视频信息处理ppt

《视频信息处理ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《视频信息处理ppt（139页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第5章 视频信息处理,学习目标 掌握模拟视频信号的特点及数字化的基本方法;理解运动图像压缩的国际标准MPEG-1和MPEG-2;了解视频信息获取的基本原理和方法;掌握视频编辑的基本步骤和方法 。,5.1 数字视频原理,5.1.1 模拟电视信号 1黑白电视信号,模拟视频图像扫描方式有隔行扫描和非隔行扫描之分。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描 （逐行扫描 ）。,非隔行扫描：电子束从显示屏的左上角一行接一行的扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像。 隔行扫描：电子束扫完第1行后回到第3行开始的位置接着扫，然后在第5、7、行上扫，直到最后一行；奇数行扫完

2、后接着扫偶数行，这样就完成了一帧（frame）的扫描。 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。,每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fF。 采用隔行扫描 的优点：所占用的信号传输带宽要减少一半 ； 我国的电视画面传输率是每秒25帧、50场。25Hz的帧频能以最少的信号容量有效地满足人眼的视觉残留特性；隔行扫描使人眼不易觉察出闪烁，同时也解决了信号带宽的问题。由于我国的电网频率是50Hz，采用50Hz的场刷新率可以有效的去掉电网信号的干扰。,全电视信号主要由图像信号（视频

3、信号）、复合消隐信号和复合同步信号组成。这两种信号加在一起称为全电视信号,一个行周期的黑白电视信号中图像信号占52.2s，其余11.8s是扫描的逆程时间。逆程时间很短，而且逆程信号不能在屏幕上显示出来，因此逆程电平不能高于黑电平。,对于一张黑白图像，我们可以画出一行的黑白电视信号示意图，如下图所示：,在全电视信号中，把奇数场同步信号的前沿作为一场的起点，第1、2、3行是场同步信号，第4、5、6行是后均衡脉冲，722行还是场消隐信号，该场消隐信号从前场623行开始，因此，整个消隐信号是25行加一个行消隐时间。图像信号从23行起到309.5行止，共287.5行，这就是第一场或称奇数场。从309.5

4、行开始又是下一场的场消隐信号及前均衡脉冲，在312.5行出现下一个偶数场的场同步脉冲，奇数场到此结束。偶数场开始，图像信号及偶数场结束，如图2.7所示。奇数场加上偶数场称为一帧。,电视的清晰度 一般用垂直方向和水平方向的分解率来表示。我国电视图像的垂直分解率为575行或称575线。这是一个理论值。,影响水平分解率的主要因素是电视系统的扫描电子束。一般认为应使水平方向与垂直方向的分解率相当时清晰度效果最好。由于电视屏幕的水平与垂直方向比例为4:3，故实际水平分解率设计成约540线。 水平方向的分解率或像素数决定电视信号的上限频率。电视信号逐行扫描时的信号带宽约为10MHz，而隔行扫描时的信号带宽

5、约为5MHz。我国目前规定的电视图像信号的标称频带宽度为6MHz。,伴音信号 音频信号的频率范围一般为20Hz20kHz，其频带比图像信号窄得多。电视的伴音要求与图像同步，而且不能混迭。因此一般把伴音信号放置在图像频带以外，放置的频率点称为声音载频。我国电视信号的声音载频为6.5MHz，伴音质量为单声道调频广播。,2彩色电视信号,黑白电视只传送一个反映景物亮度的电信号就行了，而彩色电视除了传送亮度信号以外还要传送色度信号。为使电视台发射一种彩色电视信号，黑白和彩色电视都能正常工作，黑白电视与彩色电视的兼容是个重要问题。,实现黑白和彩色信号兼容：,1.必须使亮度和色度信号分开传送，以便使黑白电视

6、和彩色电视能够分别重现黑白和彩色图像； 2.应尽量压缩彩色电视信号的频带宽度，使其与黑白电视信号的带宽相同； 3.除了新设置的色同步信号以外，应采用与黑白电视信号完全一致的行、场扫描以及消隐、同步等控制信号。,采用YUV空间还可以充分利用人眼对亮度细节敏感而对彩色细节迟钝的视觉特性，大大压缩色度信号的带宽。我国规定的亮度信号带宽为6MHz，而色度信号U、V的带宽分别仅为1.3MHz。,在现代彩色电视系统中，通常采用YUV彩色空间或YIQ彩色空间，Y为亮度信号，它可以与黑白全电视信号兼容，而U、V是色差信号。,为了解决信号频带的兼容问题，还必须采用间插的方法把两个1.3MHz的色度信号频谱插在亮

7、度信号频谱的高端，这是因为亮度信号的频谱高端信号较弱，而且间隔较大。这样既不增加6MHz的带宽，又不会引起亮度和色度信号的混乱。这种方式称为频谱的交错。 为了与声音载频相区分，一般称色信号在亮度信号频谱高端的中心位置为彩色副载波或简称为副载波。 我国彩色电视的副载波频率为4.43MHz。色度C信号的总带宽为2.6MHz，可以保证色度信号频谱都落在亮度带宽之内，如图。,5.1.2 模拟视频制式标准,1NTSC彩色电视制式 具有如下的扫描特性： （1）525行/帧，30帧/秒（29.97fps,33.37ms/frame）。 （2）高宽比：电视画面的长宽比（电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视

8、为16:9）。 （3）隔行扫描：一帧分成2场（field），262.5线/场。 （4）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。 （5）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。 （6）颜色模型：YIQ。,2PAL彩色电视制式,扫描特性： （1）625行（扫描线）/帧，25帧/秒（40ms/帧）。 （2）高宽比（aspect ratio）：4:3。 （3）隔行扫描，2场/帧，312.5行/场。 （4）颜色模型：YUV。,3SECAM彩色电视制式,有如下的扫

9、描特性： （1）625行（扫描线）/帧，25帧/秒（40ms/帧）。 （2）高宽比：4:3。 （3）隔行扫描，2场/帧，312.5行/场。 （4）颜色模型：YUV。,5.1.3 电视机和录像机的输入输出信号,1电视机的输入输出信号 电视信号主要包括5种成分：亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号和伴音信号。 根据不同的信号源，电视接收机的输入、输出信号有以下3种类型： （1）高频或射频信号。,电视机从有线或天线（RF In）接收到微弱的射频电视信号后，首先要通过调谐器对它进行解调，经过放大、混频和检波，滤掉高频载波分量，得到PAL、NTSC或SECAM制式的复合全电视信号，并从全电视信号

10、中分离伴音信号和视频信号。音频信号经音频电路处理后送扬声器输出；视频信号经视频放大，并把亮度、色度信号分离开，得到YC分量信号。最后，把YC分量信号转换成YUV，进而转换成RGB分量信号并送显像管显示,（2）复合视频信号 :复合视频信号，即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。由于复合视频的亮度和色度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。这种信号一般可通过电缆输入或输出到家用录像机上，其信号带宽较窄，一般只有水平240线左右的分分辨率。,（3）S-Video信号。是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分

11、别传输并可以分别记录在模拟磁带的两路磁迹上。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分辨率可达420线。与复合视频信号相比，S-Video可以更好的重现色彩。,2录像机分类及输入输出信号,录像机:是利用磁记录原理把视频信号及其伴音信号记录在磁带上的设备，故也称为磁带录像机。与电视机类似，不同的录像机对应于不同制式的电视信号。 按用途分类，主要有以下3种。 （1）家用录像机。采用复合视频的格式来记录视频信号。根据不同的制式，同一种型号的家用录像机还有单制式、多制式和全制式之分。,（2）专业用录像机。 指工业、文教、卫生等方面使用的录像机，其视

12、频信号的水平分辨率可达250线以上。除了具有信号的记录和重放功能以外，它还具有编辑等功能，价格是家用录像机的10倍左右。这是目前制作电视或录像节目时大量使用的机种。 （3）广播级录像机。 其技术指标是以视频信号的频带宽度来衡量的，一般视频带宽可高达5MHz，相当于400多线的水平分辨率（每1MHz带宽相当于水平分辨率约80线），基本上可以无失真的记录和重放视频信号。广播级录像机采用分量视频信号（Component Video）的记录方式，分量视频指的是亮度Y、色差U和V分别是3路模拟信号，它们通过3路导线传送并记录在模拟磁带的3路磁迹上。分量视频由于其具有很宽的频带，可以提供最高质量及最精确的

13、色彩重放。,5.1.4 电视信号数字化,常用的方法有两种： （1）先用高速模/数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亮度和色度，以获得所希望的YUV（PAL，SECAM制）分量或YIQ（NTSC制）分量，最后转换成RGB分量数据。此种方法称为复合数字化。 （2）从复合彩色电视图像中分离出彩色分量的亮度和色度，得到YUV或YIQ分量，然后用3个模/数转换器对3个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间，此种方法称为分量数字化。,1数字视频的采样格式,在复合电视信号中，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此其数字化时可采用副色采样法，即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量

14、的采样率。用Y:U:V来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采样格式有如下4种： （1）Y:U:V=4:4:4 : 指在每条扫描线上每4个连续的取样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，相当于每个像素包含3个样本。即对每个采样点，亮度Y、色差U和V各取一个样本，也就是每个像素用3个样本表示。,图5-5 4:4:4子采样格式,Y,Cb,Cr样本,Y,Cb,Cr样本 仅Y样本,图5-6 4:2:2子采样格式,（2）Y:U:V=4:2:2。 这种方式是在每4个连续的采样点上，取4个亮度Y的样本值，而色差U、V分别取其第一点和第三点的样本值，共8个样本，平均每个像素用2个样本

15、表示。这种方式能给信号的转换留有一定余量，效果更好一些。这是通常所用的方式，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，结果相当于平均每个像素用2个样本表示。,（3）Y:U:V=4:1:1。这种方式是在每4个连续的采样点上，取4个亮度Y的样本值，而色差U、V分别取其第一点的样本值，共6个样本，每个像素用1.5个样本表示。显然这种方式的采样比例与全电视信号中的亮度、色度的带宽比例相同，数据量较小。 （4）Y:U:V=4:2:0。4:2:0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

16、均每个像素用1.5个样本表示。,图5-7 4:1:1子采样格式,图5-8 MPEG-1使用的4:2:0子采样格式,扫描方式小结,电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等，最后才能得到数字视频数据。,2数字视频标准,为了在PAL、NTSC和SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数，国际无线电咨询委员会（CCIR）制订了广播级质量的数字电视编码标准，称为CCIR 601标准。该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，彩色空间之间的转换关系等。 （1）采样频率。ITU-RBT.601标准为三种电视制式规定了共同的电视图像采样频率。其基本的计算方法是： 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。在PAL制、SECAM制中，625是指行数，25表示每秒帧数。,