ITU-R BT.601选定13.5 MHz作为对不同制式模拟电视数字化的统一采样频率,也就是对亮度信号Y的取样频率。而对于色度U、V信号,由于其带宽远比亮度信号的带宽窄,因而对色度信号U和V的取样频率与Y相比减半,为6. 75 MHz。这样做的原因是考虑到人的眼睛对色度信号(饱和度)的分辨率比亮度信号低。实际上为了节省视频数字化的数据量,充分利用人眼特性,经常对色度进行二次采样,从而出现了多种YUV的数字视频表示方式。这几种表示方式亮度分量采样位置都相同,区别只在于色度分量(注意当采用隔行光栅扫描时,任何一个分量相邻两行分别位于不同的两场,即顶场和底场)。几种数字视频采样格式简介如下:
1、YUV 4︰4︰4格式
这种数字视频格式的色度信号采样与亮度信号完全一样,如图1 (a)所示。图中黑圆圈代表亮度采样位置,阴影矩形代表色度采样位置,亮度信号和色差信号均为PCM 8 bit量化编码,Nb=24 bit。YUV 4︰4︰4格式每个亮度采样位置也是色度U、V采样点位置。每4个(2×2)Y采样点也有4个U色度和4个V色度采样点。对于PAL制BT. 601数字视频有效区域中数据率为R=25×720×576×24 bit≈249Mbit/s。NTSC制BT. 601数字视频有效区域中数据率也为R=30×720×480×24 bit≈249 Mbit/s,基本上是相同的。采用这种格式能得到相当高的视频质量,应用在高质量的视频制作和编辑上。
2、YUV 4︰2︰2格式
YUV 4︰2︰2格式采样点位置如图1 (b)所示,对色度信号进行水平方向2︰1的二次采样。也就是说,水平方向色度分量的分辨率降低一半,而垂直方向保持不变与亮度的采样点相同。每4个(2×2)Y采样点只有2个U色度和2个V色度采样点,亮度信号和色差信号仍为PCM 8 bit量化编码,则Nb=(4×8+2×8+2×8)/4=16 bit。于是BT. 601数字视频有效区域中数据率为166 Mbit/s。它与YUV 4︰4︰4格式一样,能产生高质量的视频,同样可以在视频制作和视频编辑方面得到应用。
3、YUV 4︰1︰1格式
YUV 4︰1︰1格式采样点位置如图1 (c)所示,对色度信号进行水平方向4︰1的二次采样,水平方向色度分量的分辨率比YUV 4︰2︰2格式降低一半,而垂直方向仍然与YUV 4︰4︰4和YUV 4︰2︰2格式相同。每4个(4×1)Y采样点只有1个U色度和1个V色度采样点,显然这种采样方式会产生很不对称的水平和垂直方向分辨率。如亮度信号和色差信号仍为PCM 8 bit量化编码,则Nb=(4×8+1×8+1×8)/4=12 bit。对应BT. 601数字视频有效区域中数据率为124 Mbit/s。它产生的视频质量要比上述两种低,但仍然具有很好的视频质量,可以应用在DVD、VOD(Video-On-Demand)等方面。
4、YUV 4︰2︰0格式
虽然在BT. 601数字视频标准中没有这种格式,但它在实际应用却是相当广泛的,特别是对ITU-T的H.261/H.263等视频压缩标准来说这是一种基本的缺省视频格式,其亮度和色度采样位置如图1 (d)所示。此时亮度和色度信号分别对应于隔行扫描帧的奇数场和偶数场,或者是偶数场和奇数场。而且色度分量进行所在场水平和垂直方向的一次下采样。
与H.261/H.263相比MPEG-1处理的是逐行扫描图像,如图2(a)所示。此时YUV 4︰2︰0格式的亮度和色度分量采样都来自于同一帧图像,而色度分量则需由BT. 601的YUV 4︰2︰2或其他格式转换得到。
图2:逐行扫描方式MPEG-1/2 YUV 4︰2︰0不同采样位置
在MPEG-2中同样有YUV 4︰2︰0格式,对于逐行扫描方式,其色度分量与MPEG-1的YUV 4︰2︰0格式色度位置在水平方向相差1/2个像素,如图2(d)所示。对于MPEG-2隔行扫描,每帧图像被分成两场,顶场和底场,其顶场和底场的YUV 4︰2︰0格式如图3(a)、(b)所示。
从图1 (d)、图2和图3可以看出YUV 4︰2︰0格式中色度分量不仅在水平方向上同时也在垂直方向上进行二次采样,其水平方向分辨率与YUV 4︰2︰2相同,而垂直方向分辨率却比上述三种格式都降低一半。每4个(2×2)Y亮度采样点只有1个U采样点和1个V采样点,它具有与YUV 4︰1︰1格式相同的Nb=12 bit和相同的数据率。但这种格式克服了YUV 4︰1︰1中水平和垂直方向分辨率的不对称性,因此颜色的显示比YUV 4︰1︰1更加真实。在VCD、视频会议、可视电话、无线视频通信以及SMPTE所定义的几种高清晰度电视也都采样这种格式。