2.3 分量彩色電視信號的數字化

取樣頻率和量化級數是對視頻信號進行數字化的兩個關鍵性參數。在數字視頻設備中，對亮度信號采用8bit量化（即人們熟知的256個灰度級），是公認比較合理的選擇。不過在要求較高的場合，也可以采用10bit或12bit的量化。對色差信號，量化比特數可以取8bit，也可以取得低些。

根據取樣定理，取樣頻率應不小于信號最高頻率的2倍，在實際應用中，一般選取2.2～2.7倍。在PAL制中，亮度信號和色差信號的最高頻率分別為6MHz和1.3MHz；在NTSC制中，亮度信號的最高頻率則為5.5MHz。除了滿足取樣定理的要求外，還希望取樣點的位置在每一幀中都是固定的，例如形成圖2-15（a）所示的正交結構，或（b）圖所示的梅花點結構（Quincunx）。取樣點在掃描光柵上組成的二維點陣，稱為取樣結構。一般選取固定正交的取樣結構，樣點在每一行中的位置是相同的（例如，第一個樣點總在行正程的起始處），以便于后續的對數字分量電視信號的處理。

不難理解，要形成正交的取樣結構，取樣頻率應為行頻fh的整數倍。在每幀625行、每秒50場的PAL制和每幀525行、每秒60場的NTSC制電視中，625×50和525×60兩個乘積幾乎相等，二者掃描1行所用的時間幾乎是一樣的，兩種行頻的最小公倍數是2.25MHz。只要將亮度信號和色差信號的取樣頻率數值取為2.25MHz的整數倍，就可能在兩種系統中都得到固定的正交取樣結構。

在國際電聯無線電組（ITU-R）制定的標準CCIR601中，亮度和色度信號的取樣頻率，fy和fc，分別規定為：

式中，fhNTSC、fhPAL分別為NTSC制和PAL制的行頻。將亮度信號和色度信號都量化到8bits，三個分量信號數字化后所產生的總比特率為：

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

CCIR601（或ITU-RBT.601）還規定PAL制每幀的正程有576行，NTSC制則為480行，兩種制式的行正程都取720個樣點，這也常稱為D1格式。圖2-16（a）給出了對應的取樣結構，其中○點和×點分別代表亮度信號和色差信號取樣點的位置；圖2-16（b）給出了取樣后亮度和色差信號樣點所構成的矩陣的大小。由于兩個色差信號的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的1/2，這種格式被稱為4∶2∶2格式。

根據不同的應用，分量信號的數字化還可以采用4∶4∶4和4∶1∶1的取樣格式，如圖2-17（a）和（b）所示。在這兩種格式中，色差信號的取樣頻率分別與亮度信號取樣頻率相同，或等于它的1/4。當對圖像質量的要求不太高時（如現場新聞報道），也可以采用2∶1∶1的取樣格式，此時亮度信號的取樣頻率為6.75MHz，色差信號的取樣頻率為它的1/2。

在視頻圖像的壓縮編碼中，最常使用的是4∶2∶0的取樣格式，如圖2-17（c）所示。在這種格式中，亮度和色差信號的取樣頻率與4∶2∶2格式相同，但色差信號的行數為4∶2∶2格式的1/2，因而色差信號樣點所構成的矩陣大小只是亮度矩陣的1/4。

CCIR601標準還規定了分量信號的取值范圍：

Yd＝219Y＋16 （2-24）

Cb＝224U＋128 （2-25）

Cr＝224V＋128 （2-26）

式中，Y為對取值在0～1之間的模擬亮度信號進行數字化之后的結果，U和V為對取值為－0.5～0.5之間的模擬色差信號進行數字化之后的結果。經過上式的轉換并取最接近的整數值，得到標準的分量信號Yd，Cb和Cr。Yd的取值范圍為16～235，Cb和Cr則為16～240。