第4章 电视录像,,4.1 磁带录像机的发展与分类,4.1.1 磁带录像机的发展历程 1945年 美国无线电公司（RCA）固定磁头式 1956年 美国安培公司 第一台达实用水平的录像机 横向磁迹扫描，两英寸磁带，四个视频磁头，视频信号直接调频记录 1957年，一英寸录像机，螺旋扫描，有β格式和C格式，用开盘录像带，操作复杂,70年代，U－matic盒式磁带录像机问世，简称U型机，U型机有三种格式： VO：Video Ordinary，普通型，低带机，主要用于地方电视台、企业、工业、医疗等业务领域 BVU：Broadcasting Video Unit，是U－matic型录像机的高带机，早期用于广播电视领域 SP：Superior Performance，U－matic机型的超高带格式录像机,1975年，SONY公司，1/2英寸家用Betamax格式录像机，俗称小1/2后来其推出的高带机型为ED－Beta（Extended Definition Beta），图像清晰度达500线 1976年，JVC公司，1/2家用VHS录像机，俗称大1/2VHS：Video Home System，其后来推出的高带机型为S－VHS（Super-High Band VHS）清晰度达400线,80年代，8mm录像机出现，录像机向小型化发展，其高带：Hi8使图像分辨率达400线 1982年，模拟分量录像方式出现 SONY公司的Betacam－SP，分量记录，图像质量提高 松下公司的MII格式，分量记录，磁带宽度为1/2英寸。
1987年，数字录像机出现 SONY公司D－1格式数字分量录像机 SONY公司D－2格式数字复合录像机，3/4英寸 松下公司推出D－3格式，1/2英寸磁带的数字复合记录方式 松下公司推出D－5格式，1/2英寸磁带的数字分量记录方式 安培公司推出3/4英寸的数字分量录像机 SONY公司在模拟分量BETACAM-SP基础上推出了数字Betacam录像机,1996年松下、索尼、胜利、夏普、东芝、佳能等厂家联合推出DV（Digital Video）格式 1997年拉斯维加斯的NAB会议上，索尼、松下和胜利三家广播电视设备公司向世界全面展示各自研制的最新格式： 索尼（SONY）的Betacam SX和DVCAM 松下（National）的DVCPRO 胜利（JVC）的Digital—S,两大竞争领域： 广播专业级领域的竞争 民用级领域的竞争 发展趋势 数字化 小型化 高清化 ：索尼— HDCAM 松下— DVCPRO HD 胜利— D9 HD 记录介质多元化：光盘、P2卡、硬盘,4.1.2 磁带录像机的分类 1、以使用范围分：广播、专业、民用 2、以磁带宽度分：2、1、3/4、1/2、1/4 英寸和8mm 3、按功能分：放像机、普通录像机、编辑 录像机、特技录像机,4.1.2 磁带录像机的分类 4、按信号处理方式分,C格式,录像机记录格式,模拟,数字,复合模拟,分量模拟,复合数字,分量数字,,,,Betacam-sp,色度降频记录,色度直接记录,D3,D2,Betacam,MⅡ,HD-VTR,D1,D5,Betacam SX,DVCAM,DVCPRO,Digital-S,U-matic,Betamax,VHS,8mm,B格式,,,,,,,MPEG IMX,DV,数字BETACAM,5、按清晰度分：标清 250～400线 高清 400以上 6、以磁头数目分：2、3、4、6、8、 …… 7、以外观形状分：台式、便携式 8、以磁头扫描磁带的方式分：横向、螺旋 ……,4.2 磁带录像机的基本原理,4.2.1 磁头和磁带 1.磁头：磁芯和线圈组成,,2.磁带,材料和工艺不同,4.2.2 磁记录与重放原理 记录时电信号通过磁头转换成磁信号，使磁带表面的磁性层磁化，并以剩磁的形式贮存下来； 重放过程是通过磁头对磁带的相对运动，把磁带上的剩磁信号再转换成电信号的过程。
根据磁记录原理： λ=v/f λ：记录波长（μm） V：带速（m/s） f：频率（MHz）,根据磁隙必须小于最短记录波长的一半（P122）,,fmax =v/2g fmax为可记录的最高频率 v为磁带速度 g为磁头缝隙宽度 提高可录放的最高频率有两个途径： 提高磁带速度 减少磁头缝隙宽度,阅读：盒式录音机的录放磁头缝隙宽度4µm，盒式录像机的视频磁头缝隙宽度为0.2µm～0.8µm，受加工工艺、磁带特性的限制，不可能再减少了因此提高记录频率只能靠提高磁带的运行速度，而这又带来了磁带使用量过大的问题 如果用录音机固定磁头的方法来录像，需要录放的最高频率至少也要6MHz，使用磁头的缝隙按 g=0.3µm计算，记录速度至少要达到v=3.6m/s录放一小时节目要12960m磁带，显然这是不现实的 为解决这一问题，早在1936年就有人提出利用旋转磁头横向扫描磁带进行记录的设想采用旋转磁头扫描方式，使磁头高速旋转这样尽管磁带以很低的速度行走，由于磁头高速扫描磁带表面，使磁头与磁带之间相对记录速度很高，这样可以获得很高的上限频率4.2 磁带录像机的基本原理,录像机的基本原理 电 磁 电的转换 4.2.3 录像机的基本组成 1、视频信号处理系统 2、音频信号处理系统 3、机械系统 4、控制系统 5、伺服系统,4.2.3 录像机的基本组成,,,,,,,,1、视频信号处理系统 模拟记录方式：亮度调频、色度降频,调频原理,色度降频原理（VHS）,,627KHz,参考p114 Beta 688KHz 8mm 743KHz,,,,,,,亮色分 离电路,自动 色度 控制,自动 增益 控制,振荡器,混 频 器,预 加 重,低 通,放 大,混合 电路,视频 磁头,调 频,放 大,,,,,,,,,,,,,,彩色全 电视信号,亮度信号调频、色度信号降频记录方式原理框图,色度信号副载波4.43M,早期685.6K,后期923.8K,U型机 VHS机 Betamax机,频偏范围：U-matic 3.8-5.4M 低带机 250线 U-matic H 4.8-6.4M 高带机 270线 U-matic SP 5.6-7.2M 超高带 300线,模拟分量记录方式框图,色度磁头,预加重,时间轴压缩,色度 解码,亮色 分离,VISC,预加重,调频,亮度磁头,,,,,,,,,,,,,,,,,,,复合 视频,分量 视频,Y,R-Y,B-Y,亮度通道,色度通道,Betacam-SP 、MⅡ使用,,调频,时间轴压缩示意图,,,,,,,,1、视频信号处理系统 数字记录方式：非压缩格式、压缩格式 非压缩格式：D1、D2、D3、D5 压缩格式：数字Betacam、Betacam SX、DVCAM、MPEG IMX、DV、DVCPRO25/50、Digital-S …,YUV444,三个分量是亮度信号Y，蓝色色差信号U和红色色差信号V。
如果采样频率都为为13.5MHz， 8bit量化，总数码率为（13.5＋ 13.5 ＋ 13.5 ）×8＝324Mbit/sYUV422,根据人类的视觉系统（HVS）对色度的敏感程度低于亮度，所以，色度信号的采样频率可比Y信号低，不会明显降低视觉质量 因而就有了对色度信号的采样频率减半的采样方式, 达到压缩减少数据量的目的亮度信号的采样频率为13.5MHz，二个色差信号的采样频率都为6.75MHz，三个分量都采用8bit量化，总数码率为（13.5＋6.75＋6.75）×8＝216Mbit/s,亮度信号的采样频率仍为13.5MHz，二个色差信号的采样频率都为3.375MHz，三个分量都采用8bit量化，总数码率为（13.5＋3.375＋3.375）×8＝162Mbit/s,YUV411,在要求不是太高的机型（如家用产品）， 对色差信号的采样频率进一步降低YUV420,亮度信号的采样频率仍为13.5MHz；在一行里V色差信号的采样频率为6.75MHz， U色差信号不采样，在另一行相反，三个分量都采用8bit量化，总数码率仍恒定为（13.5＋6.75＋0）×8＝162Mbit/s,压缩原因：表达数字图像所需数据量通常很大。
什么叫压缩：对给定量的信息，设法减少表达这些信息的数据量称为数据压缩 什么叫冗余： 数据表达了无用的信息 数据表达了已表达的信息,图像压缩方法的分类 ： 无损压缩（信息保存型）： 在压缩和解压缩过程中没有信息损失 压缩率一般在2 ~ 9之间 如：预测压缩算法 有损压缩（信息损失型）： 常能取得较高的压缩率（几十~几百） 压缩后并不能经解压缩恢复原状 如：DCT离散余弦变换压缩算法压缩什么及其主要方法：,1、统计冗余度的压缩：某些值经常出现，统计不均匀 2、空间冗余度的压缩：相邻像素点的值相同或相近， 有空间相关性 3、时间冗余度的压缩：前后帧对应像素点的值相同 或相近，有时间相关性 4、视觉冗余度的压缩：（主要由DCT进行） 人眼：对亮度信号比色度信号敏感 对低频信号比高频信号敏感 对静止图像比运动图像敏感 对图像水平线条比垂直/斜线条敏感,,哈夫曼(Huffman)编码,是一种无损压缩 它的基本原理是频繁使用的数据用较短的代码代替，较少使用的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同哈夫曼(Huffman)编码,S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7 000，001， 010， 011，100，101，110， 111 S0, S1, S7, S0, S1, S6,S2, S2 ,S3,S4, S5,S0, S0,S1 000,001,111,000, 001,110,010,010,011,100,101,000,000,001 42bit S0出现4次、S1出现3次、S2出现2次，其余出现1次。
S0，S1，S2，S3， S4， S5， S6，S7 01， 11， 101，0000，0001，0010，0011，100 S0 S1 S7 S0 S1 S6 S2 S2 S3 S4 S5 S0 S0 S1 01 11 100 01 11 0011 101 101 0000 0001 0010 01 01 11 39bit,,,预测压缩编码简述,预测编码是指去掉相邻像素之问的相关性和冗余性， 只对新的信息进行编码简单的例子，如：因为像素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻像素之间灰度值的差别可能很小如果我们只记录第一个像素的灰度，其它像素的灰度都用它与前一个像素灰度之差来表示，就能起到压缩的目的如有6个像素的灰度值是248，250，251，251，252，255，表示为248，2，1，0，1，3表示250需要8个比特，而表示2只需要两个比特，这样就实现了压缩帧间压缩：以图像组（GOP）为单元进行压缩,I帧（帧内编码帧）：是真正的图像帧，它们被各自压缩，彼此没有关联 ，因此它们包含了大多数的数据P帧 (向前预测帧)：通过前些帧画面来预测 B帧 (双向预测帧)：根据前后帧画面来预测。
编码时，首先编I帧，然后以前一个I帧作为预测帧编P帧，在I帧和P帧之间插入若干个B帧，B帧是由相邻最近的I帧或P帧作为双向预测后编码的 解码时，先解码I帧，然后解码P帧，最后解码B帧帧间压缩,显然 ，通过引入P帧和B帧，极大地改善了图形压缩的效率，因为这些画面包含有帧之间的差通常一段连续的电视画面之间的变化是很少的,因此只需要传输的数据是预测画面和当前实际画面之间的差的信息 这些帧的结构就是所谓GOP（图像组），GOP包含的B和P帧的数量越多，称为GOP越长，也叫LONG GOP结构，GOP越长，则压缩效率越高，但是也不是没有上限的，一般GOP可到15 B帧能达到200：1的高压缩运动补偿,移动检测,旋转检测,移动和旋转补偿,,例如：,①、 M - JPEG JPEG技术即运动静止图像（或逐帧）压缩技术，把运动的视频序列作为连续的静止图像来处理，这。