ВидеостандартыСигналы, форматы, стыкиВ. Л. Штейнберг Содержание 2Видеостандарты
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
РАЗДЕЛ 3 - СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ 3.1 Общие сведения В этом разделе приведены основные параметры наиболее распространенных форматов видеосигналов и стыков для их передачи. • Параметры аналоговых сигналов приведены в разделе 3.2. • Параметры цифровых компонентных и композитных сигналов можно найти в разделах 3.3 - 3.5. • Система сжатия цифровых потоков MPEG-2 описана в разделе 3.6. • Раздел 3.7 посвящен параметрам ТВЧ. • Параметры файлов стоп-кадров описаны в разделе 3.8. • Системы с кодированием и декодированием цветовой информации обычно проверяются при помощи сигналов цветных полос. В разделе 3.9 приведены параметры стандартных сигналов цветных полос; в русскоязычной литературе их также называют сигналами генератора цветных полос - ГЦП. Аналоговые видеосигналы и стыки 24 3.2 Аналоговые видеосигналы и стыки Основным источником информации для этого раздела является Рекомендация ITU-R BT.470-4 (ранее эти данные содержались в Отчете 624-3 МККР) "Характеристики Телевизионных Систем". Фактически, имеется большое число вариантов реализации, слегка отличающихся от базовых версий, приведенных в этом документе. 3.2.1 Параметры развертки и синхронизации Параметр Единица измерения NTSC-M PAL-M PAL, PAL-N SECAM Частота кадров Гц 29.97002997 25 Частота полей Гц 59.94005994 50 Число строк в кадре 525 625 Частота строк Гц 15,734.26573 15,625 Номинальный период строк (H) мкс 63.555555 64.0 Строчный гасящий интервал мкс 10.7 12.0 Длительность фронтов гашения нс 140 300 Передняя площадка мкс 1.5 1.5 Строчный синхроимпульс мкс 4.7 4.7 Задняя площадка мкс 4.5 5.8 Уравнивающий импульс мкс 2.3 2.35 Вертикальная синхрогруппа строк (H) 9 7.5 Число уравнивающих импульсов 6 + 6 5 + 5 Число широких импульсов 6 5 Широкий импульс мкс 27.0775 27.3 Врезка (между широкими импульсами) 4.7 мкс 4.7 мкс Длительность фронтов импульсов нс 140 200 Полевой гасящий интервал 20H+10.7 мкс 25H+12 мкс Полевая передняя площадка мкс 1.5 1.5 Примечание: В системе PAL-I, применяемой в Великобритании, два параметра отличаются: Передняя площадка = 1.65 мкс Длительность фронтов импульсов = 250 нс. Формирование и уровни сигнала яркости 25 3.2.2 Формирование и уровни сигнала яркости Приведенная ниже формула верна для всех компонентных и композитных систем (кроме некоторых систем ТВЧ): Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B. Термин "сигнал яркости" и символ "Y" для его обозначения могут означать как сигнал без синхроимпульсов (S), так и сигнал черно-белого телевидения, содержащий синхроимпульсы. Обозначение "Ys" гораздо лучше, но, к сожалению, используется не всегда. Процесс ввода синхроимпульсов в состав сигнала яркости описывается простой формулой: Ys = Y+ S. Параметр NTSC - M (США) PAL - M NTSC - M (Япония) PAL - B,G,I PAL - N SECAM Уровень гашения (опорный уровень) 0 IRE (0 мВ) 0 IRE (0 мВ) 0 мВ Уровень черног 7.5 IRE (53.5714 мВ) 0 IRE (0 мВ) 0 мВ Номинальный уровень белого 100 IRE (714.2857 мВ) 100 IRE (714.2857 мВ) 700 мВ Уровень вершин синхроимпульс ов - 40 IRE (-285.7 мВ) - 40 IRE (-285.7 мВ) - 300 мВ Примечание: Уровни даны в предположении, что коаксиальный кабель нагружен на 75 Ом. Формирование и уровни сигнала яркости 26 3.2.3 Аналоговый компонентный стык YPrPb (YsPrPb) В этом формате цветоразностные сигналы Pr и Pb имеют точно такой же размах, как сигналы первичных цветов R, G, B и сигнал яркости Yбез синхроимпульсов: 700 мВ на нагрузке 75 Ом. Это требование приводит к следующему масштабному уравнению: Pr = 0.71327 (R-Y), Pb = 0.56433 (B-Y). Обратное матрицирование в сигналы RGB, например для целей отображения, задается следующим уравнением: R = Y + 1.40200 Pr G = Y - 0.71414 Pr - 0.34414 Pb B = Y + 1.77305 Pb. Сигналы Pr и Pb лежат в диапазоне от -350 мВ до + 350 мВ и не содержат каких-либо синхронизирующих импульсов. Сигнал Y (Ys), напротив, содержит синхроимпульсы (синхросмесь) размахом 300 мВ, поэтому его полный размах составляет 1000 мВ. Безотносительно к каким-либо официальным стандартам (МККР, SMPTE, и т.д.) фирма Sony, опираясь на успех своих изделий серии Betacam, установила стандарт "де-факто" для стран, использующих стандарт разложения 525 строк. В этом случае сигналы имеют следующие параметры: Y (без синхроимпульсов): 714 мВ (100 IRE) Пьедестал (уровень черного): 54 мВ (7.5 IRE) Уровень синхроимпульсов: -286 мВ (-40 IRE) Pr и Pb: +/- 467 мВ Примечание: Амплитуда +/- 467 мВ сигналов Pr и Pb 100 % насыщенности соответствует амплитуде этих сигналов +/- 350 мВ при насыщенности 75 %. Эти уровни сигналов продолжают использоваться в 525-строчных странах наряду с "истинно стандартными уровнями", соответствующими официальным документам. Для передачи сигналов Y,Pr,Pb применяется какой-либо один из двух следующих типов соединителей: а) 3 отдельных разъема типа BNC для Ys, Pr и Pb соответственно б) 12-контактный разъем типа "Betacam" (штеккеры для входов, розетки для выходов). 8 9 1 7 12 10 2 6 11 3 5 4 Контакт Сигнал 1 Y 2 Y корпус 3 Pr 4 Pr корпус 5 Pb 6 Pb корпус Рис. 3.2.3.1 Разъем типа Betacam для сигналов YPrPb 3.2.4 Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация Параметр Единица измерения NTSC-M PAL-M PAL-N PAL SECAM Отношение поднесущей к строчной частоте (Fsc/Fh) 455/2 909/4 917/4+1/625 1135/4+1/625 Fr: 282 Fb: 272 Частота цветовой поднесущей (Fsc) Гц 3,579,545.5 3,575,611.8 3,582,056.25 4,433,618.75 Fr: 4,406,250 Fb: 4,250,000 Цветовой кадр Поле 4 8 8 8 4 Начало вспышки мкс относ. 0h 5.31 5.31 5.3 5.64 5.6 Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация 27 Начало вспышки периодов относ. 0h 19 19 19 25 - Длительность вспышки мкс 2.51 2.52 2.51 2.25 - Длительность вспышки период 9 9 9 10 непрерывный ЧМ сигнал Длительность фронта вспышки нс 300 300 300 250 300 Фазы вспышки относ. оси B-Y град 180 +/- 135 см. Прим.1 +/- 135 см. Прим.1 +/- 135 см. Прим.1 см. Прим.2 Размах вспышки 40 IRE (285.7 мВ) 40 IRE (285.7 мВ) 300 мВ 300 мВ Fr: 167 мВ Fb: 215 мВ Примечание 1: Фаза вспышки PAL составляет +135 градусов на нечетных строках первого поля восьмиполевой последовательности (первого поля цветового кадра) и -135 градусов на четных строках этого поля. Знак фазы вспышки непрерывно чередуется по строкам. Примечание 2: В системе SECAM начальная (стартовая) фаза цветовой поднесущей не регламентируется, но она должна коммутироваться, т.е. принудительно изменяться, на следующую величину (в градусах): по строкам: 0, 0, 180, 0, 0, 180,... или 0, 0, 0, 180, 180, 180, 0, 0, 0,... по полям: 0, 180, 0, 180... Начальная фаза поднесущей является одним из наиболее важных параметров сигналов NTSC и PAL. В англоязычной литературе его обозначают SCH - SubCarrier to Horizontal sync timing phase; поскольку речь идет о соотношении двух параметров название параметра иногда пишут с косой чертой - SC/H. В аналоговых композитных форматах этот параметр может отклоняться от номинального (нулевого) значения в широких пределах. Например, стандарт SMPTE 170M дает для SCH ширину поля допуска в пределах +/- 10 градусов. Следует подчеркнуть, что одним и тем же термином "SCH" могут обозначаться три совершенно различных параметра: 1. Фаза поднесущей в момент середины фронта строчного синхроимпульса текущей строки (по-английски начало строки принято называть Line Datum). В системе PAL эта величина нарастает небольшими шагами от строки к строке, поэтому ее точное значение практически не играет большой роли. В системах NTSC и PAL-M оно, в принципе, должно совпадать (с точностью до знака) со значением фазы поднесущей в момент начала поля. 2. Фаза поднесущей в момент начала поля (Field Datum), которая определяется путем экстраполяции сигнала вспышки в точку начала соответствующей строки. Эта величина особенно важна при монтаже композитных видеозаписей, поскольку различия в SCH источников могут приводить к горизонтальным сдвигам изображения в смонтированной видеофонограмме. 3. Фаза поднесущей в момент начала первого поля цветового кадра. Этот параметр характеризует отличие реального композитного сигнала от идеального, так называемого "математического" сигнала. В таком контексте выражение "нулевая начальная фаза" означает, что синусоидальное колебание поднесущей оси U нарастает и пересекает нулевой уровень точно в начальной точке поля. Применительно к композитным сигналам ведомая синхронизация выполняет две основных функции: а) обеспечение синхронизма вертикальной и горизонтальной разверток, б) обеспечение синхронизма цветовых поднесущих. Традиционно, блоки ведомого режима допускают независимое управление фазой строк и фазой поднесущей. При этом результирующая начальная фаза поднесущей (SCH) может изменяться в пределах полного круга - от 0 до 360 градусов. Тем самым гарантируется точное ведение, но отнюдь не нулевое значение SCH, которое требуется для аппаратуры цифровой композитной видеозаписи. Современной альтернативой такому подходу является обеспечение фиксированного (обычно нулевого) значения параметра SCH, ценой некоторой погрешности в точности фазы строк. Следует отметить, что ведение с фиксированной начальной фазой возможно только от "хороших" опорных сигналов, которые сами обладают этим свойством. Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация 28 Цветовой кадр определен как группа соседних кадров, которая начинается и заканчивается одним и тем же значением SCH (NTSC и PAL), либо одним и тем же типом цветоразностного сигнала (SECAM). Следует отметить, что термином "опорная поднесущая" в системе PAL обозначается поднесущая синфазной оси U (B-Y), а в системе NTSC, напротив, - синусоидальное колебание, привязанное к вспышке, т.е. сигнал с фазой минус 180 градусов, точно противофазный оси U. Длительность цветового кадра составляет: NTSC 2 кадра (4 поля) PAL 4 кадра (8 полей) SECAM 2 кадра (4 поля) Примечание: С учетом коммутации начальной фазы поднесущей цветовой кадр SECAM составляет 6 кадров (12 полей), однако такая трактовка понятия цветового кадра применяется только при теоретическом анализе. В странах, использующих систему NTSC, первый и второй кадр в составе цветового кадра называют также "Цветовой кадр A" и "Цветовой кадр B". Цветовая синхронизация (colour framing или colour sync) обеспечивает синхронизм цветовых кадров, обычно для целей компоновки программ. Современные видеомагнитофоны автоматически производят цветовую синхронизацию в процессе разгона лентопротяжного механизма. Кассетные видеомагнитофоны не всегда гарантируют эту функцию, что приводит к срывам цвета на монтажных стыках. При достаточно большом отклонении параметра SCH от точного (фиксированного) значения, говорить о синхронизме цветовых кадров уже не имеет смысла. В первоначальном варианте системы SECAM обязательной составляющей композитного сигнала был сигнал цветовой синхронизации (СЦС). Этот сигнал в виде пакетов цветности, модулированных трапецеидальным сигналом сверхнасыщенного зеленого, вводится в девять строк вертикального интервала гашения с целью обеспечения цветовой синхронизации (правильного чередования сигналов Dr/Db). Вследствие высокой энергии сигнала способ вертикальной цветовой синхронизации (именуемый также полевой цветовой синхронизацией) обладает исключительно высокой помехоустойчивостью. С другой стороны, за помехоустойчивость приходится платить дорогую цену в виде потери 18 строк кадра, которые можно было бы отвести для различных современных служб. Несмотря на договоренности об исключении СЦС из процесса производства программ, в ряде стран они все еще излучаются в эфир и используются для передачи программ по линиям связи. При наличии сигналов вертикальной цветовой синхронизации, они занимают строки 7- 15 и 320-328. В современном оборудовании SECAM для цветовой синхронизации используется только различие частот немодулированных цветовых поднесущих на задних площадках строчных гасящих интервалов. Это способ обычно называется строчной цветовой синхронизацией. Система нумерации строк 29 3.2.5 Система нумерации строк Способ нумерации ТВ строк в пределах кадра или цветового кадра также является предметом стандартизации. Это помогает избегать недоразумений, хотя и не влияет на свойства ТВ изображений. В стандарте 625/50/2:1 строка с номером "1" определена как строка, начинающаяся с первым широким импульсом в вертикальной синхрогруппе. На экране растр первого поля располагается выше растра второго поля. В стандарте 525/59.94/2:1 строка с номером "1" определена как строка, начинающаяся с первым уравнивающим импульсом в вертикальной синхрогруппе, а строка "264" может также называться "строка 1 второго поля". На экране растр второго поля располагается выше растра первого поля. 1 2 3 4 5 6 7 622 623 624 625 23 0v = Начало первого 317 318 319 320 336 313 314 315 316 310 311 312 Начало второго поля Полевой гасящий интервал (25 строк+ стр.гас.инт.) Полевой гасящий интервал (25 строк+ стр.гас.инт.) Полевая синхрогруппа Уравн.импульсы Шир.импульсы Врезки Полевой синхроимпульс 0h = Начало строки (нечетного) поля Уравн.импульсы Рис. 3.2.5.1 Нумерация строк в стандарте 625/50/2:1 Система нумерации строк 30 Начало первого (нечетного) поля 0h = Начало строки 7 8 9 10 21 3 4 5 6 525 1 2 Полевой гасящий интерал (20 строк+стр.гас.инт.) Полевая синхрогруппа Полевой синхроимпульс Начало второго (четного) поля Уравн.импульсы Шир.импульсы Врезки Уравн.импульсы 266 267 268 269 270 271 272 262 263 264 265 283 Полевой гасящий интерал (20 строк+стр.гас.инт.) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (20) Рис. 3.2.5.2 Нумерация строк в стандарте 525/59.94/2:1 Рекомендация SMPTE RP 168 "Определение точки переключения синхронных видеосигналов в вертикальном интервале гашения" задает определенную ТВ строку и интервал времени, в течение которого следует производить переключение. Это интервал от 25-й до 35-й микросекунды в строке 10 для 525-строчных систем и от 25-й до 35-й микросекунды в строке 6 для 625-строчных систем. (Соответственно в поле 2 переключение должно происходить в строке 273 для 525-строчных систем и в строке 319 для 525-строчных систем.) Такая ширина интервала (10 мкс) означает, что временное расхождение переключаемых сигналов не должно превышать нескольких микросекунд. Однако, при переключении аналоговых композитных сигналов обычно выдерживаются гораздо более жесткие допуски, основанные на требовании соблюдения приблизительного равенства фаз цветовых поднесущих. Система нумерации строк 31 3.2.6 Обработка сигнала яркости В системах NTSC и PAL для ослабления перекрестных помех "яркость-цветность" иногда применяют одномерные, двумерные и даже трехмерные режекторные фильтры яркости, однако их параметры не стандартизированы. В системе SECAM применение при кодировании нелинейного (динамического) режектора для ослабления составляющих сигнала яркости в полосе частот сигнала цветности является обязательным, хотя точная форма частотной характеристики режектора и способ его адаптации к уровню сигнала стандартом не определены. На рисунке показано рекомендуемое семейство частотных характеристик режекции в кодере SECAM. Видно, что для любой частоты и при любом уровне входного сигнала яркости результирующий размах сигнала яркости (сплошные и штрих-пунктирные линии) никогда не превышает половины размаха сигнала цветности на этой частоте (показанного пунктирной линией). Размахи сигналов яркости и цветности даны в мВ, частоты сигналов - в МГц. Рис. 3.2.6.1 Нелинейная режекция сигнала яркости SECAM Обработка сигнала цветности 32 3.2.7 Обработка сигнала цветности NTSC I = - 0.27 (B-Y) + 0.74 (R-Y) Q = 0.41 (B-Y) + 0.48 (R-Y) C = Q sin(2p fsc t + 33° + SCH) + I cos(2p fsc t + 33° + SCH), где t = 0 в момент времени 0v (в начале поля). Пурпурный 60.5° Красный 103.5° Желтый 167° Зеленый 240.5° Голубой 283.5° Синий 347° Вспышка 180° R-Y 90° B-Y 0° Q 33° I 123° Рис. 3.2.7.1 Векторограмма сигнала цветности NTSC Первое поле в четырехполевой последовательности цветового кадра определено как нечетное ТВ поле, для которого синусоидальное колебание, совпадающее по фазе со вспышкой, имеет положительную полярность в момент времени, немедленно следующий за серединой фронта строчного синхроимпульса в строке с нечетным номером. Трудно поверить, но это действительно самое простое и краткое из возможных определений первого цветового поля NTSC ! Сигнал вспышки присутствует во всех ТВ строках сигнала NTSC, кроме первых девяти строк каждого поля, т.е. везде, кроме вертикальной синхрогруппы. Обработка сигнала цветности 33 PAL U = 0.493 (B-Y), V = 0.877 (R-Y) C = U sin(2p fsc t + SCH) ± V cos(2p fsc t + SCH), где t = 0 в момент времени 0v (в начале поля). Полярность составляющей V переключается по строкам в соответствии с переключением фазы вспышки. Пурпурный 60.5° Красный 103.5° Желтый 167° Зеленый 240.5° Голубой 283.5° Синий 347° |