BT.656 则是ITU-R BT.601附件A中的数字接口标准,用于主要数字视频设备(包括芯 片)之间采用27Mhz/s并口或243Mb/s串行接口的数字传输接口标准.
CCIR601号建议的制定,是向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出 的第一步。在该建议中:

规定了625和525行系统电视中心演播室数字编码的基本参数值。
601号建议单独规定了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。规定彩色电视信号采用分量编码。所谓分量编码就是彩色全电视信号在转换成数字形式之前,先被分离成亮度信号 和色差信号,然后对它们分别进行编码。分量信号(Y、B – Y、R – Y)被分别编码后,再合成数字信号。
它还规定了取样频率与取样结构。例如:在4:2:2等级的编码中,规定亮度信号和色差信号的取样频率分别为13.5MHZ和6.75MHZ ,取样结构为正交结构,即按行、场、帧重复, 每行中的R-Y和B-Y取样与奇次(1,3,5……)Y的取样同位置,即取样结构是固定的,取样点在电视屏幕上的相对位置不变。
它规定了编码方式。对亮度信号和两个色差信号进行线性PCM编码,每个取样点取8比特量化。同时,规定在数字编码时,不使用A/D转换的整个动态范围,只给亮度信号分配220个量化级,黑电平对应于量化级16,白电平对应于量化级235。为每个色差信号分配224个量化级,色差信号的零电平对应于量化级 128。

综上所述,我们知道,分量信号的编码数据流是很高的。以4:2:2编码标准为例,其比特流为: 13.5×8 + 6.75×8×2 = 216Mb/S。若采用4:4:4编码方式,即对复合信号直接编码,其抽样频率取为13.3×8 = 106.4 Mb/S。

  1. 标准BT.656并行数据结构

BT.656并行接口除了传输4:2:2的YCbCr视频数据流外,还有行、列同步所用的控制信号。如图3所示,一帧图像数据由一个625行、每行1 728字节的数据块组成。其中,23~311行是偶数场视频数据,336~624行是奇数场视频数据,其余为垂直控制信号。

BT.656每行的数据结构如图4所示。

图4中,每行数据包含水平控制信号和YCbCr。视频数据信号。视频数据信号排列顺序为Cb-Y-Cr-Y。每行开始的288字节为行控制信号,开始的4字节为EAV信号(有效视频结束),紧接着280个固定填充数据,最后是4字节的SAV信号(有效视频起始)。

SAV和EAV信号有3字节的前导:FF、FF、00;最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。XY字节各比特位含义见图5。

图5中,最高位bit7为固定数据1;F=0表示偶数场,F=1表示奇数场;V=0表示该行为有效视频数据,V=1表示该行没有有效视频数据;H=0表示 为SAV信号,H=1表示为EAV信号;P3~P0为保护信号,由F、V、H信号计算生成;P3=V异或H;P2=F异或H;P1=F异或V;P0=F异 或V异或H。

使用BT.656并行接口传输4路CIF格式视频的数据结构。

视频处理器的输出是灵活多变的,可以改变处理器的输出数据结构来同时传送4路252×288像素的视频信号。BT.656并行接口传输的有效视频数据流为 720×586,正好可以分割为4个360×288像素的空间来传输4路352×288像素的视频数据。多余的空间用固定数据“8010”进行填充。

第一部分:接口的通用信号格式
1, 接口的一般描述
接口为在单一信号源与单一终点之间提供单向互连。并行和串行接口通用的单一信号格式在第2 节中描述。数据信号采取编码成8 比特字(也可任选10 比特字’)的二进制信息的形式。这些信号是:
1:视频信号,
2:定时基准信号,
3:辅助信号。
2,视频数据
表1 场间隔定义

注1:信号F和V在数字行的开始时与有效视频定时基准码同步改变状态。
注2:行数的定义见ITU-RBT.470 建议。注意数字行的行号如在ITU-R BT。601 建议(部分A)中描述的,在011 之前改变状态。

2.1 编码特性
视频数据符合ITU-R BT.601 建议(部分A)和示于表l 的场消隐定义。

2.2 视频数据格式
8 个最高有效比特都是l 或都为0 的数据字用于标识目的,所以256 个8 比特字中只有254 个(1024 个10 比特字中的1016 个)可以用于表示信号值。视频数据字是以27 兆字/秒的速率复用传送的,其顺序是:Cb,Y,Cr,Y,Cb,Y,Cr,…… 其中,Cb,Y,Cr 这三个字指的是同址的亮度和色差信号取样,后面的Y 字对应于下一个亮度取样。

2.3 接口信号结构
图l 示出了视频取样数据如何加入到接口数据流中。图l 中的取样标识符号符合ITU-RBT.601 建议(部分A)的标识符号。

2.4 视频定时基准码(SAV,EAV)
有两个定时基准信号,一个在每个视频数据块的开始(Start of ActiveVideo,SAV),另一个在每个视频数据块的结束(End of Active Video,EAV),如图l 所示。

每个定时基准信号由4 个字的序列组成,格式如下:
FF 00 00 XY (数值以16 进制表示,FF 00 留供定时基准信号用。)头三个是固定前缀,第4 个字包含定义第二场标识、场消隐状态和行消隐状态的信息。
定时基准信号内的比特分配列于表2。
数据比特号 第一字(FF) 第二字(00) 第三字(00) 第四字(XY)

注1:示出的数值是为10 比特接口的建议值。
注2:为了与已有的8 比特接口兼容,D1和DO 比特的值末作规定。F=0/1 第l/2 场时,V=0/1 其它处/场消隐时。H=0/1 有效视频开始处(SAV)/有效视频结束处(EAV)P0,P1,P2,P3:保护比特(见表3)MSB:最高有效比特表l 规定了V 和F 比特的状态。P0,P1,P2,P3 比特的状态决定于F,V 比特的状态,见表3。在接收机中,这种安排容许纠正l 比特误码和检出2 比特误码。

2.5 辅助数据
对在消隐期间以27 MWord/s 的速率同步插入到复用组中的辅助数据做了规定。辅助数据信号可以以10 比特形式只在行消隐期间传送,还可以以8 比特形式只在场消隐中的行的有效期间传送(应当指出:符合ITU-RBT.657 建议的数字录像机既不记录行消隐期间的数据,也不记录场消隐期间的某些行)。数据值00.Xh 和FF.Xb(见第2.2节)保留用于标识目的。所以不能在辅助数据中出现。
在场消隐期间的行有效部分载送的所有辅助数据信号必需加前缀:FF.x FF.x 除非作为一件特殊设备想要有的功能,辅助信号不应被设备改变。

2.6 消隐期间的数据字

在数字消隐期间出现不用作定时基准码或辅助数据的数据字时,应在复用起来的数据中的适当位置上填入相当于Cb,Y,Cr,Y 信号消隐电平的80.0h,10.0h,80.0h, 10.0h 等序列。

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关于ITU-R BT 601

  1. 格式/制式

格式是指表达、记录图像信息的方式,如视频标准中最基本的参数是扫描格式,规定了每行像素数、每帧行数、每秒场数和帧数。录像机的记录方式也称为格式,如D1、D5格式,DVCAM格式,DVCPRO及Digital-S格式等。

  1. 模拟电视存在的缺点

模 拟电视存在着许多难以克服的缺陷:多次传输或复制后会形成噪声积累,信号的线性、非线性失真,亮色互扰,行间闪烁,爬行,微分相位和微分增益失真等等,致 使图像质量不断下降。但这些缺陷大多可通过将模拟信号转变为数字信号进行处理、存储、控制和传输来解决。为了用数字处理和传输电视信号,首先要将模拟电视 信号数字化,即对电视信号进行抽样、量化和编码。

  1. 电视信号

电视信号是通过摄像机对自然景物的扫描并经光电转换形成的。对于PAL制,扫描后的图像每秒包含25帧,1帧分为两场,每场有效行为287.5行,这就是说电视信号一经产生,实际上已对自然景物在时间轴及图像垂直方向上完成抽样,留给数字电视系统的是如何在水平方向上完成抽样和量化。  
4. CCIR 601建议所确定的数字分量编码4:2:2标准

4.1 . 抽样频率的选择

电视信号数字化抽样频率的选择首先应满足奈奎斯特抽样定理,即抽样频率至少要等于视频带宽的两倍。对于数字分量编码,CCIR601建议亮度抽样频率为525/60和625/50三大制式行频公倍数2.25MHz的6倍,即13.5MHz。对现行电视制式而言,亮度信号的最大带宽是6MHz,13.5MHz>2×6MHz=12MHz,所以它符合奈奎斯特定理。而色差信号的带宽比亮度信号窄得多,所以在分量编码时两个色差信号的抽样频率可以低一些。因同时考虑到抽样的样点结构应满足正交结构要求,两个色差信号的抽样频率均选为亮度信号抽样频率的一半,即6.75MHz,这样亮度信号与两个色差信号的抽样频率之比为 4∶2∶2。

4.2. 数字分量视频信号有效行取样点数的确定

每行数字分量信号的取样点数为:

对于625行/50场制式:

每行亮度取样点=13.5Mhz/15625Hz=864点/行;每行每个色度取样点=6.75Mhz/15625Hz=432点/行。

对于525行/60场制式:

每行亮度取样点=13.5Mhz/15734.266Hz=858点/行;每行每色度取样点=6.75Mhz/15734Hz=429点/行。

可见,这两种制式选用了相同的抽样频率,但每行取样点数却不相同。所以把两者取样点数之差别放在数字有效行以外的部分,而使每个数字有效行内的取样点数相同。

CCIR 601建议两种制式有效行内的取样点数亮度信号取720个,两个色差信号各取360个,即每个数字有效行包括720个亮度数据和720个色度数据(两个色度各360个),这样就统一了数字分量编码标准,使三种不同制式便于转换和统一。所以有效行亮度信号与两个色差信号的取样点数之比也为4:2:2(720:360:360)。

上述两点即为获取高质量的后期制作由CCIR 601建议所确定的数字分量编码标准:

亮度信号的抽样频率为13.5MHz,每个色差信号的抽样频率为6.75MHz,其抽样频率之比为4:2:2,或者说,每数字有效行亮度信号的取样点数是720个,每个色差信号的取样点数是360个,其取样点数之比也为4:2:2,这就是数字分量编码的4:2:2标准,也称为4:2:2格式。用作演播室数字设备及其联接或国际节目交换时的数字化标准。

4.3. 4:1:1与4:2:0格式

除了标准的4:2:2格式之外,还有将色差信号的抽样频率取为3.375MHz的较低标准的4:1:1和4:2:0格式。另外还有为适合更高图像质量要求而将色差信号抽样频率取为13.5MHz的更高标准的4:4:4格式。只对4:2:2格式与4:1:1和4:2:0格式数字取样结构进行比较。
  4:1:1和4:2:0格式不仅色差信号的取样频率相对于4:2:2格式来说减半,而且使场取样比减半,丢失了后期制作中的一些重要信号信息,如色键。由于彩色信号带宽信息的减半,此信号也就不再适合作高质量的多代编辑。然而,对于普通的新闻采访和窄带传输编码可采用4:1:1或4:2:0非标准取样方式,结果是牺牲带宽换得节省设备费用的益处。4:2:2格式同4:1:1规格及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

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