§6.3 高清晰度电视(HDTV)

 

6.3.1 概述

所谓高清晰度电视(High Definition Television),指的是图象质量等于或者超过35mm电影片质量的电视,它传送的视频信号量为普通电视的四至五倍 。

由式(1.5-6)和(1.5-7)可知,为了提高图象清晰度,必须增加扫描行数z。因此,高清晰度电视为了获得高质量的电视图象,其基本特征是:增加扫描行数,通常z>1000行,以此提高垂直与水平分解力;采用大屏幕显象,并改进幅型比,通常选K=5/3以此增强临场感;改进彩色信号的组成方式(编码方式)和传送方式(调制方式),尽量降低亮度与色度信号之间的互串与干扰。

由式(1.5-8)才(1.5-9)可知,视频信号和带宽与扫描行数z的平方成正比地增加,既然z已提高了一倍,所以HDTV的频带宽度是普通电视的四倍,高达20MHz左右。频带太宽是HDTV主要缺点。因此,很难找到一种理想的与普通电视兼容的方法,HDTV不适于采用VHF波段播送,这是HDTV不能很快普及的原因之一,然而卫星直播(DBS)允许采用20MHz以上的带宽传送电视信号,因此DBS为HDTV的发展提供了极其有利的条件。

从60年代末起,世界发达国家,如日、英、美、西德等相继开始了HDTV的研究,1978年我国也加入了这个研究的行列。经过十几年努力,HDTV已经取得了惊人的进展,其中贡献最大的是NHK。我国已经纷纷研制出整套HDTV设备,HDTV的录象机的和传输设备,均已研制成功。例如摄象管的扫描行数可达1000至2000行以上,带宽为30MHz以上,宽高比为5:3,管子的分辨力高,残象低,而且在带宽内具有很高的信噪比。

HDTV系统已为人们提供了清晰、明亮、具有立体感和真实感的图象,再加上Hi-Fi立体声,这确实非常吸引人;但其成本高,一系列技术和经济指标却减缓了它实际应用的进展。当前HDTV急待研究的问题是: HDTV的宽频带特性给传输带来了一系列的信号处理和传输容量等问题,目前已经研究出很多解决带宽的方法。到目前为止,缺乏对全球性广播所必需的世界统一标准。HDTV制式与现有电视标准的兼容问题。这个问题难度较大,1979年美国的HDTV研究小组已经断言:认为完全的兼容是不可能的。近三年来,日、美、英、西德竞相提出了各种兼容制,希望能为世界所接受。目前,HDTV的制式仍处于研究之中。

下面仅对形成HDTV制式的两个问题进行说明:一是扫描系统与图象质量的关系。二是介绍关于彩色信号的传送及其组成形式的几种设想。

6.3.2 扫描系统及图象质量

普通电视不如电影的原因之一,是观众在一定的视距以内,能看清行扫描结构,从而使图象质量下降。为此,必须增加扫描行数,所以扫描行数是影响图象质量的主要因素。比如525行电视可与16mm电影相近似,而1000行电视可与35mm电视媲美。

近年来,用计算机模拟对HDTV的各项指标进行研究,得出了大量数据,如图象质量与屏幕尺寸、屏幕弯曲程序的关系,图象质量与扫描行数的关系,视距、视角与扫描行数的关系,图象质量与亮度的关系等,这些为确定HDTV的技术指标建立了科学的基础。下面介绍这方面的研究结果。

一、扫描行数与图象质量。

从测试数据曲线图6.3-1和图6.3-2可以看出:

当视距为2.5m,屏幕面积为、等效扫描行数为1000行时,图象质量的改善达到饱和,饱和点由屏幕面积决定;在饱和区内,当屏幕面积加倍时,图象质量评价等级提高一级;屏幕亮度加倍时,评价等级提高0.5级; 把1650行体制、屏幕面积的图象与目前2000屏幕面积、525行体制的图象相比,图象质量提高3.5级。

二、扫描行干扰与视距

当扫描行结构的纹理刺眼时,图象看不清楚,这种现象叫扫描行干扰。这种干扰包括行结构干扰、行闪烁、并行或爬行以及视距相当近时在高亮度显示器看到的“静止光栅”。增加扫描行数以及合理地选择视距(人眼距屏幕的距离);可以减轻或消除这种干扰。

研究表明:扫描行数增加时,扫描行干扰降低,垂直清晰度提高,最佳视距缩短。扫描增加[Page]900行以上时,图象质量的改进接近饱和,最佳视距为2~3H(H是屏幕高度),与屏幕尺寸无关。为了提高图象质量,不仅要增加扫描行数,还要提高水平清晰度,视距与扫描行数互为条件,观察长时间观看不感疲劳的最小视距为4H,为增加心理效果,最佳视距约为2~3H。

三、屏幕尺寸与幅型化

试验表明:HDTV的屏幕尺寸至少要使图象的视角为,家用接收机放置于10~13的起居室中,视距应是2~2.5m。

实验中,改变屏幕尺寸的宽高比,在保持视距为2.5m的条件下进行了主观评价测试,图6.3-3是测量结果。可以看出幅型比K=5/3、屏幕尺寸需要0.8×1.4到1.0×1.7为好。这已在实际设备中被采用。

四、视频信号的带宽

经过研究,HDTV仍然以采用隔行扫描为好;并且扫描行数选择1200行较合适。因此,可以计算出视频信号的带宽至少需20Mhz。

五、HDTV的技术指标

以上简单讨论了HDTV指标制定的依据,下面集中列出一些国家HDTV的指标:

¬ 视距:2.5m;­ 宽高比(幅型比):5/3;® 屏幕尺寸:0.8×1.4到1.0×1.7;¯ 屏幕亮度:约100cd/;° 隔行率:2:1;± 扫描行数:日本(1125),美国(1050),荷兰(1249),英国(对各种场、行体制正在试验),西德:〖1249(场频60Hz)、1023(场频50Hz)〗,中国(1225行,一种试验体制)。

由此可见,各国的指标都比较相近,并或多或少地考虑了普通电视的兼容问题。

6.3.3 彩色的传送和信号的形成

一、彩色的传送

为了使彩色图象更有效地传送,希望选用亮度与色度信号分离的方式传送。由于人眼对625和492nm主波长方向的颜色是灵敏的,而在565和440nm方向不够灵敏,故建议用以下等式传送彩色分量

(6.1-1)

二、高清晰度电视信号的形成

高清晰度电视信号带宽比普通电视宽得多。当考虑其信号形成时,在不降低图象质量的前提下,应尽可能地频分复用,以此降低其带宽。它可以选择两种不同的信号形式:其一,复合信号方式,这种方式的亮、色信号是频分复用的,这与普通电视相同。其二,时间压缩复合信号形式,这种形式的亮、色度信号是在时间压缩以后,在每一行或两行扫描时间内时分复用的。前者能提高基带频率的利用率,后者能使亮、色之间的传输质量平衡,较好地克服了亮度与色度之间的串扰。

1、复合信号:

图6.3-4示出三种不同的复合信号形式(ISY、OYS和OYC),它们的彩色副载波信号(色度信号)与亮度信号频分复用的情况如图所示。

IYS(亮度信号内副载波)方式与普通电视一样,色度信号在亮度信号频带内复用。在该系统中,基带频率利用率高,但难消除亮、色度的互相干扰。

OYS(亮度信号外副载波)方式,其彩色副载波是置于亮度信号带宽之外,如图6.3-4(b)所示。它在亮度信号的高频分量和两维频率范围的两个色度分量的频分复用方面较差。

OYC(亮度信号外的色度信号)方式,其频谱为图6.3-4(c)所示。该方式的频率利用系数略降低,但亮、色度之间的干扰小,信号质量好,即使在传输信道特性恶劣时,彩色清晰度及图象稳定度都较好。HLO-PAL信号方式是OYC方式中的一种,它的彩色调制器与信号频谱图如图6.3-5所示。

2、时间压缩复合(TCI)信号

把亮度信号和色度信号在时间轴上进行压缩,在一行或两行扫描时间内,进行时分复用,这种方式叫做时间压缩制(TCI)制。

彩色信号时间压缩复合(TCI-LC)信号,是Y、信号进行压缩并时分复用的信号,如图6.3-6所示。亮度和行顺序色度分量(TCI-LSC)信号与TCI-LC信号的区别是压缩比例不同,并且行顺序地传送两个色度信号,即在两行中,每行中传送中的一个,在接收端利用1H的延迟线加以恢复。TCL信号与复合信号相比,基带频率利用系数低,但是亮、色度信号之间相干扰小,有利于调频广播和磁带录相。

图6.3-7示出NHK研究的TCI-LSC编、解码器方框图及波形图。确定这种信号时,应考虑如下三个要求:¬ 时间压缩的彩色信号带宽不超过亮度信号;[Page]­ 亮度信号带宽为20MHz时,为了简化设备,不要进行信号处理;® 至少每隔一行必须加入一个行同步信号。

这些要求,很自然地使两行为一组。为满足第一个要求,选用如图6.3-7(b)所示的彩色信号带宽和压缩比。行顺序彩色信号中的信号时间压缩因子是4,在第一行亮度信号的行消隐期进行复用。C信号时间压缩因子为5,在第二行的Y信号上复用。为满足第三个要求,行同步在第二行上复用。因为时间压缩信号的带宽约为20MHz,这与亮度信号Y的带宽是一致的,所以TCI-LSC的带宽为20MHz。

在图6.3-7(a)所示的设备中,除矩阵电路外,全部采用数字信号处理,在编码器中,为了把信号变为C信号,并在解码中为防止折迭和内插不足引起的图象质量下降,在垂直方向采用低通滤波器。采用改变行数字存贮器写入和读出时钟速度来进行时间压缩和扩张处理。