I . . 皇子 蕴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 数 字 视 频 分 量 编 码 — — 几 种 取 样 格 式 简 介 在广播电视行业中,数字电视是一项全新 的系统概念,它包含了从摄制,发送,传输到 接收的全过程 ,都使用数字技术 ( 也就是信号 全用O 和l表示) 的电视系统,数字技术取代模 拟技术 也成为不可动 摇的事实 ,数字 电视节 目 容量 巨大,画面更清 晰,是模拟 电视 节 目无法 比拟 的 。根 据CCIR601建议 的 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,接下来本 文就 数字视频 分量 编码取样格 式的 问题做一 简 要 的介绍 。 1. 视频信号的编码方式 在数字电视中,首先是要将模拟电视信号 转换成数字信号,彩色电视信号所用的PCM 编 码 ( 脉冲编码调制 ) 方式有两种:即复合编码 和分量编码。复合编码是将模拟的全电视信号 直接进行模数转换,以形成数字式全电视信号 ( 码率低、有干扰) ;而分量编码则是分别对 亮度信号Y和色差信号cr 、cb进行模数转换 , 然后将这些信号并路合成为数字式全电视信号 (码率高、质量高) 。 复合 编码 是将复 合彩色信 号直 接编成PCM 形 式,复合编 码的优点是 码率低些 ,设 备较简 单,适用于在模拟系统中插入单个数字设备的 情况。复合编码的缺点由于数字电视的抽样频 率必须与副载频保持一定的关系,而各种制式 的副载频各不相同,难以统一,采用复合编码 时由抽样频率和副载频问的差拍造成的干扰将 影响 图像 的质量 。 分量编码是将本基色信号R、G、B分量或 亮度和色差信号Y、Cr ( R- Y) 、Cb(B- Y) 分别 编码成PCM 形式 。 分量编码的特 点:编码与原模拟信号制 式 无关 ,采用分 时复用方式 ,避 免了亮色 串扰 ; 在分 量编码 中,亮 度信号用较 高的码率传送 , 两个 色差信号 的码 率可低 一些 ,但总 的码 率比 较高,设备价格相应较贵。 复合编码早 虽然实用简单 ,但是 分量 编码 消除了电视制式的差别,使三大电式制式在数 字电视上得到了统一,为国际间电视节 目交流 提供了方便,分量编码方式已经成为世界统一 的数 字编码标准。 2. 数字视频信号分量编码格式 电视模拟信号有3种制式 ,即N TSC、PAL ~ SECAM、这 3种制式 以扫描方式来分 又可分为 625tf / 5o场和 525行/ 60场两种系统 。 模拟视频信号要转换成数字信号,在编 码时首先要对模拟信号进行采样,根据奈奎斯 特取样定理:对于一个最高频率为fm 的模拟信 号,当选取的取样频率fs≥2fm 时, 经过取样后 的离散信号序列能够包含模拟信号的全部信 息 ,并能通过反转 换和低通滤波 不失真地恢 复 出原模拟信号 。 表 1 根据取样定理,为了防止频谱混叠失真, 分量编码Y、Cr~DCb必须满足奈奎斯特取样定 律,根据CCIR601建议亮度信号Y的抽样频率为 525行/ 60场~U 625行/ 5o场两 系统行频最 小公倍 数2. 25MHz的6倍 ,即 以l 3. 5MHz进 行取样 ,现 行的电视制式,亮度信号的最大带宽是6M Hz , 13. 5M Hz>2*6M Hz, 满足奈奎斯特定理,经处理 后每个有效行内都取720个亮度信号样值 ,两 个色差信 号Cr和Cb的抽 样频率均为 亮度信号 的 半 ,即6. 75M Hz ,在 每个有 效行 内 ,Cr 和c h 的取样点数也分别是亮度信号样值点数的一 半 ,即各取 360个 ,同理Cr和 Cb两 个色 差信号 的抽样频率也符合奈奎斯特定理,上述即为数 字电视演播室数字化分量编码标准。 3. 数字视频的取样格式 我 们看 到 ,分 量 编码 后 的三 个 量值 ,亮 度信 号Y和 两个 色差信 号Cr 和Cb。而对 两个 色 差信 号Cr~UCb的取值 不 同可分 为这么几种 格式 4: 4: 4,4 : 2: 2,4 : 1: 1,4: 2: 0;第一位数值表 示亮度Y分量样本的数量,后两个值分别表示 两个 色差分量Cr ~U Cb样本 的数量 ,下面简 单的 介绍一个下面几种格式: ①4: 4: 4这种取样格式,是指亮度信号Y和 两个色差信号Cr~f fCb取样频率均为13. 5M Hz, 且取样结构完全相同,即在每条扫描线上,每 四个连续的取样点取四个亮度Y样本、四个红 色 差Cr样本和 四个蓝色差Cb样本 ,就这相 当于 每个像素用三个样本表示,虽然这种格式信息 量很大,色彩质量高,但对信号处理质量要求 需较高的设备 。 Yj : Y| 1 Y, } Y、 . Y。 {: Y√ 一 Y—0 。 v 一Y i )u 【 『 啊 —■ 圈 露菇露 0 蕊蕊 露 露酉圈 ● 爨 文 一 一蕊 趣 . 戳.. 魏 . .l _ 蔓 嚣 ■ 露 ■ 一 蔓蕊. L i -, i⋯ i' : i . 一 ②4: 2 : 2指在每条扫描线上每4个连续取 样取4个亮度Y样本,2个红色差cr样本和2个蓝 色差cb样本 ,亮度信号取样频率为13. 5M Hz , 参 数 625/ 50扫 描 格 式 l 525/ 60扫 描 格 式 编码信 号 Y/ R— Y/ B-Y/ 每帧数字有效行 取样结构 576 l 507 正交 ,行和帧扫描位置重复 ,每行 中Cr~ Cb的取样 点和Y 的奇数 ( 1. 3. 5. ⋯ ⋯ ) 取样 点同位 13. 5M Hz 6. 75M Hz 720 360 864 432 取样频率 亮度信号 ( Y) 每 个 色 差 信 号亮度信号 ( y) 每个色差信号 (Cr~D Cb) 亮度信号 ( Y) 每 个 色 差 信 号( Cr~ICb) 每个数 字有效行的取样 数 每一行 的取样数 l l 858 429 ( Cr$~Cb) —184一 电早 世界 安徽广播 电视 台 宋超 英 两个色差信号取样频率均为6. 75M Hz。如图2所 不 。 如表l 所示,这种格式广泛应用于演播室 节目制作和传输中,仍然是质量相当高的色度 抽样方法,他比较完整的保留了模拟视频信号 的原始信 息,大多数标 准清晰度 高端数字视 频 格式采用这 一比率 ,4: 2: 2是CCIR601建义 的格 式。 ③4 : l : 1取样格式是指在每条扫描线上 每4个连续的取样点,取4个亮度信号Y样本, 个红色差cr 样本和一个蓝色差cb样本 ,亮 度信 号 和两 个 色差 信 号 的取样 频 率 ,分 别 为 13. 5M ttz 、3. 375M Hz、3. 375M Hz、Y、Cr~O Cb的 比值为4;l :1,在数据传送时每一行传送亮 度值Y为720个,色差样值Cr ~DCb各180个。cr SDCb的样值总和为360个 。 Y i . }④ 【 一j i - 一 —一 ●。 。 ⋯~ J 。 T ’ l l 1 1 f : , i ~ 1 I - I : —一 : r0 —I r一一r~ ⋯ 。] 一 -‘一 : i Y : ,— 一 , . . .一 . .. . .. . . : 一. 一 ‘ . . 一 .一 一 一 J . .. . . 一 一 一 一 一. :一 .— ,图3 4 : 1: 1标准取样结构 ④4: 2 : 0取样格式是指在水平和垂直方 向上每2个连续的取样点上取2个亮度信号Y样 本,一个红色差cr样本和一个蓝色差cb样本, 亮度信号取样频率为13. 5M Hz两个色差信号cr 和cb都以6. 75M }{z的频率取样,这一点同4 : 2 : 2 格 式相 同,但 在数据传送 时 ,除亮 度信号数值 为720个外,每一行只传送两个色差信号cr 和 c b其 中 的一种 ,其样值 也为 360个 ,两 种色 差 样值每行交替传送。这就是通常所说的4: 2 : 0 取样格式 ,在这里我们 要注意Cr~ Cb取样 的起 点和 Y是相 同 的,4: 2 : 0中的O 它 表示 的是两 种 色差值在 传送时是每 行交替进 行的 ,而绝 不是 有一 个色差信号 不取样 ,这 点比较容 易被人误 解 。 ∥ ■? ≯_ 菩 Yv l Y j ≯ - 一 i 、 , - Y 、 , ll Iv 0.. 一 、. 一 .一 一 一 . 一. 一 . , . ∥ ll一 , Y l Y vl ∽ 一 。 , _ Y 一 一 一j 一⋯ ⋯.⋯⋯⋯.⋯⋯⋯ 一 ....⋯.⋯⋯⋯⋯⋯. 一.⋯. 图4 4 : 2 : 0标标取样结构 4. 4 : 1: 1与4 : 2: O 格式 的区别 4: 1: l 格式在每一个有效行内都有亮度样 值720个,色差样值cr和cb各180个;而4 : 2: 0 格 式在 每一 个有 效行 内, 除有 亮度 样值 720个 外 ,只有色 差样值 cr 或Cb其中 的一种 360个 出 现,在相邻的有效行之间cr 、cb交替出现,这 是4: l : l 和4 : 2: 0的不同之处。 从图4中可以看出4 : 2: O并非cb取样为零而 是和4 : l : 1相比,在水平方向上提高1倍色差采 样频率,但在垂直方向上以cr、cb间隔的方式 减小一半色差采样。4: 2 : 0在垂直方向上牺牲 了彩色清晰度,而4 : 1: l 则在水平方向上牺牲 了彩色清晰度。各有优势,4: 2: 0在显示方面 有一定优势,因为人眼对水平方向上的细节更 敏感一些,而4: 1: 1在多代复制性能上表现得 更加突出一些。 4: 2: 2是CCIR601建议的格式,它比较完整 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一皇 燕一 一 - 城市供水系统的优化调度与智能控制 九江市水务有限公 司 王晓冰 【 摘要 】供水系统是城 市的基础设施 ,为 缓解 当前 的供水 压力,实现高质 、高效地供 水,需进行优 化调度 。从优 化调度 和智能控制两 方面对 当前的城市供水系统做 了具体 分析。 【 关键词 】城 市供水 系统 ;优化调度 ;智 能控制 · 1. 引言 水是 生命 之 源 。随着 城 市化 水平 提 高 , 城 市人 口渐趋 于饱 和,生活生产 各方面 的用水 需求骤增,且水的质量更受关注。作为城市发 展 的基础设施 ,供 水系统 的意义 不言而喻 。然 而,在工业取得进步的同时,环境污染也愈发 严 重 ,加 上水 利 用率 较低 ,人们 节 约用 水意 识不 足 ,使得城市 供水系统面 临的压力越来越 犬。如今,供水规模扩大,增加了系统的复杂 性 ,管理调度愈发 困难,稍有不合 理,必将影 响到正常供水 。因此,必须对 当前供水系统 管 理模式加以改善,并引进现代化高科技,对其 调度 管理进行优化 ,在 自动化 的基础 上朝着智 能化方 向迈进,以获得最大效益。 2. 城市供水系统的优化调度 2. 1 概述 当前城市供水系统颇 为复杂 ,优化调度指 的是在 水压稳定 、水 质达标且 能够 实现正常供 水的基础上,根据监测系统获取的供水信息及 相关数据构建预测模型,经专业计算对下一时 段的需水量进行预测。然后将城市供水管网分 析模型与优化调度决策模型相结合,并考虑经 济、安全等因素,制定科学合理的调度方案, 实现社会、经济效益的最大化 。 关于优化调度,由以下3部分组成:①用水 量预测 。包括供水区域内的 日/ 时用水量 ,这是 基础 部分,调度决策 多以预测结果为 标准 。所 以必 须采用科学 的预测方法 ,保 证用水量预测 的准确性;②管网分析模拟模型。包括微观和 宏观两种模 型 ,管 网是供 水的途径和 承载者 , 其分析 结果是否科 学直接关系到 调度 分配的合 理性 。所以为 了制定 有效的调度决策 ,必然要 建立客观精确的管网分析模拟模型;⑨调度决 策模 型。包括直接优 化和两级寻优 , 以前两者 为基础 ,最终确定优 化运行的决策变 量 ,可直 接反映出优化调度成果。因此为实现效益最大 化,应构建科学合理的调度决策模型。 2. 2 城市用水量预测 作为优化调度 的前提 ,用水量的预测显 得尤为 关键 当前城 市供水系统 多安装有在线 监测装置,可实时获取供水状态。对其监测结 果进行统计分析,以此为依据,借助相关数学 模型和算法 预测下一 时段 的用水量 。灰色预测 法 、回归分 析法 、人 工神经网络法 、指 数平滑 法等在 当前较为常用 。相 应的模型有 灰色预测 模型 、 自回归移动平均模 型、人工神经 网络模 型、季节 性指数平滑模型等 。 发达国家在此方面的研究已有很长时间, 并取得显著成效。如构建回归模型,通过对降 雨量和温度的分析,对 日需水量进行预测;澳 大利亚墨尔本市借助时间序列模型预测当地用 水量 ,颇为 有效;也有更 深入的研究 ,在时间 序列预测 中引进灰色模 型。近些年来 ,国 内也 加大了在用水量预测方面的研究力度,相继出 现了多种研究方法。如重庆某地利用BP神经网 络技术预测月用水量;深圳则有地方应用多变 量灰色模型IM GM( 1, n) ,是普通变量灰色模型 的升级和改进 ;也有地 区采用RBF组合模 型,通 过发挥该模型的双重优势,能够提高预测的准 确度 。 2. 3 供水管网模型 通 过模 拟 管网 的运 行 ,提 供相 关模 拟 信 息,为优化调度 创造有利条件 。该模型意义重 大 ,是优化 调度的重要保障 。在长期研 究探索 中,形成了微观和宏观两种模型。 ①微观水力模型 即利用水力 学原理,建立起连续性方 程、 能量方程及管段水头损失方程,搜集全面的信 息数据,并以此为基础构建模型。其适应性较 强,能够适应系统拓扑和节点用水量模式的变 化,而且能够实时获取各个管段和节点的具体 参数以及运行状况,为管网的规划设计和优化 调度提供便利条件。 微观模型的资料库更齐全,管网拓扑结构 比较清楚,能够真实客观地反映系统结构,但 其建模工作量大。不过,在当前时代,数据采 集技术不断完善,管网系统管理的科学性和规 范性日益提升,使得微观模型的作用越来越明 显。因此 ,相关研 宄从未 间断过。 ②宏观水力模型 因管网内部的水力关系较为复杂,在此对 其 忽略 ,利用 统计分析法和 “ 黑箱理论 ” ,直 接建立供水管网系统 “ 输入量” 和 “ 输出量” 之间经验性函数关系式和数学模型。构建该模 型的理论在上世纪7O 年代在国外就已提出,出 现了比例负荷模型,之后相关研究越来越多。 国内的生活用水量和总水量的关系变化较大, 不适合用比例负荷模型。为此,许多专业学者 纷纷致力于管网宏观水利模型的构建,并研究 出 了适合 国内现 状的模型 ,如 大规模供水 系统 宏观仿真模型、分时段管网统计模型、半理论 增广混合 回归模型等。 2. 4 优化调度模型及算法 优 化 调 度 的 目的是 在保 证 正常 供水 的 同 时,降低各种消耗,以获取最大的经济效益 和社会效益。城市供水管网优化调度颇为复 杂 ,具有非线性 、动态性 、多 目标的特 点,决 策变量不同,优化调度建模也各有差异。通常 有 直接和 间接优 化两种 ,其数 学模 型 由两部分 组成:①目标函数。即系统能够维持运行所消 耗成本的数学表达式;②约束条件 。即供水能 力、管网内部水力平衡、用户水压等条...