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1、2020 5 1 第10章彩色数字电视基础 视频和视频编码 本章节参考北京大学人机交互与媒体实验室的陈毅松老师讲义 在此表示深深的谢意 葛庆平03年4月 2020 5 1 1 视频基本知识 1 1什么是视频 video 1 2视频信号的时空特性1 3视频信号的彩色空间1 4彩色电视信号的类型 1 1什么是视频 视频 video 随时间变化其内容的一组图象 24 25 30帧 秒 又叫运动图象或活动图象 motionpicture 常见视频信号 电视 电影 动画等 视频信号的特点 内容随时间而变化 伴随有与画面动作同步的声音 伴音 人类接受的信息70 来自视觉 其中活动图象是信息量最丰富 直观
2、生动 具体的一种承载信息的媒体 视频信息的处理是多媒体技术的核心 2020 5 1 电视 电视是当代最有影响力的信息传播工具 3种彩色电视制式 NTSC制 正交平衡调幅制 美国 加拿大 台湾 日本 韩国 菲律宾等采用PAL制 逐行倒相正交平衡调幅制 德国 英国 中国 朝鲜等采用SECAM制 顺序传送彩色与存储制 法国 苏联及东欧国家采用 2020 5 1 电视图象摄取 传输和重现的过程 摄象机摄取景物时 把自然景物的颜色分解为R G B3个分量 在彩电信号传输中 用Y C1 C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号 C1 C2的含义与彩电的制式有关 电视接收机把Y C1 C2信号重新转换为
3、R G B进行显示 拍摄图像和播放图像都采用 光栅扫描 rasterscan 的原理 2020 5 1 光栅扫描 2020 5 1 1 3电视信号的彩色空间1 在彩色电视中 用Y C1 C2彩色表示法分别表示亮度 Luminance或Luma 信号和两个色度 Chrominance或Chroma 信号 C1 C2的含义与具体的电视制色有关 NTSC C1 C2分别表示I Q两个色度信号 PAL C1 C2分别表示U V两个色度信号 CCIR601数字电视 C1 C2分别表示Cr Cb两个色度信号 电视信号的彩色空间2 YUV空间 PAL 亮度分量Y 0 3 R 0 59 G 0 11 B色度分
4、量U B Y 0 493色度分量V R Y 0 877YIQ空间 NTSC 亮度分量Y 0 3 R 0 59 G 0 11 B色度分量I 0 6 R 0 28 G 0 32 B色度分量Q 0 21 R 0 52 G 0 31 B 优点 与黑白电视兼容 有利于压缩信号带宽 2020 5 1 电视信号的彩色空间3 YCrCb是国际通用的CCIR601数字电视信号中使用的彩色空间 它由YUV彩色空间经过缩放和平移得到 Y值的额定范围在16 235之间 Cr和Cb在16 240之间 具体的转换公式如下 Y 77 256 R 150 256 G 29 256 BCr 131 256 R 110 256
5、G 21 256 B 128Cb 44 256 R 87 256 G 131 256 B 128 2020 5 1 电视信号的彩色空间4 使用Y C1 C2彩色空间的优点 Y和C1 C2是独立的 因此彩色电视和黑白电视都可以使用 Y分量可由黑白电视接收机直接使用而不需做任何进一步的处理 可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率 通过选择合适的颜色模型 可以使C1 C2的带宽明显低于Y的带宽 而又不明显影响彩色图像的质量 2020 5 1 1 4彩色电视信号的类型 复合电视信号 compositevideosignal 由亮度 色度信号及同步信号复合而成的单一信号 也称为全电视信号 复合电视信
6、号适合于进行远距传输 其质量称为VHS 家用级 复合电视信号 为便于电视信号远距传输 必须把三个分量信号以及同步信号复合成一个信号 然后才进行传输 CVBS Y a U Sin Wsc t b V Cos Wsc t Wsc为副载波频率 伴音信号与视频信号也复合在一起传输 2020 5 1 分量电视信号 为保证视频信号质量 近距离时可用分量视频信号 componentvideosignal 传输 分量信号是指每个基色分量 R G B或Y U V 作为独立的电视信号传输 Betacam 广播级或专业级 计算机输出的视频信号 即为分量形式的视频信号 2020 5 1 S Video信号 S Vid
7、eo是亮度 包含同步信号 和色度 2个色度信号复合在一起 互相分离的一种电视信号 优点 减少亮度信号和色度信号之间的交叉干扰 不需要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色度信号 这样可提高亮度信号的带宽 S Video使用单独的两条信号线分别传输亮度信号和色度信号 这两个信号称为Y C信号 S Video使用4针连接器 2020 5 1 小结 视频信号的形式 模拟形式 模拟复合信号模拟分量信号模拟S video信号数字形式 数字复合信号数字分量信号 2数字视频 2 1为什么使用数字视频 2 2数字视频的取样格式2 3视频信号的数字化 2 1为什么使用数字视频 易于编辑 修改等操作处理用户接收的图像质
8、量更好 可达演播室水平 有利于存储 信息复制不会失真有利于传输 抗干扰能力强 节省频率资源 占用频道较窄 可以通过公共电信网和计算机网传输可以与其它媒体组合使用可以生成标题信息 bitsaboutbits 便于信息的检索和使用 2 2数字视频的取样格式 视频信号数字化过程 8 10bits ITU RBT 601标准 CCIR601 美国称为D1标准 对3种制式电视的取样频率和有效显示分辨率都作了统一规定 亮度信号的取样频率fs均统一为13 5MHz 色度信号的取样有多种格式 亮度信号的取样频率 13 5MHz 2020 5 1 色度信号的取样 人眼对颜色的敏感程度远不如对亮度信号那么灵敏 所
9、以色度信号的取样频率可以比亮度信号的取样频率低 以减少数字视频的数据量 色度信号的取样频率 4 4 4格式 与亮度信号取样频率一样 3样本 像素4 2 2格式 取亮度信号取样频率的一半 2样本 像素4 1 1格式 取亮度信号取样频率的1 4 1 5样本 像素4 2 0格式 取亮度信号取样频率的一半 但隔行处理 1 5样本 像素 色度信号的取样格式 2020 5 1 H 261 H 263和MPEG 1的采样格式 色度信号格式为4 2 0每4个Y样本有1个Cb样本和一个Cr样本如果每个分量的样本的精度为8比特 则每个象素共需要12比特 名称亮度 Y 色度 Cb Cr 行数 帧 像素 行 行数 帧
10、 像素 行 CCIR601576720576360CIF288360144180QCIF1441807290SQCIF961284864亮度的取值范围 16 黑 235 白 色度的取值范围 16 240 几种常用数字视频信号的格式 色度信号格式为4 2 2 ITU R601 2020 5 1 2 3视频信号的数字化 视频信号数字化有2种情况 模拟复合视频信号的数字化复合的视频信号 Y C信号 S video 模拟分量视频信号的数字化 2020 5 1 模拟复合视频信号的数字化 把复合视频信号或Y C信号进行模数转换 例如使用8位A D转换器 得到8位数字化的值 把亮度 Y 和2个色度 C 信号
11、分开 分离后Y的数值范围为4 200 仍包含同步和消隐信息 色度信号是经调制的色度信号 取值范围为0 82 NTSC 或0 87 PAL 接收调制的数字色度信息 经过解调 输出基带I Q NTSC 或U V PAL 色度信号 即恢复出NTSC或PAL制的色度信号 按需要对对比度 亮度和饱和度进行调节 完成从YIQ或YUV颜色空间到RGB和YCrCb颜色空间的转换 2020 5 1 MPEG 1视频编码与应用 2020 5 1 信息技术标准化的意义 可交换和互操作是信息的重要属性之一 标准化是开放性和互操作性的重要前提 标准是产品和工程的依据 标准化就是国际化 标准的形成包括研究 实验 测试 竞
12、争 筛选和优化等一系列环节 每一项技术标准都是长期研究开发的成果 是工业界和科技界合作的成果 标准 是概念 原理 方法 技术的概括和抽象 对教学和培训有重要的参考价值 成功的技术标准必须既满足产品开发和应用要求 又不限制革新和竞争 2020 5 1 标准的分类 1 国际标准如国际标准化组织 ISO 国际电工委员会 IEC 和国际电信联盟 ITU 等制定的标准 2 国家标准由各国国家标准委员会制定 如中国的GB 美国的ANSI 德国的DIN和日本的JIS等 3 公共规范 PublicSpecifications 或地区标准由多家公司或一些地区性的联合组织 Consortium 共同开发 如早期的
13、网络协议TCP IP标准等 4 企业 实用 标准 De FactoStandard 它由一家公司开发 并被市场接受 如MSWindows软件标准 2020 5 1 多媒体技术标准相关的国际组织 IEC InternationalElectrotechnicalSociety IEC TC100 音频 视频 多媒体系统与设备技术委员会 ISO InternationalStandardsOrganization TC36电影摄影术 TC42摄影术 TC43声学 TC159人类工效学ITU InternationalTelecommunicationsUnion formerlyCCITT ITU
14、 R SG10音频广播服务 SG11电视广播服务 ITU T SG1视听 多媒体服务 SG8视听远距服务DAVIC数字音频视频委员会等ISO IEC的联合技术委员会JTC1的分委会 SC 2020 5 1 ISO IECJTC1 SC29 2020 5 1 ISO国际标准的制定过程 工作组草案 WD 委员会草案 CD 国际标准草案 DIS 国际标准 IS 工作文件WD WorkingDraft 工作组WG WorkingGroup 准备的工作文件委员会草案CD CommitteeDraft 从WD提升上来的文件 这是ISO文档的最初形式 它由ISO内部正式调查研究和投票表决 国际标准草案DIS
15、 DraftInternationalStandard 成员国对CD的内容和说明满意之后由CD提升上来的文件 国际标准IS InternationalStandard 由成员国 ISO的其他部门和其他委员会投票通过之后出版发布的文件 2020 5 1 关于视频压缩编码标准MPEG 2020 5 1 运动图像专家组MPEG MovingPictureExpertGroup ISO IEC JTC1 SC29的一个工作组WG11 1988年成立 目前有25个国家 团体 的200多个公司300多名成员分10个组工作 l Requirements MPEG4和MPEG7单列 2 DSM Digital
16、StorageMedia 3 Delivery 4 Systems 5 Video 6 Audio 7 SNHC Synthetic NaturalHybridCoding 8 Test 9 Implementation 10 Liaison 联络 HoD HeadsofDelegations 2020 5 1 MPEG标准 MPEG 1标准 ISO IEC11172 1992年发布 用于1 5Mbps数据传输率的运动图像及其伴音的编码 主要应用于VCD MP3音乐等 MPEG 1在JPEG和H 261等优秀标准的基础上 对参加竞争的14个方案 通过反复协调而得到统一 从而成为先进 合理 质量高 成本低的优秀标准 MPEG 1促进了大规模集成电路专用芯片的发展 为多媒体技术和产品的繁荣立下了功劳 2020 5 1 MPEG标准 续 MPEG 2标准 ISO IEC13818 1994年发布 主要针对高清晰度电视 HDTV 的视频及伴音信号 典型传输速率为10Mbps 与MPEG 1兼容 适用于1 5Mbps 60Mbps甚至更高速率的编码范围 2020 5 1 MPEG标准 续 以MP
