視頻基礎(chǔ)知識培訓(xùn)2011-03-17-11-21-02

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(fù)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(fù)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(jī)械

2、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。,4,YUV、YIQ與YCbCr顏色空間,人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨能力遠(yuǎn)比對亮度細(xì)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

3、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。,5,YUV、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(dāng)于對RGB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

4、)1/2代表顏色的飽和度。,6,YUV、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(dāng)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(jìn)制格式。,7,YUV、YIQ與YCrCb顏色空間,8,隔行掃描(interlaced scannin

5、g),逐行掃描(non-interlaced scanning),電視掃描,9,彩色電視制式,NTSC制式(National Television Systems Committee)：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) 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(biāo)準(zhǔn),

6、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

7、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

8、制式,順序傳送彩色與存儲SECAM的主要特征是： 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(fù)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（

9、S－Video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(fù)合C信號與S－Video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(fù)合視頻輸出

10、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(jìn)行色度解調(diào)，將色度副載波從復(fù)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(jìn)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，這就是為什么有人將其稱為“高清晰度輸出”的緣故。,15,復(fù)

11、合C信號波形－PAL,,16,C to S－Video,Y-ground---------------+                            +----+------ RCA/composite groundC-ground-------

12、--------+    | |                                 | |  75歐Y-------------------------+

13、0;   | |                           +-----+---- RCA/composite videoC------------||-----------+      

14、60;     470pF,17,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：先從復(fù)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(jī)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。首先用一個高速A/

15、D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數(shù)據(jù)。,19,ITU-RBT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),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(yuǎn)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 fc＝6.75MHZ 或 13.5MHZ

16、 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。,20,ITU-RBT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),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、4：2：0,21,CIF、QCIF和SQCIF,CIF ： Common Intermedi

17、ate FormatQCIF ： Quarter CIFSQCIF：Sub-Quarter CIF,22,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,24,MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG（Motion Picture Experts Group---全球影像/聲音/系統(tǒng)壓縮標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)：包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)（視音頻同步）三

18、個部分。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)是針對運動圖像而設(shè)計的?；痉椒ㄊ恰?-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(dá)到壓縮的目的。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)幀之間的壓縮，其平均壓縮比可達(dá)50：1，壓縮率比較高，且又有統(tǒng)一的格式，兼容性好。,25,MPEG-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(biāo)準(zhǔn)壓縮后，視頻數(shù)據(jù)壓縮率為1/100—1/200，音頻

19、壓縮率為1/6.5。MPEG-1提供每秒30幀352×240分辨率的圖像，當(dāng)使用合適的壓縮技術(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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是一個面向家庭電視質(zhì)量級的視頻、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。,26,MPEG-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

20、于1.5--60 Mbps甚至更高的編碼范圍。MPEG-2有每秒30幀704×480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。,27,MPEG-4,MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)是超低碼率運動圖像和語言的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)而言，MPEG-

21、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(jìn)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/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(jī)上開始有圖像采集卡。但由于當(dāng)時主機(jī)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。這一時期的圖

22、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(xué)和實驗研究?！　∵@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/圖像處理硬件的發(fā)展歷史,第二代產(chǎn)品（1991—1995年）：圖形/圖像

23、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(biāo)。　　在技術(shù)上，推動這一進(jìn)程的動力有兩個：一方面由于各種增強(qiáng)型vGA顯示控制器 和顯示卡的性能提高，使得PC機(jī)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

24、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/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

25、。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(biāo)準(zhǔn)如video for Windows、MPEG-1、vCD1.1和vCD2.0的出臺，使得在PC機(jī)上看影音文件甚至電影成為現(xiàn)實；還有通過計算機(jī)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/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)

26、集成是現(xiàn)代技術(shù)的主要趨勢，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(jì)末和下世紀(jì)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(yuǎn)程教育系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電子圖書館等新技術(shù)將付諸實施，通過交互電視的機(jī)頂盒（STB）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電視購物、收看vOD節(jié)目

27、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?biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的組件。,32,VM700視頻分析儀,,33,技術(shù)指標(biāo)（廣播級）,視頻輸出幅度（mV）p-p : 700±20 行同步幅度（mV）p-p : 300±9 色同步幅度（mV）p-p

28、: 300±9 ≤4.8MHz: ≤0.5，≥-0.5 幅頻特性（dB） 5.0 MHz: ≤0.5，≥-1.0 5.5MHz: ≤0.5，≥-4.0 K因子（％） : ≤3 亮度非線性（％）p-p : ≤5，≥-5 DG（％）p-p: ≤5 DP（o ）p-p : ≤5 色亮增益不等（％） :