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1、第五章 数字视频与压缩编码,5.1 电视制式及视频信号类型 5.2 电视图像数字化 5.3 数字视频压缩算法 5.4 MPEG压缩标准 5.5 视听通信编码解码标准H.26X 5.6 视频处理软件 5.7 数字动画,视频（Video）：其内容随时间变化的一组动态图像，所以又叫运动图像或活动图像。它是一种信息量最丰富、直观、生动、具体的承载信息的媒体。 视频与图像既有联系又有区别：静止的图片称为图像（Image），运动的图像称为视频（Video）。 视频信号具有以下特点： （1）内容随时间的变化而变化； （2）伴随有与画面同步的声音。,视频定义,模拟视频（Analog Video）：一种用于传输
2、图像和声音的随时间连续变化的电信号。 模拟视频信号的缺点是：视频信号随存储时间、拷贝次数和传输距离的增加衰减较大，产生信号的损失，不适合网络传输，也不便于分类、检索和编辑。 数字视频（Digital Video DV） 要使计算机能够对视频进行处理，必须把模拟视频信号进行数字化，形成数字视频信号。 视频信号数字化以后，有着模拟信号无可比拟的优点： 再现性好 便于编辑处理 适合于网络应用,模拟视频与数字视频,电视扫描：电视视频信号是由视频图像转换成的电信号。任何时刻，电信号只有1个值，是一维的，而视频图像是二维的，将二维视频图像转换为一维电信号是通过光栅扫描实现的。而视频的显示则是通过在监视器上
3、水平和垂直方向的扫描来实现 扫描方式： 逐行扫描：每一帧画面一次扫描完成； 隔行扫描：每一帧画面由两次扫描完成，每次扫描组成一个场，即一帧由两个场组成。,5.1 电视制式及视频信号类型 5.1.1 电视制式,逐行扫描,隔行扫描,隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一帧。,电视扫描参数,行频fH ：每秒钟扫描的行数 场频ff ：每秒钟扫描的场数 帧频fF :每秒扫描的帧数,常用电视制式,彩色电视制式：即彩色电视的视频信号标准。定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩处理方式和屏幕的扫描频率。 世界上现行的彩
4、色电视制式有三种： NTSC制（正交平衡调幅制）：美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国等国采用 PAL制（逐行倒相正交平衡调幅制）：德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用 SECAM制（顺序传送彩色与存储制）：法国、苏联及东欧国家采用这种制式。,PAL电视制式的特性,625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) 高宽比(aspect ratio)：4:3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 颜色模型：YUV,NTSC制的扫描特性,525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2
5、；高清晰度电视为16:9) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据。Laser disc约420线，S-VHS约320线 每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒 颜色模型：YIQ,SECAM制的扫描特性,与PAL制类似 625行/帧, 25帧/秒 高宽比：4:3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 颜色模型：YUV 与PAL制的区别 色度信号为频率调制(FM) 色差信号：红色差(R-Y)和蓝色差（B-Y)信号按行的顺序传送,5.1.2 视频信号类型
6、,复合视频：将亮度和色度信号采用频谱间置方法复合在一起。 主要缺点：容易导致亮色串扰、清晰度降低等问题。 接口特性： 传输介质：单根带屏蔽的同轴电缆 传输阻抗：75欧姆 常用接头：BNC接头、莲花(RCA)接头 接线标准：插针同轴信号线，外壳公共地屏蔽网线,1. 复合视频信号,分量电视信号(component video signal)是指每个基色分量作为独立的电视信号。 每个基色既可以分别用R、G和B表示，也可以用亮度-色差表示，如Y、I和Q，Y、U和V。 使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号。,2. 分量视频信号,S-Video(Separated video
7、-VHS)是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。 单独两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号，这两个信号称为Y/C信号。 主要优点： 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。 不需使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。,3. S-Video信号( S端子视频信号）,S-video连接器,5.2 电视图像数字化 5.2.1 数字化方法,在大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如用YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色分量。因此，电视图像数字化常用“分量数字化”，表示对彩色空间的每一个分量进行
8、数字化。 电视图像数字化常用的方法有两种： 先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。如录象带、激光视盘、摄象机等的电视信号。即首先把模拟的全彩色电视信号分离成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空间中的分量信号，然后用三个A/D转换器分别对它们数字化。 首先用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量数据。,5.2.2 数字化标准,20世纪80年代初，国际无线电咨询委员会制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准（ITU-R BT.601标准）。 标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用
9、的采样频率，RGB和YCbCr(或者写成YCBCR)两个彩色空间之间的转换关系等。 彩色空间之间的转换 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B),采样频率,CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样。 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为：fs=62525N=15625N=13.5 MHz, N=864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 对
10、NTSC制，采样频率fs为 fs=52529.97N=15734N=13.5 MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。,彩色电视数字化参数,CIF、QCIF和SQCIF标准格式,标准化格式 CCITT规定了称为公用中分辨率格式CIF，1/4公用中分辨率格式QCIF和SQCIF格式 CIF格式具有如下特性： 电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352288。 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/100129.97幅/秒。 使用1/2的PAL水平分
11、辨率，即288线。,CIF和QCIF相关格式的参数,5.2.3 图像子采样,两种采样方法： 一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样 另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样 如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling),图象子采样的压缩特性,一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人不察觉 二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉。 子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到
12、压缩彩色电视信号。,子采样的格式,4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。 4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个
13、红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。,彩色图象YCrCb样本空间位置,4:4:4子采样格式,4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。,4:2:2子采样格式,4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。,4:1:1子采样,4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb
14、样本，平均每个像素用1.5个样本表示。,4:2:0子采样,4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。,MPEG-1标准,4:2:0子采样（续）,MPEG-2标准,5.2.4 电视图象数据率,ITU-R BT.601标准数据率 在PAL、NTSC和SECAM彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数 使用4:2:2的采样格式，亮度信号Y的采样频率选择为13.5 MHz/s，而色差信号Cr和Cb的采样频率选择为6.75 MHz/s,亮度(Y): 858样本/行525行/帧30帧/秒10比
15、特/样本 = 135兆比特/秒(NTSC) 864样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 135兆比特/秒(PAL) Cr (R-Y): 429样本/行525行/帧30帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(NTSC) 432样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(PAL) Cb (B-Y): 429样本/行525行/帧30帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(NTSC) 432样本/行625行/帧25帧/秒10比特/样本 = 68兆比特/秒(PAL) 总计: 27兆样本/秒10比特/样本 = 270兆比特/秒,数字电视信号数据率,如屏幕分辨率为720
16、x480，子采样是4:2:2则 亮度(Y): 7204803010= 104 Mb/s (NTSC) 7205762510 = 104 Mb/s (PAL) 色差(Cr，Cb) 23604803010= 104 Mb/s (NTSC) 23605762510 =104 Mb/s (PAL) 总计: 207 Mb/s 如果每个样本的采样精度由10比特降为8比特，彩色数字电视信号的数据传输率就降为166 Mb/s。,有效数字电视信号数据率,VCD数据率估算,Video-CD存储器来存储数字电视，数据传输率可达到1.4112 Mb/s，其中电视信号的数据传输率为1.15 Mb/s 如果存储166Mb/s的数字电视信号就需要对它进行高度压缩，压缩比高达166/1.15 = 144:1 把NTSC和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式CIF的数字电视，相当于VHS(Video Home System)的质量： 3522403081.5= 30 Mb/s (NTSC) 35228
