ITU BT 601建议及与ITU BT656 的区别【转】

1、ITU-R BT.601介绍

1982年CCIR(International Radio Consultative Committee国际无线电咨询委员会)制定了彩色视频数字化标准，称为CCIR 601标准，现改为ITU-R BT.601标准（601-4:1994.7. / 601-5:1995.10）。该标准规定了彩色视频转换成数字图像时使用的采样频率，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系等。

其中的ITU = International Telecommunication Union(联合国)国际电信联盟，R = Radiocommunication Sector无线电部，BT = Broadcasting service (television)广播服务(电视)。

为了便于国际间的节目交换，为消除数字设备之间的制式差别,和为 625行电视系统与 525行电视系统之间兼容，向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出，在 1982年 2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第 15次全会上，通过了 601号建议，确定以分量编码为基础, 即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、 B-Y为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准，601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。

该标准规定: 

(1). 不管是PAL制，还是 NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。

(2). 抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为10bit， 用于传输为8bit。

(3). Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4: 2: 2。

在 1983年 9月召开的国际无线电咨询委员会(CCIR)中期会议上，又作了三点补充：

(1). 明确规定编码信号是经过γ预校正的 Y、(R-Y)、(B-Y)信号；

(2). 相应于量化级 0 和 255的码字专用于同步， l到 254的量化级用于视频信号;

(3). 进一步明确了模拟与数字行的对应关系，并规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔，对 525行、 60场／秒制式来说为 16个样点，对 625行、 50场/秒制式则为 12 个样点。不论 625行／50场或 525行／60场，其数字有效行的亮度样点数都是720，色差信号的样点数均是360，这是为了便于制式转换。若亮度样点数被2除，就得到色差信号的数据。

关于4:2:2的含义

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。

1.1 采样频率

为了保证信号的同步，采样频率必须是电视信号行频的倍数。CCIR为NTSC、PAL和SECAM制式制定的共同的电视图像采样标准：
                                                                f s＝13.5MHz
这个采样频率正好是PAL、SECAM制行频的864倍，NTSC制行频的858倍，可以保证采样时采样时钟与行同步信号同步。对于4:2:2的采样格式，亮度信号用13.5MHz频率采样，两个色差信号分别用f s／2＝6.75MHz的频率采样。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。

1.2 分辨率

根据采样频率，可算出对于PAL和SECAM制式，每一扫描行采样864个样本点；对于NTSC制则是858个样本点。由于电视信号中每一行都包括一定的同步信号和回扫信号，故有效的图像信号样本点并没有那么多，CCIR 601规定对所有的制式，其每一行的有效样本点数为720点。由于不同的制式其每帧的有效行数不同（PAL和SECAM制为576行，NTSC制为484行），CCIR 定义720×484为高清晰度电视HDTV（High Definition TV）的基本标准。实际计算机显示数字视频时，通常采用下表的参数：

电视制式	分辨率	帧 率(Frame/s)
NTSC	640×480	25
PAL、SECAM	768×576	30

1.3 数据量

CCIR 601规定，每个样本点都按8位数字化，也即有256个等级。但实际上亮度信号占220级，色度信号占225级，其它位作同步、编码等控制用。如果按f s 的采样率、4：2：2的格式采样，则数字视频的数据量为：
                                    13.5(MHz)×8(bit)＋2×6.75(MHz)×8(bit) = 27Mbyte / s

不同色度采样格式和不同分辨率下的码率和最小压缩比计算如下：

a) 4:2:2格式

　　SDTV像素速率为：(720×576＋2×360×576)×25 =(720×480＋2×360×480)×30 =20.736兆像素/秒
　　码率=20.736兆像素/秒×8bit=165.888Mbps
　　Main Level视频格式中最高传输码率为15Mbps,则最小压缩比=165.888Mbps/15Mbps=11.06。
　　窄屏HDTV像素速率为：(1440×1152＋2×720×1152)×25=(1440×960＋2×720×960)×30=82.944兆像素/秒
　　码率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps。
　　High-1440 Level的最高传输码率为60Mbps，则最小压缩比=663.552Mbps/60Mbps=11.06
　　宽屏HDTV像素速率为：(1920×1152＋2×960×1152)×25=(1920×960＋2×960×960)×30=110.592兆像素/秒
　　码率=110.592兆像素/秒×8bit=884.736Mbps
　　High Level的最高传输码率为80Mbps,则最小压缩比=884.736Mbps/80Mbps=11.06

b) 4:2:0格式

     因为人眼对色度清晰度不太敏感，为了降低码率可采用4:2:0格式，这时各视频格式的码率及最小压缩比：
　　SDTV像素速率为：(720×576＋2×360×288)×25 =(720×480＋2×360×240)×30=15.552兆像素/秒
　　码率=15.552兆像素/秒×8bit=124.416Mbps
     压缩比=124.416Mbps/15Mbps=8.29
　　窄屏HDTV像素速率为：(1440×1152＋2×720×576)×25=(1440×960＋2×720×480)×30=62.208兆像素/秒
　　码率=62.208兆像素/秒×8bit=497.644Mbps
     压缩比=497.664Mbps/60Mbps=8.29
　　宽屏HDTV像素速率为：(1920×1152＋2×960×576)×25=(1920×960＋2×960×480)×30=82.944兆像素/秒
　　码率=82.944兆像素/秒×8bit=663.552Mbps
     压缩比=663.552Mbps/80mbps=8.29

601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

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2、ITU-R BT.601与ITU-R BT.656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，最后更新的文档代号为：ITU-R  BT.601-5。
ITU-R BT 656: 9芯，不需要同步信号；8/10位数据传输；不需要同步信号；串行数据传输；传输速率是601的2倍；先传Y，后传UV。行场同步信号嵌入在数据流中；最后更新的文档代号为：ITU-R  BT.656-4。

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=106.4Mb/S。

 

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问题小结：

有关于8位，10位，16位，32位的问题：

       1、 位数的概念其实是两个方面的：

      .1 是标准里面定义的\"a uniformly-quantized 8-bit binary encoding,\",也就是编码的格式，601里面支持两种格式：8-bit,10-bit.如果是8-bit，那么信号的表示范围是0-255，如果同时是4：2：2，记住这个先决条件，

那么，就有下面的结论：
   \"In the case of the 4:2:2 systems described in this Recommendation, levels 0 and 255 are reserved for synchronization data, while levels 1 to 254 are available for video.“

.2 硬件连接的表示方法：
       因为656一般是用8位数据线的+1根时钟线，那么也叫做8-bit mode,很多人认为这个是串行的，因为相对于16bit的601节省了8根数据线。然而，在656标准里面是却定义为位并行的（BIT-PARALLEL INTERFACE），因为656还有更决的，那就是一根线传送的标准：（BIT-SERIAL INTERFACE）
       而601一般是16位数据线的，那么也叫16-bit mode,这个和编码的位的概念是不同的。但是，601似乎也有8-bit的所谓的接口串行的接法。

.3 有关于16-BIT 601，这个是指数据线的位数。
       我们知道，601一般是16位的数据线，因为y/cb/cr的编码定义是同时的，也就是串行的，那么必须是27M的带宽时钟。所谓串行不是指数据线的位数，传统认为，数据线位数多的就是并行。这里的串行是指在一个基本的编码字（Code word）里面Y/CB/CR是否是交织的，这个在后面我会写详细解释。
       但有时候，也有用16位的数据线，把y 和cb/cr分别同时传，这样只需要13.5M的带宽时钟。

       2  、有关于支持串行和并行两种模式：

        所谓串行和并行，有时候，定义为如果y/cb/cr同时传送那就是串行的，否则就是并行的。所谓串行不是指数据线的位数，传统认为，数据线位数多的就是并行。这里的串行可以是指在一个基本的编码字（Code word）里面Y/CB/CR是否是交织的。有是并行的，没有串行的。
        但这些并行、串行的方式总的来说都可称为数字串行的接口（serial digital video interfaces），因为每一个端口的数据都不是固定的，
根据编码的格式不同，比如：601-8bit , 他的端口（D7-D0）可以是...0(8-bit)，CB(8-bit),Y(8-bit),CR(8-bit),Y,0,...

    601 8-bit   模式    是Y/CB/CR的串行传送的数字串行接口，所以带宽要求高。
           601 16-bit 模式    是Y/CB/CR的并行传送的数字串行接口,但是因为是16bit 所以带宽减半。

    656作为\"practical implementation of Recommendation 601\",因为固定8位的（The data signal are in the form of binary information coded in 8-bit words.），所以应该归为串行的传送。但是，因为可以656还可以变为一根线传送的，所以，又支持位串行和位并行两种方式，这个和传统的串行和并行不同。

 

3、有关于601是8-bit 模式的硬件连接，为什么传送带宽反而要求更高。

       因为601是\"co-sited\"的\"sampling structure\", 对于，4：2：2结构来说，那么,\"co-sited\"是指同时的，

那么它的带宽就是：

                             Y+CR+CB = 13.5M+6.75*2M = 27M。
       也就是在一帧的视阈内，同时在8位的数据线上传送这些数据，所以带宽要求高。当然也有16-bit模式的601.
       656作为601的扩展，支持串行和并行两种模式：并行模式下，16根数据线，可以用一般的带宽分别传送：

                             Y + CRCB =13.5M.

 

4.16-bit mode 601和656的并行模式区别和选择理由：

     .1 同步传送和非同步

656除了基本的601信息外，还含有一些同步数字编码信息，比如SAV,EAV等等。所以他总共9位，8-bit data + clock。
       601 -16bit 除了16位的数据，还有HS,VS,CLK信号，总共是19Bit.
      CCIR656 是同步传输的，decoder 端不用自己产生 clock。在 CCIR601 中，decoder 要自己去锁定这个同步讯号，再自己产生 clock 来解。所以以 CCIR656 来传递的 video 讯号质量应该更好控制。
      .2 速度因素：601有更多的Pin脚，而且省去了再解码 656 -〉601 的步骤，所以应该更快

    总结，现在IC pin脚的节省大于速度因素，所以，一般考虑656。

 

5.抽样频率的选择和两大系统的统一

       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NTSC电视制式而言，亮度信号的带宽是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。

 

6、数字分量视频信号有效行取样点数的确定和两大系统的统一

       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。

7、同步的方式。

      ITU656接口为8bit数据位宽接口，为内同步方式，即同步字嵌入于ITU656码流当中；
      ITU601接口可以为16bit数据位宽接口，为外同步方式，即同步信号用单独的信号线传输。

 从ITU656接口转换为ITU601接口的方式是通过将嵌入在ITU656码流内部的同步信号提取出来，同时将表示亮度和色度的数据流分离开，排成16bit数据位宽的ITU601格式同时输出，从而完成格式的转换。
　
    8、656内部使用的校验码基本 

       P3，P2，P1，P0是1位误码纠错和2位误码检错的功能

    海明校验码
       这是由Richard Hamming于1950年提出、目前还被广泛采用的一种很有效的校验方法，是只要增加少数几个校验位，就能检测出二位同时出错、亦能检测出一位出错并能自动恢复该出错位的正确值的有效手段，后者被称为自动纠错。它的实现原理，是在k个数据位之外加上r个校验位，从而形成一个k+r位的新的码字，使新的码字的码距比较均匀地拉大。把数据的每一个二进制位分配在几个不同的偶校验位的组合中，当某一位出错后，就会引起相关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现出错，还能指出是哪一位出错,为进一步自动纠错提供了依据。假设为k个数据位设置r个校验位，则校验位能表示2r个状态，可用其中的一个状态指出 \"没有发生错误\"，用其余的2 r -1个状态指出有错误发生在某一位，包括k个数据位和r个校验位，因此校验位的位数应满足如下

关系: 
                           2r ≥ k + r + 1 (2.7)
       如要能检出与自动校正一位错，并能同时发现两位错，此时校验位的位数r和数据位的位数k应满足下述关系: 
                           2r-1 ≥ k + r (2.8) 

   
Reference:
.1 http://www.cnblogs.com/wantfei/archive/2006/12/07/62030.html
.2 http://www.dtvbbs.cn/forum/
.3 http://emic.blog.sohu.com/70924040.html
.4 CCIR 601/656
.5 SAA7118

 

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参考文章：http://blog.csdn.net/bluesky_sunshine/article/details/6074099

参考文章：http://hi.baidu.com/east_shen/blog/item/cdca1317079c6d0cc93d6d90.html