寬色域hdtv數位電視系統測試方法

2023-09-12 15:26:00

專利名稱：：寬色域hdtv數位電視系統測試方法
技術領域：
：本發明涉及數位電視技術、高清晰度電視技術，具體講是涉及寬色域HDTV數位電視系統測試方法。
背景技術：
：隨著現代科技和工業的迅速發展，近年來多種新型顯示器件和顯示技術不斷湧現，除傳統的陰極射線管(CRT)外，液晶顯示器(LCD)、等離子體顯示器(PDP)、數字光學處理器(DLP)、矽基液晶顯示器(LCoS)、發光二極體背光源液晶顯示器(LED-LCD)等多種新型顯示器件己實用化或已研製成功。在顯示方式方面，除直視型外，前投影、背投影和雷射投影顯示等也已投入實用。這些新型高端顯示器件和顯示方式基於不同原理，採用不同材料、器件和技術，彩色還原能力在增強，性能在提高，一些"未來型"顯示器還將湧現。另一方面消費市場對顯示效果也有了越來越高的要求，僅僅提高清晰度已不能滿足人們對真實再現場景的要求，彩色還原能力也在成為衡量顯示器顯示效果的重要指標。目前通用的電視系統仍基於早年科技成果，按CRT特性選定系統參數，與當代攝像、顯像技術的進步、數位電視正在取代模擬電視、HDTV開播、計算機和數位訊號處理技術深入電視領域等不再適應，特別是限制了自然界存在、人工能合成或計算機能產生，而又能被視覺感知、因而電視系統應傳輸和重現的色域寬度，使目前的色域覆蓋率不足視覺能感受色域範圍的40%。鑑於此，構建寬色域電視系統的原理、寬色域電視信號的傳輸和重現方式等，已成為目前國際學術界和產業界的熱點問題，寬色域電視技術對於下一代數位電視編碼、傳輸和顯示會有重大影響。由於要求寬色域HDTV系統不再局限於由CRT基色三角形限定的色域，使得需傳輸的信號幅度範圍、變換和編碼方法以及重顯處理等，均有別於通常的常規色域電視系統。相應的常規色域電視測試信號也無法滿足測試寬色域HDTV系統的要求。現行通用的常規色域與人眼可見色域相距甚遠，寬色域數位電視系統是繼HDTV之後，數位電視系統追求的另一目標。目前寬色域攝像和顯像產品開發已取得長足進展，性能在不斷改善，這極大地促進了寬色域電視系統的理論研究與標準化工作，不過目前尚無針對寬色域電視系統和設備的測量信號。
發明內容為克服現有技術的不足，本發明的目的在於為寬色域HDTV系統算法性能評價、寬色域HDTV數位電視產品及系統質量測量提供實用化測試手段。本發明採用的技術方案是，一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，依據IEC61966-2-4許用的8bit量化範圍[l,254]，在線性量化情況下，根據亮度信號的量化方程D;=/wr[2l9x￡y+16]，確定亮度信號取值範圍可擴至[-0.0685,1.0868];根據色差信號的量化方程l^'"=W7"[224x^+128^'確定傳輸範闈為[_0.5625，0.5625];l《=M7"L224x￡ra+128」前式中，￡K、《w分別表示亮度傳輸信號、藍色差傳輸信號和紅色差傳輸信號，D;、Z、A,分別表示4、￡;.s、《.K經量化後的信號，/A^為四會五入取整數函數=/AT「224x￡;,fl+128]'再根據D「釘「219x《+l6]得到亮度信號Y、根據'8I"乂得到色差信號L」(Da=遊[224x￡(7(+128]Cb、Cr可傳輸範圍與量化級值間的關係分別見表l和表2，對現行常規色域HDTV系統，亮度信號可傳輸範圍為表1中的01，對應量化值16235;色差信號可傳輸範圍為表2中的-0.500.5，對應量化值16128240:表1IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性呈化線性延拓後亮度信號傳輸範圍與量化值間的關係Y數值(￡l')-0.0685-0.0639011,05941.0868量化值("^)1216235248254表EC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化線性延拓後色差信號傳輸範(l與呈化值間的關係Cb,Cr數值(《p《-w)-0.567-0.5625-0.558-0.5...00.50.5580.562512316…128240253254利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，用表1和表2得到彩條信號中各顏色的混色比例，即各顏色_0.21260.71520.0722_並根據HDTV的編碼方程=—0.1146~0.38540.5000計算得到傳0.5000~0.4542-0.0458輸信號《、4"《w的取值，見表3:表3IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性呈化彩條測試信號信號白黃靑綠品紅1.08681.0868-0細5-0細51.08681.0868-0.0685-0細51.08681.08681.0868l馬8-0細5-0.0685-0.0685-0細51.0868-0.06851.0868-0扁51.0868-0.06851.0868-0.0685E、.l扁81.00340.84120,75780.26050.17710.0149-0.06850細0-0.57770.1324-0.44530.4453-0.13240.57770細00扁00.0529-0.5777-0.52470.52470.5777-0.05290細0E5、EEs分別為非線性光電特性校王后的紅、綠、藍基色信號；亮度信號的量化範圍取表1中的[2,248]，即取值範圍為[-0.0639，1.0594];利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，用表1、表2和表3得到彩條信號中各顏色的混色比例，即各顏色^，^，^的取值，5-0.21260.71520.0722—《—0.1146-0.38540.5000計算得到傳輸信號0.5000—0.4542-0.04584並根據HDTV的編碼方程的取值，見表4，寬色域電視國際標準ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4對HDTV電視信號的處理除非線性校正方法不同外、編碼方程和量化方程均相同，因此表4中數據即為ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4標準寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號各色條基色信號Es、E,:、Es以及亮度和色差分量信號《、￡、￡的取值表4ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性呈化彩條測試信號信號白黃品紅藍Er'1.05941.0594-0.0639-0.06391.05941.0594-0.0639-0.0639Eg'1.05941.05941.05941.0594-0.0639-0.0639-0.0639-0.0639Eb'1.0594-0.06390594-0.06391,0594-0.06391.0594-0.0639Ey'1,05940.97830.82060.73950.25600.17490.0172-0.0639EcbO細O-0.56170.1287-0.43290.4329-0.12870.5617O扁O0.00000.0514-0.5617-0.51020.51020.5617-0.0515O細O根據表4生成數據文件；將數據文件寫入存儲器，再按電視系統的掃描標準將它們讀出，並轉換成物理信號；輸入到寬色域HDTV系統各組成設備，進行測試。將ITU-RBT.1361和正C61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號數據輸入到HDTV軟體編碼系統，則可產生按不同系統、不同信源編碼標準編碼的碼流，這些碼流用於寬色域HDTV計算機模擬系統算法研究。將碼流存入存儲器，再用碼流發生器將其讀出，進而經相應接口，可送寬色域HDTV系統相應碼流輸入埠，進行相應的測試。將碼流輸入到接收、顯示終端，進行理想傳輸條件下，終端設備性能的測試。將碼流輸入到接收、顯示終端，進行實際傳輸條件下，終端設備性能的測試。本發明可帶來下列技術效果1、本發明根據數據表生成數據文件並最終轉換成物理信號輸入到寬色域HDTV系統各組成設備，其提供的測試信號能夠監視和測試傳輸系統和顯示系統的色度性能，對系統非線性校正、信號量化範圍、系統傳輸特性線性、色空間變換、A/D和D/A轉換的正確性等性能指標進行測量。2、本發明將數據文件輸入到寬色域HDTV軟體編解碼系統，檢驗寬色域理論與算法的優劣。3、本發明提出的寬色域HDTV彩條信號能完整的在當前通用常規色域數位電視傳輸信道中兼容傳輸，測定相關產品的性能，並得以保證測試結果的客觀性和準確性；同時該信號最大限度的利用了傳輸信道，能夠測試系統色域覆蓋性能的極限值，監測寬色域電視系統質量，確保真實重現寬色域活動圖像等。4、將本發明提出的寬色域HDTV彩條信號數據編碼成不同層次碼流，可為寬色域HDTV數位電視理論研究、產業鏈中不同產品的開發、系統性能測試以及寬色域HDTV系統標準符合性監測等，提供定量測試信號，從而保證寬色域HDTV編碼信號和產品規範化，為構建規範化寬色域HDTV系統奠定基礎，推進寬色域HDTV廣播事業發展。圖1是本發明提出的寬色域HDTV數位電視系統測試方法和彩條測試信號所表示的色域範圍與現行常規色域HDTV系統色域的比較。具體實施例方式基於寬色域HDTV系統工作原理，提供符合相關標準、數據準確、生成和使用簡便、符合常規色域電視系統測試習慣的測試方法和測試信號，成為研究寬色域HDTV算法，開發寬色域HDTV設備和構築寬色域HDTV系統的重要一環。本發明正是這樣一種對寬色域HDTV系統研究、設備研製、系統監測等不可缺少的測試信號，有廣泛應用前景和實用價值。近年來，相關國際組織先後制訂了兩項有關寬色域HDTV系統的規範。一個是國際電信聯盟ITU-RBT.1361建議書，另一個是國際電工委員會正C61966-2-4標準。這兩個規範基於與常規色域電視系統兼容傳輸，規範了寬色域HDTV信號光電轉換特性、信號幅度範圍、編碼方程以及可用的量化級別等。本發明參照這兩項標準，提出了適用於檢測寬色域HDTV系統信號傳輸和重顯性能的寬色域HDTV彩條測試信號。該信號可用來檢測寬色域HDTV系統編碼方式，傳輸信道傳輸範圍，以及解碼器是否能重建無失真數字分量信號等。該信號除含黑條和白條信號外，只含紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色及它們的補色黃(Y)、品(M)、青(C)。這樣得以最本質地反映基於R、G、B三基色原理、按相加混色構建彩色電視系統的色域覆蓋性能，確保了測試信號準確、可靠，並能極大地提高測試效率。彩色電視系統基於三基色原理和相加混色原理建立，色度圖上以三基色為頂點得到的三角形區域即為彩色電視系統能夠實現的最大色域。因此.三基色及其補色在色度圖中的坐標對彩色電視信號傳輸和重現有決定性意義。彩條信號即由紅、綠、藍三基色及其補色黃、品、青以及一個白條和一個黑條組成，將其用來測量數位電視系統傳輸和重現性能方便而準確。本發明提出了一種能充分利用傳輸信道、符合當前寬色域國際標準ITU-R0T.1361和IEC61966-2-4的寬色域HDTV彩條測試信號，該彩條信號能精確、方便地測量寬色域數位電視系統性能和可顯示的色域範圍。寬色域電視國際標準(正C61966-2-4)允許數位電視信號的8比特量化範圍擴展至[l，254]，那麼在線性量化情況下，根據亮度信號的量化方程(公式l),亮度信號取值範圍可擴至[-0.0685,1.0868]，根據色差信號的量化方程(公式2)，色差信號可擴至[-0.5670，0.5625]，由於色差信號正負對稱，因此其可傳輸範圍為[-0.5625,0.5625〗。公式1和2中，￡;、￡(.,、g.,分別表示亮度傳輸信號、藍色差傳輸信號和紅色差傳輸信號。4、《、^分別表示4、￡:.、￡:7:-K=釘[224x￡rR+128]亮度信號Y和色差信號Cb、Cr可傳輸範圍與量化級值間的關係分別如表1(根據公式1計算得到)和表2(根據公式2計算得到)所列。對現行常規色域HDTV系統，亮度信號可傳輸範圍為表1中的01，對應量化值16235;色差信號可傳輸範圍為表2中的-O.500.5，對應量化值16128240。表1IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化線性延拓後亮度信號傳輸範圍與呈化值間的關係tableseeoriginaldocumentpage8表2IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化線性延拓後色差信號傳輸範圍與量化值間的關係tableseeoriginaldocumentpage8本發明利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，可以用上述範圍得到彩條信號中各顏色的混色比例(即各顏色Ei，E,i，Es的取值)，並根據HDTV的編碼方程(公式3)計算得到傳輸信號《、、&的取值，如表3所列。tableseeoriginaldocumentpage8表3IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號tableseeoriginaldocumentpage8公式(3)和表3中，Es、Ec、E糹分別為非線性光電特性校正後的紅、綠、藍基色信號。從表3中可以看出，色差信號的取值範圍是[-0.5777，0.5777]，已經超過了常規色域電視系統可兼容傳輸範圍[-0.5625,0.5625],這樣的信號其超出部分在傳輸時將會被截斷，在接收端重現時造成顏色畸變。從表1和表2可知，這是由於亮度信號在高電平端最多可擴展出19個量化級，而色差信號最多只能擴展出14個量化級，並且亮度信號單位量化級可表示的數值大於色差信號單位量化級可表示的數值，所以必須壓縮亮度信號的可用擴展量化級數。為此，亮度信號的量化範圍取表1中的[2，248〗，即取值範圍為[-0.0639，1.0594]。同樣，利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，可以用上述範圍得到彩條信號中各顏色的混色比例(即各顏色￡.，^-,2的取值)，並根據HDTV的編碼方程(公式3)計算得到傳輸信號￡;.、、的取值，如表4所示。從表4中可以看出，相應的色差信號的取值範圍是[-0.5617,0.5617]，落入色差信號信道可傳輸範圍[-0.5625，0.5625]之內，對應表2中的量化範圍[2,254〗。寬色域電視國際標準ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4對HDTV電視信號的處理除非線性校.iH方法不同外、編碼方程和量化方程均相同，因此表4中數據即為ITU-RBT.1361和正C61966-2-4標準寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號各色條基色信號E^、E。Ej以及亮度和色差分量信號《、￡、￡(.的取值。表41TU-RBT.136I和IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號信號白黃青綠品紅藍黑1.05941.0594-0.0639-0.06391.05941.0594-0.0639-0.06391.05941.05941.05941.0594-0.0639-0.0639-0.0639-0.06391.0594-0.06391.0594-0.06391.0594-0.06391.0594-0.0639E(-1.05940.97830.82060.73950.2560O.冊0.0172-0.0639O細O-0.56170.1287-0.43290.4329-0.12870.5617O細O0細00.0514-0.5617-0.51020.51020.5617-0.05150細0按表4所列數據生成的寬色域HDTV彩條測試信號能在8比特線性量化情況下，最大限度地利用信道，實現與常規色域信號的兼容傳輸，並且能夠保證系統中信號的完整，為準確測量寬色域HDTV系統性能提供手段。下面結合附圖和實施方式，進一步說明本發明。圖1比較了在均勻色度坐標系下，本發明提出的寬色域HDTV彩條測試信號能覆蓋的色域範圍與常規色域彩條信號所覆蓋的色域範圍。實線舌型圖表示人眼可見光譜軌跡，虛線三角形是按照ITU-RBT.709設計的常規色域彩條測試信號覆蓋的色域範圍，點劃線三角形是本發明提出的寬色域HDTV彩條測試信號按照IEC61966-2-4中規定的光電轉換特性所能覆蓋的色域範圍，點線三角形是本發明提出的寬色域HDTV彩條測試信號按照ITU-RBT.1361中規定的光電轉換特性所能覆蓋的色域範圍。從圖1中可以看出，本發明提出的寬色域彩條信號能夠比常規色域彩條信號覆蓋更大的色域範圍。按表4給出的數據，即可生成寬色域HDTV彩條測試信號數據文件。將數據文件寫入存儲器，再按電視系統的掃描標準將它們讀出，並轉換成物理信號，則可經不同接口，輸入到寬色域HDTV系統各組成設備或系統，進行測試。將寬色域HDTV彩條測試信號數據輸入到HDTV軟體編碼系統(ISO/IEC13818-5，參考軟體可從www.mt)eg.om下載)，則可產生按不同系統、不同信源編碼標準編碼的碼流。這9些碼流可用於寬色域HDTV計算機模擬系統算法研究。將編碼碼流存入存儲器，再用碼流發生器將其讀出，進而經相應接口，可送寬色域HDTV系統相應碼流輸入埠，進行相應的測試。將碼流輸入到接收、顯示終端，則可進行理想傳輸條件下，終端設備性能的測試。將碼流疊加各種類型噪聲或幹擾，可進行實際傳輸條件下，終端設備性能的測試。所有這些測量，可用示波器等測量儀器觀察並測量彩條信號的波形和信號幅度，判斷並測量各環節處理的正確性和失真程度；也可在接收端顯示器上直接觀測重現彩色的亮度、色調、飽和度等，或進行色度方面的測量，以確定顯示系統對寬色域電視信號的處理和顯示能力。現行通用的常規色域與人眼可見色域相距甚遠，寬色域HDTV數位電視系統是繼常規色域HDTV之後，HDTV數位電視系統追求的另一目標。目前寬色域攝像和顯像產品開發已取得長足進展，性能在不斷改善，這極大地促進了寬色域電視系統的理論研究與標準化工作，不過目前尚無針對寬色域HDTV電視系統和設備的測量信號。為檢驗寬色域理論與算法的優劣，測定相關產品的性能，監測寬色域電視系統質量，以期合理而充分地利用數位電視傳輸信道，真實重現寬色域HDTV彩色電視圖像，本發明提出了表4所列測量寬色域HDTV設備和系統的寬色域HDTV彩條測試信號。本發明旨在為寬色域HDTV系統算法性能評價、寬色域數位電視產品及系統質量測量提供實用化手段。本發明提出的寬色域HDTV彩條測試信號得以用來測定與常規色域數位電視系統兼容傳輸的性能，最大限度地利用傳輸信道的能力，拓寬傳輸色域，重現寬色域活動圖像等。為此，本發明給出了8比特線性量化精度的寬色域HDTV彩條測試信號，並詳細開列了各信號分量和各色條信號的取值。權利要求1.一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，其特徵是，依據IEC61966-2-4許用的8bit量化範圍[1，254]，在線性量化情況下，根據亮度信號的量化方程確定亮度信號取值範圍可擴至[-0.0685，1.0868]；根據色差信號的量化方程確定傳輸範圍為[-0.5625，0.5625]；前式中，分別表示亮度傳輸信號、藍色差傳輸信號和紅色差傳輸信號，分別表示經量化後的信號，INT為四捨五入取整數函數；再根據得到亮度信號Y、根據得到色差信號Cb、Cr可傳輸範圍與量化級值間的關係分別見表1和表2，對現行常規色域HDTV系統，亮度信號可傳輸範圍為表1中的0～1，對應量化值16～235；色差信號可傳輸範圍為表2中的-0.5～0～0.5，對應量化值16～128～240表1IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化線性延拓後亮度信號傳輸範圍與量化值間的關係表2IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化線性延拓後色差信號傳輸範圍與量化值間的關係；利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，用表1和表2得到彩條信號中各顏色的混色比例，即各顏色的取值，並根據HDTV的編碼方程計算得到傳輸信號的取值，見表3表3IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號分別為非線性光電特性校正後的紅、綠、藍基色信號；亮度信號的量化範圍取表1中的[2，248]，即取值範圍為[-0.0639，1.0594]；利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、而色差信號等於零以及相加混色原理，用表1、表2和表3得到彩條信號中各顏色的混色比例，即各顏色的取值，並根據HDTV的編碼方程計算得到傳輸信號的取值，見表4，寬色域電視國際標準ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4對HDTV電視信號的處理除非線性校正方法不同外、編碼方程和量化方程均相同，因此表4中數據即為ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4標準寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號各色條基色信號以及亮度和色差分量信號的取值表4ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號；根據表4生成數據文件；將數據文件寫入存儲器，再按電視系統的掃描標準將它們讀出，並轉換成物理信號；輸入到寬色域HDTV系統各組成設備，進行測試。2.根據權利要求1所述的一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，其特徵是，將ITU-RBT.1361和IEC61966-2-4寬色域HDTV系統8比特線性量化彩條測試信號數據輸入到HDTV軟體編碼系統，則可產生按不同系統、不同信源編碼標準編碼的碼流，這些碼流用於寬色域HDTV計算機模擬系統算法研究。3.根據權利要求2所述的一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，其特徵是，將碼流存入存儲器，再用碼流發生器將其讀出，進而經相應接口，可送寬色域HDTV系統相應碼流輸入埠，進行相應的測試。4.根據權利要求3所述的一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，其特徵是，將碼流輸入到接收、顯示終端，進行理想傳輸條件下，終端設備性能的測試。5.根據權利要求3所述的一種寬色域HDTV數位電視系統測試方法，其特徵是，將碼流輸入到接收、顯示終端，進行實際傳輸條件下，終端設備性能的測試。全文摘要本發明涉及數位電視技術、高清晰度電視技術，具體講是涉及寬色域HDTV數位電視系統測試方法。為寬色域HDTV系統算法性能評價、寬色域HDTV數位電視產品及系統質量測量提供實用化測試手段，本發明採用的技術方案是，根據亮度、色差信號信號的量化方程，確定信號取值範圍，確定可傳輸範圍與量化級值間的關係表，利用彩條信號中白條和黑條的亮度信號分別等於亮度信號最大值和最小值、色差信號等於零以及相加混色原理，並根據HDTV的編碼方程計算得到傳輸信號取值得到數據文件，將數據文件寫入存儲器，再按電視系統的掃描標準將它們讀出，並轉換成物理信號，對寬色域HDTV系統進行測試。本發明主要應用於HDTV數位電視系統測試。文檔編號H04N17/00GK101483789SQ20081015432公開日2009年7月15日申請日期2008年12月22日優先權日2008年12月22日發明者巖徐,奕李,彥李,李桂苓,榕潘申請人:天津大學