數字與模擬攝錄像機的區別與基本工作原理

DV （Digitals Video）新型家用數字攝錄像機的技術(shù)標準制定于1993年9月。當時(shí)是為了避免數字家用錄像機重蹈模擬家用錄像機的格式之爭而由日本的索尼、松下、JVC及歐洲等幾大公司共同制定的。所有說(shuō)：DV是世界范圍的新一代家用數字錄像機的統一格式，是數字家用攝錄像機的統一標準。
      DV數字攝錄像機將攝錄的視音頻信號完全采用數字方式記錄在1/4英寸（6.35mm)寬磁帶上,其視頻分量采用8位,音頻采用16位數字方式進(jìn)行處理，水平清晰度高達500電視線(xiàn)，彩色頻濾帶寬3MHz，信噪比S/N為54dB，應用PCM音頻調制達到了CD的音質(zhì)，正是由于采用了數字格式使整機達到了專(zhuān)業(yè)級指標。
          一，磁帶信號分布
         我們知道在VHS 格式中，其磁帶上的信號每記錄一幀圖像需用2條磁跡（49mm），并將音頻和控制磁跡記錄在磁帶的上下兩邊。其視頻信號是以模擬降頻亮色混合方式、音頻是以偏磁或調頻方式記錄在磁帶上的。而DV磁帶上的一幀圖象則需要12條磁跡，每條磁跡寬度10微米。其音頻信號是采用調頻PCM方式記錄在磁跡上的，尋跡用的控制信號是采用與模擬8mm類(lèi)似的ATF伺服方式記錄在視頻磁跡區內的。在磁帶的視頻記錄區內，視頻數據信號被壓縮到原有的1/5并被記錄下來(lái)。視頻區內含有視頻數據和視頻輔助數據錄制格式被記錄在輔助數據中。音頻數據采用非壓縮方式也具有數據和輔助數據兩種信息。其中輔助數據含有錄制模式雙聲道四聲道模式。此外還有一個(gè)副碼區，它飽含了磁跡碼時(shí)間碼快速搜索和編輯索引數據。輔助視頻輔助音頻及副碼被通稱(chēng)為“系統數據”。這些數據可存儲在DV盒式錄像帶盒上的數據存儲器上作為檢索使用。另外磁跡信息和插入信息被置于ITI區其中磁跡信息主要是反映磁跡寬度以區別SP或LP的走帶方式。插入信息是為后面講的開(kāi)始同步塊（SSA）區使用的它可以辨認出重放時(shí)的音頻數據視頻數據副碼數據的位置。在磁帶中區與區之間要有一定的安全空間，這個(gè)信號被插入在連續信號中。在圖1 中每個(gè)視頻音頻副碼區中都含有同步塊，在同步塊中含有同步ID  數據及奇偶信息。視頻區含有149個(gè)同步塊，音頻區含有14個(gè)同步塊副碼區，含有12個(gè)同步塊。
                  
                       圖 1            VHS與DV格式比較圖
                                          DV格式磁帶格式圖

       顧名思義，DV數字錄像機也還是錄像機。 因此也必須具備記錄和重放信號兩大基本功能，它們與模擬錄像機有許多相同之處，基本構成也包括：記錄信號處理、重放信號處理、 伺服系統、機械系統。不同之處， 在于記錄的視音頻信號不再是隨時(shí)間變化的連續模擬調制波形， 而是隨時(shí)間變化的由“０”和“１”構成的數字比特流， 對這種比特流的記錄和重放處理是數字錄像機采用的新技術(shù) 。                                二、數字碼率壓縮處理
       DV是數字分量錄像機,所謂數字分量錄像機是指它們的數字化是對亮度和色差信號分別進(jìn)行的,因此, 它們在數字化處理的共同特點(diǎn)是:
       亮度和色差信號的取樣都是8bit;亮度和色差信號的取樣頻率分別是13.5MHz和6. 75MHZ;采用串行分量數字信號格式傳輸; 音頻信號取樣是16bit線(xiàn)性量化; 音頻信號取樣頻率是48KHz,音頻信號采用2聲道/4聲道記錄; 每幀信號記錄在12條磁跡上; 對于625/50制式的數字電視信號,每幀圖像信號的取樣點(diǎn) 每行正程取樣 為720個(gè),每幀共576行,因此,每幀取樣點(diǎn)共有720×576==414720個(gè)。 如果每個(gè)取樣點(diǎn)按8bit量化,則比特流的碼率是:
                                     720×576×8×25×(1+0.5)== 124MB/S
       根據上邊得到碼率， 要將它們全部記錄到磁帶是根本不可能的，因為， 每８ＭＨＺ帶寬可以容納的碼率大約是15 －20MB/S它們已經(jīng)大大超過(guò)了一個(gè)頻道模擬信號的帶寬,而事實(shí)上，在模擬錄像機中, 為了壓縮記錄帶寬,在磁頭縫隙, 磁帶速度和信號調頻等等方面作了大量的技術(shù)革新之后,才推出了1英寸C格式錄像機,在采用色度降頻和壓縮帶寬處理之后,推出了3/4英寸的U- maticBVU系列和1/2英寸的VHS錄像機,這兩種機型都是以減少帶寬, 犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)的。在模擬分量錄像機中, 采用了色差信號時(shí)分復用的技術(shù),才保證了圖像質(zhì)量比BVU、 VHS有明顯提高. 實(shí)質(zhì)上減小信號所占用帶寬是模擬錄像機技術(shù)發(fā)展的主攻方向。
       同樣地, 減少數字信號碼率也是數字錄像機發(fā)展的主要技術(shù),對數字電視信號來(lái)講壓縮方法主要有以下兩種:
       幀內壓縮: 主要是JPEG 、 DV等格式的壓縮方式,。數字錄像機中主要是采用了這種方式。
      早期 幀間壓縮:主要是MPEG-1、MPEG- 2 和H261壓縮方式,它們主要用在電視信號的傳輸分配系統中.在光盤(pán)記錄中主要用于 VCD和DVD。但近幾年由與數字算法的突破，完成了幀間壓縮的靜幀尋跡，新推出的一些數字攝錄像機也采用了 幀內壓縮如MPEG-2、MPEG- 4方式等。
        所謂 幀內壓縮，就是在一幀畫(huà)面內進(jìn)行有效的壓縮，在普通清晰度的PAL制數字亮度Y 信號中1 幀畫(huà)面內含有720*576個(gè)像素，在色度R-Y  B-Y數據中含有360*280像素。為此對于數字信號來(lái)說(shuō)，在PAL制中其采養頻率Y=13.35R-Y，B-Y為6.75既Y采樣頻率使信號的4 倍，C 采樣頻率是其2 倍。既4：2：2。同時(shí)在傳送中將R-Y信號在相位在交替線(xiàn)（1H）上翻轉180度。使R-Y，B-Y信號實(shí)現交替采樣。對于PAL制的數字數據是以垂直方向進(jìn)行采樣的。在數字畫(huà)面中通常將8*8個(gè)像素塊稱(chēng)為1個(gè)DCT塊，也就是 DCT塊:把720×576 個(gè)取樣點(diǎn)分成由水平和垂直的8×8個(gè)取樣點(diǎn)組成的若干塊，所以在一幀畫(huà)面中亮度Y數據含有72*90=6480DCT塊，而R-Y B-Y含有60*22。5=1620個(gè)DTC塊。這些塊又合并為宏塊，(見(jiàn)圖3)既宏塊是由同一位置上,一定數量亮度DCT和色差DCT塊組成,在DV中 1個(gè)宏塊==4YDCT+(R-Y)DCT+(B-Y)DCT，這些宏塊經(jīng)混合合并又成為 超塊。對于625/50制式, 把一幀圖像水平分成5部分,垂直分成12部分后,這樣的每一部分叫做超塊，一個(gè)超塊為27個(gè)宏塊組成。(見(jiàn)圖2)
       所以在DV格式中一幀畫(huà)面中共有像素: 720×576==414720個(gè)
       亮度DCT塊:720/8×576/8==90×72== 45×36×4(個(gè))
      色差DCT塊360/8)×(288/8)==45 ×36(個(gè))，宏塊:45×36==1620(個(gè))， 超塊:60個(gè)。而且,一幀畫(huà)面用12條磁跡進(jìn)行記錄, 因此,我們得出:一條磁跡對應著(zhù)5個(gè)超塊或者135 個(gè)宏塊或者810個(gè)DCT塊1個(gè)超塊對應著(zhù)27個(gè)宏塊或者162個(gè)DCT塊。所有數字錄像機的磁帶走帶速度明顯快于模擬錄像機。

                            圖  2     DCT塊形成示意圖

      在音頻部分數字音頻是以PCM方式進(jìn)行聲言記錄的其兩個(gè)聲道是以48KHZ，44。1或32KHZ采樣頻率進(jìn)行記錄的。在磁帶分部上一幀周期音頻數據也記錄12條其中前6條記錄左聲道，后6條記錄右聲道。
         
         三： 數字視音頻記錄過(guò)程
        當輸入DV攝錄機的信號是模擬信號時(shí)，它們首先在模擬/數字轉換電路中被轉換成數字信號。既以Y=13.5MHz  ，  R-Y和B-Y以6.75MHz 進(jìn)行線(xiàn)性JIAO替采樣。通過(guò)改變采樣頻率，傳輸速度變換成162M比特/秒。然后，再去除消隱信號，使162比特/秒的速度變?yōu)?24比特/秒的數據流。這一過(guò)程被稱(chēng)之為改組。完成變換的視頻信號被送入壓縮（DCT和VLC）電路。在壓縮電路中要完成124M比特/秒至25比特/秒的壓縮處理。既利用離散余弦變換（DCT） DCT處理是將時(shí)間軸成分轉換成頻率成分,根據運動(dòng)檢測電路的檢測結果,來(lái)控制DCT 演算的模式,當活動(dòng)圖像少時(shí),進(jìn)行幀內8- 8DCT縱橫配置的處理,活動(dòng)圖像多時(shí)進(jìn)行場(chǎng)內2- 4-8處理.接著(zhù)通過(guò)"之"字形讀取順序,將DCT塊變?yōu)榇��?然后進(jìn)行自適應量化, 通過(guò)對數據的不斷計算,改變數據的量化級數。然后進(jìn)行交織處理，將信息量多和信息量少的圖像加以混合,以獲得均勻的信息量, 具體操作就是從不同的超塊中取出5個(gè)宏塊, 作為一個(gè)圖像數據段一幀畫(huà)面共有324個(gè)圖像數據段。 其后進(jìn)行適應性轉換把每一個(gè)視頻片段限制在77* 5字節上。適應性轉換是可變長(cháng)編碼（VLC）過(guò)程的準備工作過(guò)程之一，起到增加“0”數據量的作用。最后,進(jìn)行可變長(cháng)編碼（VLC）,采用霍夫曼編碼, 對圖像信號進(jìn)行實(shí)際壓縮,使每個(gè)圖像數據中的總碼量一定，使常用碼被賦予短碼，不常用碼則被賦予長(cháng)碼，使壓縮更為有效�？傊�,壓縮處理就是以圖像數據段(5個(gè)宏塊)為單位進(jìn)行,按5:1的壓縮比,用DCT和可變長(cháng)編碼,將每個(gè)宏塊的碼率從384 字節壓縮到77字節(6×8×8==384字節/宏塊), 使比特流總碼率從124MB/S壓縮到25MB/S.并增加高頻區域數據數或零值數據。這樣一來(lái)DCT數據就變換成了VLC數據。再經(jīng)過(guò)糾錯碼處理，再加入跟蹤控制引導信號和ATF（自動(dòng)尋跡）信號，進(jìn)入記錄調制被變?yōu)?1.8M比特/秒的數據信號經(jīng)記錄放大最后被錄制在磁帶上。 記錄時(shí)把畫(huà)面上橫向排列的5個(gè)超塊,經(jīng)過(guò)糾錯和記錄調制放大之后,記錄在一條磁跡上(見(jiàn)圖3).

謝謝樓主!  學(xué)習了。能把幾個(gè)圖一起發(fā)上來(lái)最好。  謝謝