視頻基礎(chǔ)知識

視頻基礎(chǔ)知識視頻基礎(chǔ)知識16/16視頻基礎(chǔ)知識視頻基礎(chǔ)知識多媒體的應(yīng)用已經(jīng)深化人們生活，視頻會議已經(jīng)成為工作會議,教學(xué)中重要的手段之一。高清電視,高清視訊也是現(xiàn)在人們茶余飯后的談資，則什么是高清的標(biāo)準(zhǔn)？什么是高清的辨別率？計算機(jī)行業(yè)中的顯示器及電視行業(yè)中的辨別率有什么區(qū)分？為什么視頻會議,數(shù)字電視在圖像采樣上采納子采樣的方式？高清視頻會議和高清電視是怎么統(tǒng)一起來的？本文就為你解開視頻的層層面紗，深化了解視頻會議的基礎(chǔ)知識。1顏色空間1.1光和顏色可見光是波長在380nm～780nm之間的電磁波，我們看到的大多數(shù)光不是一種波長的光，而是由很多不同波長的光組合成的。假如光源由單波長組成，就稱為單色光源。該光源具有能量，也稱強度。實際中，只有極少數(shù)光源是單色的，大多數(shù)光源是由不同波長組成，每個波長的光具有自身的強度。這稱為光源的光譜分析。顏色是視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果。探討表明，人的視網(wǎng)膜有對紅,綠,藍(lán)顏色敏感程度不同的三種錐體細(xì)胞。紅,綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞對不同頻率的光的感知程度不同，對不同亮度的感知程度也不同。自然界中的任何一種顏色都可以由R，G，B這3種顏色值之和來確定，以這三種顏色為基色構(gòu)成一個RGB顏色空間，基色的波長分別為700nm(紅色),546.1nm(綠色)和435.8nm(藍(lán)色)。顏色＝R(紅色的百分比)＋G(綠色的百分比)＋B(藍(lán)色的百分比)，只要其中一種不是由其它兩種顏色生成，可以選擇不同的三基色構(gòu)造不同的顏色空間。

圖4顏色構(gòu)成原理1.2顏色的度量圖像的數(shù)字化首選要考慮到如何用數(shù)字來描述顏色。國際照明委員會CIE（InternationalCommissiononIllumination）對顏色的描述作了一個通用的定義，用顏色的三個特性來區(qū)分顏色。這些特性是色調(diào)，飽和度和明度，它們是顏色所固有的并且是迥然不同的特性。

色調(diào)(hue)又稱為色相，指顏色的外觀，用于區(qū)分顏色的名稱或顏色的種類。色調(diào)用紅,橙,黃,綠,青,藍(lán),靛,紫等術(shù)語來刻畫。用于描述感知色調(diào)的一個術(shù)語是色調(diào)(colorfulness)。

飽和度(saturation)是相對于明度的一個區(qū)域的色調(diào)，是指顏色的純凈性，它可用來區(qū)分顏色明暗的程度。完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色，例如僅由單一波長組成的光譜色就是完全飽和的顏色。

明度(brightness)是視覺系統(tǒng)對可見物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性。它和人的感知有關(guān)。由于明度很難度量，因此國際照明委員會定義了一個比較簡單度量的物理量，稱為亮度(luminance)來度量明度，亮度(luminance)即輻射的能量。明度的一個極端是黑色(沒有光)，另一個極端是白色，在這兩個極端之間是灰色。

光亮度(lightness)是人的視覺系統(tǒng)對亮度(luminance)的感知響應(yīng)值，光亮度可用作顏色空間的一個維，而明度(brightness)則僅限用于發(fā)光體,該術(shù)語用來描述反射表面或者透射表面。1.3顏色空間顏色空間是表示顏色的一種數(shù)學(xué)方法，人們用它來指定和產(chǎn)生顏色，使顏色形象化。顏色空間中的顏色通常運用代表三個參數(shù)的三維坐標(biāo)來指定，這些參數(shù)描述的是顏色在顏色空間中的位置，但并沒有告知我們是什么顏色，其顏色要取決于我們運用的坐標(biāo)。從技術(shù)上角度區(qū)分，顏色空間可考慮分成如下三類：

RGB型顏色空間/計算機(jī)圖形顏色空間：這類模型主要用于電視機(jī)和計算機(jī)的顏色顯示系統(tǒng)。例如，RGB，HSI,HSL和HSV等顏色空間。

XYZ型顏色空間/CIE顏色空間：這類顏色空間是由國際照明委員會定義的顏色空間，通常作為國際性的顏色空間標(biāo)準(zhǔn)，用作顏色的基本度量方法。例如，CIE1931XYZ，L*a*b，L*u*v和LCH等顏色空間就可作為過渡性的轉(zhuǎn)換空間。

YUV型顏色空間/電視系統(tǒng)顏色空間：由廣播電視需求的推動而開發(fā)的顏色空間，主要目的是通過壓縮色度信息以有效地播送彩色電視圖像。例如，YUV，YIQ，ITU-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr等顏色空間。1.4顏色空間的轉(zhuǎn)換不同顏色可以通過肯定的數(shù)學(xué)關(guān)系相互轉(zhuǎn)換：

有些顏色空間之間可以直接變換。例如，RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和R'G'B',R'G'B'和Y'CrCb，CIEXYZ和CIEL*a*b*等。

有些顏色空間之間不能直接變換。例如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ和HSL，HSL和Y'CbCr等，它們之間的變換須要借助其他顏色空間進(jìn)行過渡。其中，R'G'B'和Y'CbCr兩個彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用下式表示：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

Cr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128

Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128圖5色調(diào)空間的變換Y'CbCr中，Y表示亮度，CbCr表示色差。Y'CbCr彩色空間的特點：

亮度信號和色度信號相互獨立的

可以對這些單色圖分別進(jìn)行編碼。這就是為什么黑白電視能接收彩色電視信號的緣由。

人眼對彩色細(xì)微環(huán)節(jié)的辨別實力遠(yuǎn)比對亮度細(xì)微環(huán)節(jié)的辨別實力低可以把幾個相鄰像素不同的彩色值當(dāng)作相同的彩色值來處理，從而削減所需的存儲容量和傳輸量。2電視制式2.1彩色電視制式目前世界上現(xiàn)行的彩色電視制式有三種：NTSC制,PAL制和SECAM制。這里不包括高清楚度彩色電視HDTV(High-Definitiontelevision)。1.NTSC制式NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)彩色電視制是1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會定義的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為正交平衡調(diào)幅制。美國,加拿大等大部分西半球國家，以及日本,韓國,菲律賓等國和中國的臺灣采納這種制式。

NTSC彩色電視制的主要特性是：

(1)525行/幀,30幀/秒(29.97fps,33.37ms/frame)；

(2)高寬比：電視畫面的長寬比(電視為4:3；電影為3:2；高清楚度電視為16:9)；

(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掃描線作為限制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)；

(5)每行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。

一幀圖像的總行數(shù)為525行，分兩場掃描。行掃描頻率為15750Hz，周期為63.5μs；場掃描頻率是60Hz，周期為16.67ms；幀頻是30Hz，周期33.33ms。每一場的掃描行數(shù)為525/2=262.5行。除了兩場的場回掃外，實際傳送圖像的行數(shù)為480行。2.PAL制式

由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點，因此德國于1962年制定了PAL(Phase-AlternativeLine)制彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為逐行倒相正交平衡調(diào)幅制。德國,英國等一些西歐國家，以及中國,朝鮮等國家采納這種制式。

PAL電視制的主要掃描特性是：

(1)625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40ms/幀)；

(2)長寬比(aspectratio)：4:3；

(3)隔行掃描，2場/幀，312.5行/場；

(4)顏色模型：YUV。3.SECAM制式

法國制定了SECAM(法文：SequentialColeurAvecMemoire)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為依次傳送彩色及存儲制。法國,蘇聯(lián)及東歐國家采納這種制式。世界上約有65個地區(qū)和國家試驗這種制式。

這種制式及PAL制類似，其差別是SECAM中的色度信號是頻率調(diào)制(FM)，而且它的兩個色差信號：紅色差(R'-Y')和藍(lán)色差(B'-Y')信號是按行的依次傳輸?shù)?。圖像寬高比為4:3，625線，50Hz，6MHz電視信號帶寬，總帶寬8MHz。

表1電視制式的比較制式名歷史應(yīng)用區(qū)分NTSC制(NationalTelevisionSystemsCommittee)正交平衡調(diào)幅制1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會定義的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)美國,加拿大等大部分西半球國家，以及日本,韓國,菲律賓等國和中國的臺灣采納這種制式525行/幀,30幀/秒;隔行掃描;顏色模型：YIQ

PAL制(Phase-AlternativeLine)逐行倒相正交平衡調(diào)幅制德國(當(dāng)時的西德)于1962年制定德國,英國等一些西歐國家，以及中國,朝鮮等國家采納這種制式625行(掃描線)/幀，25幀/秒;隔行掃描，2場/幀，;顏色模型：YUVSECAM制。(法文：SequentialColeurAvecMemoire)依次傳送彩色及存儲制法國制定法國,蘇聯(lián)及東歐國家采納這種制式。世界上約有65個地區(qū)和國家試驗這種制式625行(掃描線)/幀，25幀/秒;隔行掃描

3.2彩色電視的顏色空間在彩色電視中，用Y,C1,C2彩色表示法分別表示亮度信號和兩個色差信號，C1，C2的含義及詳細(xì)的應(yīng)用有關(guān)。在NTSC彩色電視制中，C1，C2分別表示I,Q兩個色差信號；在PAL彩色電視制中，C1，C2分別表示U,V兩個色差信號；在CCIR601數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，C1，C2分別表示Cr，Cb兩個色差信號。所謂色差是指基色信號中的三個重量信號(即R,G,B)及亮度信號之差。(1)NTSC的YIQ顏色空間及RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

I=0.74(R－Y)－0.27(B－Y)=0.60R+0.28G+0.32B

Q=0.48(R－Y)－0.27(B－Y)=0.21R+0.52G+0.31B(2)PAL的YUV顏色空間及RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

U=0.493(B－Y)=－0.15R－0.29G+0.44B

Q=0.877(R－Y)=0.62R－0.52G－0.10B4視頻圖像采樣模擬視頻的數(shù)字化包括不少技術(shù)問題，如電視信號具有不同的制式而且采納復(fù)合的YUV信號方式，而計算機(jī)工作在RGB空間；電視機(jī)是隔行掃描，計算機(jī)顯示器大多逐行掃描；電視圖像的辨別率及顯示器的辨別率也不盡相同等等。因此，模擬視頻的數(shù)字化主要包括色調(diào)空間的轉(zhuǎn)換,光柵掃描的轉(zhuǎn)換以及辨別率的統(tǒng)一。模擬視頻一般采納重量數(shù)字化方式，先把復(fù)合視頻信號中的亮度和色度分別，得到Y(jié)UV或YIQ重量，然后用三個模／數(shù)轉(zhuǎn)換器對三個重量分別采樣并進(jìn)行數(shù)字化，最終再轉(zhuǎn)換成RGB空間。對彩色電視圖像進(jìn)行采樣時，可以采納兩種采樣方法。一種是運用相同的采樣頻率對圖像的亮度信號（Y）和色差信號（Cr，Cb）進(jìn)行采樣，另一種是對亮度信號和色差信號分別采納不同的采樣頻率進(jìn)行采樣。假如對色差信號運用的采樣頻率比對亮度信號運用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。由于人的視覺對亮度信號的敏感度高于對色差的敏感度，這樣做利用人的視覺特性來節(jié)約信號的帶寬和功率，通過選擇合適的顏色模型，可以使兩個色差信號所占的帶寬明顯低于Y的帶寬，而又不明顯影響重顯彩色圖像的觀看。

目前運用的子采樣格式有如下幾種：

(1)4:4:4這種采樣格式不是子采樣格式，它是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本,4個紅色差Cr樣本和4個藍(lán)色差Cb樣本，這就相當(dāng)于每個像素用3個樣本表示。

(2)4:2:2這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本,2個紅色差Cr樣本和2個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示。

(3)4:1:1這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本,1個紅色差Cr樣本和1個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。

(4)4:2:0這種子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點上取2個亮度Y樣本,1個紅色差Cr樣本和1個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。圖6圖像子采樣5CIF格式為了既可用625行的電視圖像又可用525行的電視圖像，CCITT規(guī)定了稱為公用中間辨別率格式CIF(CommonIntermediateFormat)，1/4公用中辨別率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-QuarterCommonIntermediateFormat，SQCIF)格式對電視圖像進(jìn)行采樣。

CIF格式具有如下特性：

(1)電視圖像的空間辨別率為家用錄像系統(tǒng)(VideoHomeSystem，VHS)的辨別率，即352×288。

(2)運用非隔行掃描(non-interlacedscan)。

(3)運用NTSC幀速率，電視圖像的最大幀速率為30000/1001≈29.97幅/秒。

(4)運用1/2的PAL水平辨別率，即288線。

(5)對亮度和兩個色差信號(Y,Cb和Cr)重量分別進(jìn)行編碼，它們的取值范圍同ITU-RBT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。下面是目前在非高清視頻會議中定義的辨別率：QCIF:

176×144CIF:

352×2884CIF:

704×5767數(shù)字電視辨別率

電視技術(shù)，經(jīng)驗著從黑白電視到彩色電視，再到高清電視的發(fā)展過程。我國確定從1999年10月1日起開始試播高清楚度電視(HDTV)。電視的運用范圍早已超越了廣播消遣界，并深深地擴(kuò)展到文化教化,科研管理,工礦企業(yè),醫(yī)療衛(wèi)生,公安交通,軍事宇航等各個重要部門。近十多年來，由于微電子技術(shù),超大規(guī)模集成電路技術(shù),數(shù)字信號處理技術(shù),計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使數(shù)字電視的發(fā)展已取得了令人鼓舞的成果。特殊是數(shù)字圖像獲得,數(shù)字存儲,美國先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會（AdvancedTelevisionSystemsCommittee，簡稱ATSC）定義了18種數(shù)字電視采納的畫面格式，這些畫面格式被分成了三種類型：SDTV（StandardDefinitionTV，480i標(biāo)準(zhǔn)清楚度電視，和現(xiàn)有電視系統(tǒng)的畫面質(zhì)量相當(dāng)），EDTV（EnhancedDefinitionTV，480p增加清楚度電視，和DVD電影畫面質(zhì)量相當(dāng)）以及HDTV。如今這種分級方式已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛接受。而其中的HDTV包含了兩種畫面辨別率，1920×1080和1280×720，當(dāng)前各國各種標(biāo)準(zhǔn)的高清信號也無外乎這兩種畫面辨別率格式而已。表2數(shù)字電視的辨別率格式辨別率掃描線畫面比例清楚度576i720×576水平576線隔行掃描4:3和PAL模擬電視清楚度相同D1(480i)720×480水平480線隔行掃描4:3和NTSC模擬電視清楚度相同D2(480P)720×480水平480線逐行掃描4:3較D1隔行掃描要清楚不少，和逐行掃描DVD規(guī)格相同D3(1080i)1920×1080水平1080線隔行掃描16:9標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視顯示模式D4(720p)1280×720水平720線逐行掃描16:9雖然辨別率較D3要低，但是因為逐行掃描，視覺效果更加清楚D5(1080p)1920×1080水平1080線逐行掃描16:9目前民用高清視頻的最高標(biāo)準(zhǔn)

8高清楚度視頻會議在高清楚度編碼/解碼技術(shù)產(chǎn)生之前，視頻會議數(shù)據(jù)是依據(jù)公用交換格式(CIF)進(jìn)行編碼的。國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)部門(ITU-T)制定了視頻標(biāo)準(zhǔn)，稱為H.261和H.263。H.261標(biāo)準(zhǔn)只定義了QCIF和CIF格式。四分之一CIF(QCIF)格式只被用于最低數(shù)據(jù)率（64千位/秒及更低）的會議，今日已經(jīng)很少運用。自從H.263標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行以來，更多運用“全辨別率”（定以為16CIF）的格式（4CIF和16CIF）被采納。由于采納此類標(biāo)準(zhǔn)時，計算和寬帶功能有限，所以，用于全動感視頻會議的公用辨別率仍舊是CIF到4CIF。下面的表格列出了用于NTSC（北美）和PAL（歐洲）視頻信號的H.261和H.263標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)格式辨別率。以下列出的辨別率代表4:3的屏幕高度比。格式幀/秒辨別率NTSC辨別率PALQCIF30176X120176X144CIF30352X240352X2884CIF30704X480