視頻基礎(chǔ)知識培訓

1、視頻基礎(chǔ)知識2主要內(nèi)容 視覺的時間域響應(yīng)特性 YUV、YIQ與YCrCb顏色空間 彩色電視制式 彩色電視信號的類型2 電視圖像數(shù)字化 圖像子采樣 MPEG簡介3視覺的時間域響應(yīng)特性 讓觀察者觀察按時間重復的亮度脈沖，如果閃爍頻率比較低，人眼就有一亮一暗的感覺。如果閃爍頻率足夠高，人眼看到的則是一個恒定的亮點。閃爍感剛好消失的重復頻率叫做臨界閃爍頻率，經(jīng)測定為46HZ。 電影播放過程中，每秒投射24幅畫面，每幅畫面投射過程中用機械擋光閥遮擋一次，這樣就得到了48HZ的閃爍頻率。 要保持畫面中物體運動的連續(xù)性，要求每秒鐘攝取的畫面數(shù)約為25幀左右。4YUV、YIQ與YCbCr顏色空間 人眼對彩色細

2、節(jié)的分辨能力遠比對亮度細節(jié)的分辨能力低，通常把RGB空間表示的彩色圖像變換到Y(jié)UV或者YIQ顏色空間。每一種彩色空間都產(chǎn)生一種亮度分量信號和兩種色度分量信號，而且亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是相互獨立的，每一種變換使用的參數(shù)都是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備。 彩色電視信號中采用YIQ或者YUV空間一是為了兼容黑白電視，二是為了實現(xiàn)壓縮。5YUV、YIQ與YCbCr顏色空間 YUV模型用于PAL制式的電視系統(tǒng)，Y表示亮度，UV并非任何單詞的縮寫。 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B Y) V = 0.877 (R Y) YUV空間相當于對RGB

3、空間做了一個解相關(guān)的線性變化。U和V的比值決定色調(diào)，而(U2+V2)1/2代表顏色的飽和度。6YUV、YIQ與YCbCr顏色空間 YIQ模型與YUV模型類似，用于NTSC制式的電視系統(tǒng)。YIQ顏色空間中的I和Q分量相當于將YUV空間中的UV分量做了一個33度的旋轉(zhuǎn)。 YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中。從RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換中，輸入、輸出都是8位二進制格式。7YUV、YIQ與YCrCb顏色空間8隔行掃描(interlaced scanning)逐行掃描(non-interlaced scanning)電視掃描9彩色電視制式 NTSC制式(Nati

4、onal Television Systems Committee)：是1952年美國國家電視標準委員會定義的彩色電視廣播標準 PAL制式(Phase-Alternative Line):德國于1962年制定。解決于NTSC在相位敏感造成的彩色失真的缺點。 SECAM制式:法國制定的順序傳輸彩色與存儲彩色電視廣播標準10彩色電視制式NTSC彩色電視制的主要特性是：(1) 525行/幀, 30幀/秒(2) 高寬比：電視畫面的長寬比為4:3 (3) 隔行掃描，一幀分成2場(field)，262.5線/場 (4) 在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)。 (5) 每

5、行63.5微秒，水平回掃時間10微秒(包含5微秒的水平同步脈沖)，所以顯示時間是53.5微秒(6) 顏色模型：YIQ(7)美國、加拿大等大部分西半球國家，及日本、韓國、菲律賓和中國的臺灣采用這種制式。11彩色電視制式倒相正交平衡調(diào)幅制PAL制式電視信號的特性： 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀) (2) 每場中有25行作為場回掃，所以每幀中只有575行是有效行。(3) 高寬比(aspect ratio)：4:3 (4) 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場(5) 顏色模型：YUV(6) 西歐、中國和朝鮮等國家采用這種制式。12彩色電視制式順序傳送彩色與存儲SECAM的主要特征

6、是： 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀) (2) 每場中有25行作為場回掃，所以每幀中只有575行是有效行。(3) 高寬比(aspect ratio)：4:3 (4) 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場(5) 法國、俄羅斯、東歐和中東等65個地區(qū)和國家13彩色電視信號的類型 復合電視信號：包含亮度信號、色差信號和所有定時同步信號的單一電視信號。 分離電視信號（SVideo信號）：是亮度和色差分離的一種電視信號，它可以（1）減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾。（2）不須要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色差信號，這樣可提高亮度信號的帶寬。 分量電視信號：是指每個基色分量作為獨

7、立的電視信號，使用分量電視信號是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號。14復合C信號與SVideo信號 一般的廣播電視的亮度信號帶寬為6MHz，而國內(nèi)的PAL制式彩色信號帶寬為1.5MHz。復合視頻輸出是將4.43MHz的色度副載波信號調(diào)制視頻亮度信號中，在顯示輸出時進行色度解調(diào)，將色度副載波從復合視頻信號中濾出來，這樣就可能損失亮度信號中的4.43+-0.75MHz的頻率，降低了水平清晰度。另外，沒有完全濾掉的色度副載波信號可能會干擾亮度通道，而處于4.43MHz邊緣的亮度信號則會進入色度解調(diào)電路，兩者互相干擾，降低了播出質(zhì)量。采用S端子的亮度和色度分離輸出可以提高畫面質(zhì)量，這就

8、是為什么有人將其稱為“高清晰度輸出”的緣故。 15復合C信號波形PAL 16C to SVideoY-ground-+ +-+- RCA/composite groundC-ground-+ | | | | 75歐Y-+ | | +-+- RCA/composite videoC-|-+ 470pF17彩色電視信號的類型18電視圖像數(shù)字化電視圖像數(shù)字化常用的方法有兩種：1 先從復合彩色電視圖像中分離出彩色分量，然后數(shù)字化。大多數(shù)電視信號源都是彩色全電視信號，如來自錄象帶、激光視盤、攝象機等的電視信號。對這類信號的數(shù)字化，通常的做法是首先把模擬的全彩色電視信號分離成YUV，YIQ或RGB彩色空間

9、中的分量信號，然后用三個A/D轉(zhuǎn)換器分別對它們數(shù)字化。2 首先用一個高速A/D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進行數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數(shù)據(jù)。19ITU-RBT.601數(shù)字化標準1、采樣頻率 CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個采樣頻率也用于遠程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的電視圖像信號采樣。 亮度信號采樣頻率 fs = 13.5 MHZ 色度信號采樣頻率 fc6.75MHZ 或 13.5MHZ 每行采樣點數(shù) N = 864 (PAL) ，858（NTSC） 對于所有制式，每個掃描行的有效樣本數(shù)均為720。20IT

10、U-RBT.601數(shù)字化標準2、數(shù)字信號取值范圍： 亮度信號220級，色度信號225級。3、顏色空間之間的轉(zhuǎn)換公式4、圖像子采樣格式：4：4：4，4：2：2、 4：1：1、4：2：021CIF、QCIF和SQCIFCIF ： Common Intermediate FormatQCIF ： Quarter CIFSQCIF：Sub-Quarter CIF22圖像子采樣 如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。23圖像子采樣24MPEG標準標準 MPEG（Motion Picture Experts Group-全球影像/聲音

11、/系統(tǒng)壓縮標準）標準：包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)（視音頻同步）三個部分。MPEG壓縮標準是針對運動圖像而設(shè)計的。基本方法是-在單位時間內(nèi)采集并保存第一幀信息，然后就只存儲其余幀相對第一幀發(fā)生變化的部分，以達到壓縮的目的。MPEG壓縮標準可實現(xiàn)幀之間的壓縮，其平均壓縮比可達50：1，壓縮率比較高，且又有統(tǒng)一的格式，兼容性好。 25MPEG-1 MPEG-1用于傳輸1.5Mbps數(shù)據(jù)偉輸率的數(shù)字存儲媒體運動圖像及其伴音的編碼，經(jīng)過MPEG-1標準壓縮后，視頻數(shù)據(jù)壓縮率為1/1001/200，音頻壓縮率為1/6.5。MPEG-1提供每秒30幀352240分辨率的圖像，當使用合適的壓

12、縮技術(shù)時，具有接近家用視頻制式（vHS）錄像帶的質(zhì)量。MPEG-1允許超過70分鐘的高質(zhì)量的視頻和音頻存儲在一張CD-ROM盤上。vCD采用的就是MPEG-1的標準，該標準是一個面向家庭電視質(zhì)量級的視頻、音頻壓縮標準。 26MPEG-2 MPEG-2主要針對高清晰度電視（HDTv）的需要，傳輸速率為10 Mbps，與MPEG-1兼容，適用于1.5-60 Mbps甚至更高的編碼范圍。MPEG-2有每秒30幀704480的分辨率，是MPEG-1播放速度的四倍。它適用于高要求的廣播和娛樂應(yīng)用程序，如：DSS衛(wèi)星廣播和DvD，MPEG-2是家用視頻制式（vHS）錄像帶分辨率的兩倍。 27MPEG-4

13、MPEG-4標準是超低碼率運動圖像和語言的壓縮標準，用于傳輸速率低于64 Mbps的實時圖像傳輸，它不僅可覆蓋低頻帶，也向高頻帶發(fā)展。較之前兩個標準而言，MPEG-4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個更為廣闊的平臺。它更多定義的是一種格式、一種架構(gòu)，而不是具體的算法。它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進來，包括壓縮本身的一些工具、算法，也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。 28視頻視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史圖像處理硬件的發(fā)展歷史 第一代產(chǎn)品（1990年之前）：專用圖像處理系統(tǒng)。 八十年代中期，PC機上開始有圖像采集卡。但由于當時主機和總線主頻低，磁盤速度、容量有限，因而限制了圖像采集卡的發(fā)展。這一時期的

14、圖像采集卡功能單一，基本上只有圖像采集和簡單的處理功能。主要用于科學和實驗研究。這一代圖像系統(tǒng)的突出特點是一定要有一個專用的圖像顯示器與圖像卡相連，用于顯示圖像，而圖形是通過顯示卡輸出到圖形顯示器的，因此不便實現(xiàn)圖形/圖像的同屏顯示。這一時期圖像處理硬件價格昂貴，性能又不能滿足多媒體系統(tǒng)的要求（主要是沒有 壓縮功能），因此不能為多媒體系統(tǒng)所用。29視頻視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史圖像處理硬件的發(fā)展歷史 第二代產(chǎn)品（19911995年）：圖形/圖像顯示合一的多媒體系統(tǒng)。 在理論上，從位圖角度看，圖形與圖像是統(tǒng)一的，完全可以采用同一個顯示器；而在多媒體中包含視頻媒體也是多媒體系統(tǒng)設(shè)計的最初目標。在

15、技術(shù)上，推動這一進程的動力有兩個：一方面由于各種增強型vGA顯示控制器 和顯示卡的性能提高，使得PC機有了較高顯示分辨率，可以直接處理視頻信息了；同 時，顯示存儲器容量增加，價格下降，使得高分辨率圖形顯示卡迅速普及。另一方面是各種可編程的視頻控制芯片使視頻信號與圖形疊加變得非常容易。這些芯片有效地解決 了多制式彩色全電視信號的數(shù)字式鎖相和解碼技術(shù)，以及視頻信號與圖形信號的窗口控 制，從而使視頻信號的輸入/輸出變得簡單，設(shè)計和調(diào)試變得容易。利用這些芯片推出30視頻視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史圖像處理硬件的發(fā)展歷史 的視頻卡，實現(xiàn)了vGA圖形與視頻信號的疊加。另外，這類卡上一般都有聲音輸入/輸出功

16、能，沒必要再單獨配置聲卡了。這一時期是多媒體視頻硬件發(fā)展最迅速的階段，圖形與圖像疊加問題的解決使圖像 系統(tǒng)真正為多媒體系統(tǒng)所用。各種采集卡、字幕疊加卡、壓縮/解壓縮卡、電影卡、電視卡層出不窮，迅速普及；各類標準如video for Windows、MPEG-1、vCD1.1和vCD2.0的出臺，使得在PC機上看影音文件甚至電影成為現(xiàn)實；還有通過計算機收看電視節(jié)目的電視調(diào)諧卡（Tv Tuner）、將vGA輸出信號編碼為電視信號的Tv Coder等。31視頻視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史圖像處理硬件的發(fā)展歷史 第三代產(chǎn)品（1996年之后）：多種功能集成化的多媒體系統(tǒng)。 系統(tǒng)集成是現(xiàn)代技術(shù)的主要趨勢，

17、多媒體本身就是技術(shù)集成的產(chǎn)物。近年來，多媒 體視頻硬件主要在兩個領(lǐng)域發(fā)展。第一是與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合，由視頻采集卡附加網(wǎng)絡(luò) 通信卡構(gòu)成的多媒體視頻會議、S可視電話、視頻郵件、多媒體通信終端等。到本世紀末和下世紀初，基于寬帶多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的交互式電視（ITv）、點播電視（vOD）以及遠程教育系統(tǒng)、遠程醫(yī)療診斷系統(tǒng)、遠程電子圖書館等新技術(shù)將付諸實施，通過交互電視的機頂盒（STB）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電視購物、收看vOD節(jié)目等，最終走向電視、電腦與電信的三電合一的目的。第二方面是與影視制作技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成集壓縮/解壓縮、合成輸出、特技效果為一體的影視制作非線形編輯系統(tǒng)。視頻處理硬件最終將從高檔系統(tǒng)的選件轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴氏到y(tǒng)的組件。 32VM700視頻分析儀 33技術(shù)指標（廣播級） 視頻輸出幅度（mV）p-p : 70020 行同步幅度（mV）p-p : 3