2.3 分量彩色电视信号的数字化

取样频率和量化级数是对视频信号进行数字化的两个关键性参数。在数字视频设备中，对亮度信号采用8bit量化（即人们熟知的256个灰度级），是公认比较合理的选择。不过在要求较高的场合，也可以采用10bit或12bit的量化。对色差信号，量化比特数可以取8bit，也可以取得低些。

根据取样定理，取样频率应不小于信号最高频率的2倍，在实际应用中，一般选取2.2～2.7倍。在PAL制中，亮度信号和色差信号的最高频率分别为6MHz和1.3MHz；在NTSC制中，亮度信号的最高频率则为5.5MHz。除了满足取样定理的要求外，还希望取样点的位置在每一帧中都是固定的，例如形成图2-15（a）所示的正交结构，或（b）图所示的梅花点结构（Quincunx）。取样点在扫描光栅上组成的二维点阵，称为取样结构。一般选取固定正交的取样结构，样点在每一行中的位置是相同的（例如，第一个样点总在行正程的起始处），以便于后续的对数字分量电视信号的处理。

图2-15 取样结构示意图

不难理解，要形成正交的取样结构，取样频率应为行频fh的整数倍。在每帧625行、每秒50场的PAL制和每帧525行、每秒60场的NTSC制电视中，625×50和525×60两个乘积几乎相等，二者扫描1行所用的时间几乎是一样的，两种行频的最小公倍数是2.25MHz。只要将亮度信号和色差信号的取样频率数值取为2.25MHz的整数倍，就可能在两种系统中都得到固定的正交取样结构。

在国际电联无线电组（ITU-R）制定的标准CCIR601中，亮度和色度信号的取样频率，fy和fc，分别规定为：

式中，fhNTSC、fhPAL分别为NTSC制和PAL制的行频。将亮度信号和色度信号都量化到8bits，三个分量信号数字化后所产生的总比特率为：

8bits×（13.5＋2×6.75）×106/s＝216（Mb/s）（2-23）

CCIR601（或ITU-RBT.601）还规定PAL制每帧的正程有576行，NTSC制则为480行，两种制式的行正程都取720个样点，这也常称为D1格式。图2-16（a）给出了对应的取样结构，其中○点和×点分别代表亮度信号和色差信号取样点的位置；图2-16（b）给出了取样后亮度和色差信号样点所构成的矩阵的大小。由于两个色差信号的取样频率均为亮度信号取样频率的1/2，这种格式被称为4∶2∶2格式。

图2-16 4∶2∶2格式

根据不同的应用，分量信号的数字化还可以采用4∶4∶4和4∶1∶1的取样格式，如图2-17（a）和（b）所示。在这两种格式中，色差信号的取样频率分别与亮度信号取样频率相同，或等于它的1/4。当对图像质量的要求不太高时（如现场新闻报道），也可以采用2∶1∶1的取样格式，此时亮度信号的取样频率为6.75MHz，色差信号的取样频率为它的1/2。

图2-17 不同的取样格式

在视频图像的压缩编码中，最常使用的是4∶2∶0的取样格式，如图2-17（c）所示。在这种格式中，亮度和色差信号的取样频率与4∶2∶2格式相同，但色差信号的行数为4∶2∶2格式的1/2，因而色差信号样点所构成的矩阵大小只是亮度矩阵的1/4。

CCIR601标准还规定了分量信号的取值范围：

Yd＝219Y＋16 （2-24）

Cb＝224U＋128 （2-25）

Cr＝224V＋128 （2-26）

式中，Y为对取值在0～1之间的模拟亮度信号进行数字化之后的结果，U和V为对取值为－0.5～0.5之间的模拟色差信号进行数字化之后的结果。经过上式的转换并取最接近的整数值，得到标准的分量信号Yd，Cb和Cr。Yd的取值范围为16～235，Cb和Cr则为16～240。