第第6章章 视频与编码标准视频与编码标准•本章先了解电视技术的历史与发展，列出各种彩色电视制式，简介数字电视和高清电视的概念与现状；再讲解视频信号的数字化，重点介绍视频编码标准•6.1电视 一．简史、二．彩色电视、三．高清晰数字电视•6.2 视频与编码一．视频、二．视频信号的数字化、三．视频编码标准概述、四．MPEG-1低分辨率数字视频编码、五．MPEG-2高分辨率数字视频编码标准、六．MPEG-4视听对象编码、七．MPEG-7多媒体内容描述接口、八．MPEG-21多媒体框架 6.1电视•电视(television远视)与动画一样也是利用人的视觉滞留原理工作的•早期是黑白电视无线广播•后来是模拟彩色电视的无线广播、卫星广播和有线电视广播•现在正处于高清晰数字电视广播的发展阶段•即：黑白电视TV模拟彩色电视CTV(无线卫星有线)数字电视DTV高清晰电视HDTV 一．简史1．电视技术的发展•系统：黑白电视彩色电视数字高清晰电视•显示：阴极射线管CRT液晶LCD/等离子PDP、背投/前投薄膜电视OLED、表面传导电子发射显示器SED•存储播放：录像带/机VCRVCDDVDEVD/蓝光碟Blu-ray Disc/HD DVD 2．电视技术的发展历史•1884年德国工程师P.G. Nipkow发明螺盘旋转扫描器，用光电池把图像的系列光点转变为电脉冲，实现了最原始的电视传输和显示•1897年阴极射线管(CRT = Cathode-Ray Tube)问世，后来出现仪器示波管•1923年美籍俄罗斯人（美国两院院士）V.K. Zworykin发明电视光电摄像管•1925年美国人C.F. Jenkins和1926年英国人J.L. Baird相继实现影像粗糙的机械扫描系统•1930年P.J.范思沃恩发明电子扫描系统•1930年RCA公司改进电子束显像管 •1931年V.K. Zworykin发明电视显像管•1937年/1939年英国/美国开始黑白电视广播•1940年代末美国发明共用天线电视系统，后来逐步发展为有线电视（电缆电视cable television）•1949年美国无线电公司研制成功荫罩式彩色显像管•1952年美国提出NTSC彩色电视制式•1954年美国正式开始彩色电视广播•1958年中国开始黑白电视广播•1963年联邦德国提出PAL彩色电视制式•1964年美国无线电公司发现液晶光电效应，后来发展成液晶显示器(LCD = Liquid Crystal Display)•1966年美国人D.L.比泽和H.G.斯洛托夫发明等离子显示器PDP(plasma display panel) •1966年法国提出SECAM彩色电视制式•1970年代初中国开始彩色电视广播，采用PAL-D制式•1972年日本广播协会研究所提出模拟高清晰度电视HDTV的MUSE方案•1974年中国开始在高层建筑中安装和使用共用天线电视系统•1979年柯达公司Rochester实验室的邓青云发明小分子 OLED(Organic Light Emitting Diode有机发光二极管/有机电激发光显示器) 薄膜电视，1987年英国剑桥大学博士生Jeremy Burroughes证明大分子的聚合物也有场致发光效应，即聚合物OLED•1980年代中国开始在单位安装电缆电视•1988年汉城奥运会采用MUSE的HDTV转播 •1991年日本正式开始MUSE的HDTV广播•1993年欧洲开始制定数字电视广播DVB标准•1994年中国国务院成立了由11个有关部委组成的数字HDTV研究开发小组•1995年美国通过ATSC数字电视标准•1997年中国CCTV进行HDTV广播试验•1999年CCTV用HDTV实况转播50周年国庆•1999年开始研究，2004年9月14日日本的佳能与东芝宣布将共同生产SED (Surface-Conduction Electron-emitter Display表面传导电子发射显示器) 二．彩色电视 2．彩色电视制式 •目前世界上现行的模拟彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制•NTSC(National Television Systems Committee国家电视系统委员会)彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制，1954年开始广播。
美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式•由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此西德于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line相位逐行交变)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制，1967年开始广播德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式 •法国1957年起制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire顺序颜色传送与存储)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制，1967年开始广播法国、苏联及东欧国家采用这种制式世界上约有65个地区和国家使用这种制式•NTSC制、PAL制和SECAM制都是与黑白电视兼容制制式，即黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像；而彩色电视机也能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像•为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求：–(1) 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等–(2) 需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。
在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像 彩色电视制式(宽:高 = 4:3、隔行扫描) 3. 电视扫描和同步隔行扫描与逐行扫描隔行扫描与逐行扫描•扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和逐行扫描(line by line scan)•为了防止对画面的闪烁感，黑白电视和彩色电视都采用隔行扫描•计算机显示器和数字电视一般都采用逐行扫描 图像的光栅扫描(a) 逐行扫描 (b) 隔行扫描 隔行与逐行扫描方式的差别•在逐行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像，如上图(a)所示•在隔行扫描中，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后接着扫偶数行，这样就完成了一帧(frame)的扫描，如上图(b)所示由此可以看到，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因此在隔行扫描中，无论是摄像机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像•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。
ff和fF是两个不同的概念 隔行扫描的行数必是奇数•在隔行扫描中，扫描的行数必须是奇数•如前所述，一帧画面分两场，第一场扫描总行数的一半，第二场扫描总行数的另一半•隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数 PAL制电视的扫描特性PAL电视制的主要扫描特性是：•(1) 625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) •(2) 宽高比(aspect ratio)：4:3 •(3) 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场•(4) 颜色模型：YUV•每一场的312.5行扫描中，有25行作场回扫，不传送图像，传送图像的行数每场只有287.5行，因此每帧只有575行有图像显示 NTSC制的扫描特性NTSC彩色电视制的主要特性是：•(1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps,33.37 ms/frame) •(2) 宽高比：4:3 •(3) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 •(4) 颜色模型：YIQ•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，实际传送图像的行数为480行。
480*4/3 = 640，所以VGA = 640*480) SECAM制的扫描特性•SECAM制式与PAL制类似•其差别是SECAM中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差(R‘-Y’)和蓝色差(B‘-Y’)信号是按行的顺序传输的•图像格式为4:3，625线•50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽8 MHz 彩色电视国际标准 4．彩色电视的颜色体系•根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混合得到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的•值得庆幸的是，科学家们对人的彩色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然景物彩色过程中，并不一定要恢复原景物辐射的所有光波成分，而重要的是获得与原景物相同的彩色感觉 彩色图像重现过程 •下图说明用彩色摄像机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量，以及如何重显自然景物彩色的过程 彩色电视的YC1C2彩色表示法 •按照色度学的基本原理，用R、G、B三基色的各种线性组合可以构造出各种不同的彩色空间来表示景物的颜色•各种不同的彩色空间在不同的应用中也许会比原始的RGB彩色空间具有更有用的特性，更有效且更经济•在彩色电视中，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的含义与具体的应用有关：–在NTSC彩色电视制中，C1、C2分别表示I、Q两个色差信号；–在PAL彩色电视制中，C1、C2分别表示U、V两个色差信号；–在SECAM彩色电视制中，C1、C2分别表示Db、Dr两个色差信号；–在CCIR 601数字电视标准中，C1、C2分别表示Cb、Cr两个色差信号•所谓色差(chromatism)是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差 YC1C2彩色表示法的优点在彩色电视中，使用Y、C1、C2有两个重要优点：•①Y和C1、C2是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，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•②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，而又不明显影响重显彩色图像的观看•因此，为了满足兼容性的要求和达到压缩信号的目的，彩色电视系统选择了一个亮度信号和两个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行发送和接收 三．高清晰数字电视1．概述 •最开始的电视机只有9或14英寸，5、6百条扫描线就足够了，可后来电视机越做越大：18、20、25、29、34、39英寸，甚至42、50和63英寸或更大（等离子电视和背投电视），但电视信号却仍然只有5、6百线，让人难以接受 (VHR/VCD：200多线、S-VHS：320线、Laser Disc：420线、DVD：576线)•高清晰度电视(HDTV = High-Definition TeleVision)是指图像质量大于1000线（似16mm电影）、环绕立体声、宽高比为16:9或5:3（似宽银幕电影）的电视（普通电视的图像质量只有5百多线、单声道或立体声、宽高比为4:3）•HDTV的扫描线数是普通彩色电视的2倍左右，加上宽高比增加，所以总信息量(像素数)为普通彩电的5倍左右：[(16/9)或(5/3)*(2x)2] / [(4/3)x2] = 16/3(≈5.33)或5 高清晰度电视与普通彩色电视的比较 HDTV的发展•最早的HDTV是日本研究与实现的，但主要为模拟系统。
后来美国和欧洲相继研究和制定了全数字化的HDTV方案，日本也只好随大流而改用数字电视DTV (Digital TV)•许多国家的政府为了促进HDTV的使用，都制定了强制性的停播模拟电视的时间表，但一直遭到想保护原有投资的各大电视公司的消极抵制，进展十分缓慢•中国为了申请2000年奥运会，也积极开始HDTV的研制，后来由于申请失败，放慢了研制的步伐但为了2008年的北京奥运会，中国政府会再一次加大投入，加快研制和推广步伐的 数字电视的优越性DTV的优点主要体现在：•1）一个PAL制式频道可以传输8~10套压缩后的标准分辨率DTV信号，频道增加了，有条件的可开通四五百套节目，还可以加密保护•2）图像更清晰，音质更高，观众可以通过机顶盒在普通电视机上欣赏到DVD视频效果、CD音频效果的标准清晰度电视节目•3）功能巨大丰富，数字电视除了提供现有的 电视广播节目外，还能提供许多新业务 ，如视频点播、上网浏览和其他信息服务 2．HDTV方案1）日本）日本ISDB•1972年日本广播协会(NHK)研究所提出MUSE(Multi Sub-Nyquist Sampling Encoding多重奈奎斯特取样编码)的HDTV（在日本叫Hi-vision）方案，1980年代开发了全套HDTV设备，1987年试验成功，1988年转播汉城奥运会，1991年开始每天8小时的正式试播•由于MUSE主要采用的是模拟方法，占用的频带宽，与全数字化的发展趋势相悖，所以于1997年3月决定改为数字系统ISDB(Integrated-Services Digital Broadcasting集成业务数字广播) •ISDB的主要技术特点是：–信源码与系统码——视频、音频及业务数据位流复用编码，均采用MPEG-2标准–信道编码调制——地面传输时，信道内码为卷积码、外码为RS，采用OFDM调制•日本政府计划2000年试播、2003年东京开播、2006年全国开播、2010年停播模拟广播，用十年时间完成模拟到数字广播的转换过程•1995年NHK又着手开发2000~3000线（似35~70mm电影）的超清晰电视UDTV (Ultra Definition TV)，得到日本100多家公司的支持 2）美国ATSC •1983年在美国成立了一个自愿研究数字电视标准的非营利国际组织——先进电视系统委员会(ATSC = Advanced Television Systems Committee)•1987年11月美国的联邦通信委员会(FCC = Federal Communications Commission)成立管理先进电视(ATV = Advanced Television)业务的ACATS(Advisory Committee on ATV Service先进电视业务咨询委员会)•1988年9月共提出了24种ATV方案，ACATS从其中选出6种•1990年5月美国GI公司发布全数字HDTV传输制式DigiCipher(数字密码)，引起轰动 •1993年淘汰了两种模拟方案EDTV和MUSE，只剩下4种全数字方案•1993年5月FCC成立了由这5个方案的提出者(GI、Zenith、AT&T、Thomson、Sarnoff)参加的HDTV大联盟(GA = Grand Alliance)•1994年4/12月发表GA HDTV规范1.0/2.0•1995年4月通过ATSC数字电视标准作为美国ATV广播标准•美国政府计划1997年试播（1998年11月已有23个城市正式开播）、2006年停播模拟广播，用9年时间完成模拟到数字广播的转换过程 ATSC的主要技术特点为了适应消费电子、计算机和网络的发展，GA HDTV中引入了互操作性和可扩展性，使得HDTV成为信息高速公路上的多媒体终端。
其主要技术特点有：•数字图像压缩技术——MPEG-2的子集•传输格式——与ATM兼容•扫描格式——与计算机兼容（方形像素、逐行扫描、宽高比固定）•传输调制——采用8VSB方式•伴音——5.1环绕声系统(以Dollby AC-3为备有系统) 3）欧洲DVB •1983年欧洲推出新的电视制式——MAC (Multiplexed Analogue Components多元模拟成分)•1986年提出HDTV的HD-MAC，并于1992年冬季奥运会上首次使用•在美国的影响下，1993年9月欧洲制定了全数字的HDTV方案——DVB(Digital Video Broadcasting数字视频广播)它也是基于MPEG-2标准，采用Musicam环绕声和AC-3环绕声•1998年10月1日英国开始DVB广播 4）台湾HDTV•1997年确定HDTV方案~美国•1999年中试播•2001年底开播•2006年停模拟广播•计划用7年时间完成模拟到数字广播的转换过程 5）中国HDTV •1994年中国国务院成立了由11个有关部委组成的数字HDTV研究开发小组•1996年国家科委将HDTV列入国家重大科技产业工程项目（战略研究、八五攻关、样机研制）•1997年7/11月CCTV-长城试验成功/建成闭路电视系统•1998年9月在CCTV试播•1999年10月CCTV用HDTV实况转播50周年国庆•中国计划1998年试播、2005年1/4数字化、2015年停模拟广播，用17年时间完成模拟到数字广播的转换过程 方案与标准的研究与制定•中国的HDTV的信源编码采用的上海交大提出的基于MPEG-2的方案（1920*1152）(5:3)•积极参加研究的单位有：HDTV总体组、CCTV、清华-赛格高技术研究中心、康佳、TCL、海信、夏华-天津大学、创维-华中科技大学等•卫星传输标准最先确立，随后有线传输标准也确立，现在就剩最后一个、也是最重要的地面传输标准还未确立•地面传输标准现有清华大学和上海交通大学两个方案，由于有巨大商业利益，竞争异常激烈，前者胜出的可能性较大•地面传输标准原计划2003年底定，后又说2004年底/2005年初定，现在看来要拖到2006年了 中国的数字电视技术标准及其制定单位•信道传输技术标准 –卫星传输 –有线传输（浙江大学） –地面传输（清华大学、上海交通大学） •信源编码技术标准（AVS工作组） –数据与命令格式（系统） –视频编码 –音频编码 •用户与安全管理标准（信息产业部第三所） –付费管理 –加密与解密 有线电视向数字化过渡时间表2003年6月中旬，国家广电总局发布了《我国有线电视向数字化过渡时间表》：一、地域划分 •除北京、天津、上海、重庆四个直辖市外，分东部、中部、西部三个地区•东部地区包括广东、福建、江苏、浙江、山东。
•中部地区包括湖南、湖北、海南、四川、安徽、江西、广西、河南、河北、山西、陕西、辽宁、吉林、黑龙江•西部地区包括新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙古、云南、贵州二、时间划分 •分2005年、2008年、2010年、2015年四个阶段 三、过渡计划 •第一阶段：到2005年，直辖市、东部地区地(市)以上城市、中部地区省会市和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡•第二阶段：到2008年，东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大部分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡•第三阶段：到2010年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡•第四阶段：到2015年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡•上海电视台已于2001.1.1开始试播数字高清晰度电视节目，北京电视台于2003.9.1开始试播，深圳电视台于2003.10.8试播高清频道，广州电视台也于2003.8开始试播 6.2 视频与编码•本节先给出视频的基本概念、视频卡与视频处理，再介绍模拟视频信号数字化的方法，重点介绍各种视频编码国际标准与应用•一．视频 •二．视频信号的数字化 •三．视频编码标准概述 •四．MPEG-1低分辨率数字视频编码 •五．MPEG-2高分辨率数字视频编码标准 •六．MPEG-4视听对象编码 •七．MPEG-7多媒体内容描述接口 •八．MPEG-21多媒体框架 一．视频•本小节先给出视频的基本概念，然后简单介绍视频卡、视频处理的最基本内容及常用的视频文件格式•1．概念•2．视频卡 •3．视频信息处理 •4．视频文件格式 1．概念•视频(video)是与电视有关的各种设备、产品和信息等，包括录像设备和技术，录像制品，如录相带、视频光盘VCD/DVD等•人们所收看的电视信号，实际上包括了视频和音频两个部分。
这里的视频是指电视画面的图像信息，而不包含电视中伴音•多媒体中所说的视频主要指组成电视画面的系列图像信息 2．视频卡•似音频有声卡，视频也有视频卡(video card)，可以进行视频信号的采集、处理和播放，包括视频信号的模数和数模转换 1）功能）功能视频卡一般有如下基本功能：•汇集视频源——如TV音像源、录像机VCR、摄像机、数字摄像机DV、激光视盘机LVDP等•硬件数字化——包括实时压缩•支持编辑——如修整、缩放•播放——在显示器上开窗或全屏（叠加）播放 2）分类•视频捕获/转换卡——模拟视频信号数字视频信号存储在计算机中/在显示器上播放•视频回放卡（解压卡/电影卡）——将存储在计算机磁盘或光盘上的视频信号在显示器上播放（早期286/386PC机需要）•电视卡——带高频头，可将计算机（的显示器）变成一台电视机，能收看电视节目 •集成卡：–常见——显卡+图形加速卡(+TV口)(包含视频回放卡功能)–多媒体——视频I/O+视频采集(+视频压缩) = 电视卡 + 视频捕获/转换卡 视频卡例•ATI于2004年初推出的HDTV Wonder TV，是市场上第一个HDTV电视卡产品： 3．视频信息处理•视频信息处理：采集编辑应用 1）采集）采集D/A (压缩)视频信息——>数字视频信号——>数据存盘视频捕获卡2）编辑）编辑编辑软件：•Microsoft的Video for Windows（AVI播放）•Microsoft的Windows Media服务器/编码器（ASF生成）/Player播放器（AVI/ASF播放）•Apple的QuikTime（MOV播放）•Adobe的Premiere•Asymetrix的DVP(Digital Video Producter) 3）应用视频播放：•全屏实时模拟信号源播放•全屏数字化视频信号播放•窗口数字化视频信号播放 4．视频文件格式常用的视频文件格式有：•AVI = Audio/Video Interleaved音频/视频交错（存储），MS&IBM&Intel Win•MOV = Movie电影，Apple MacOS/Win•rm/rv = RealMedia/RealVideo实媒体/实视频，RealNetworks Win/Unix/Linux•ASF = Advanced Stream Format先进流格式，MS Win•MPG = MPEG运动图像专家组，ISO&IEC Win/MacOS/Unix/Linux•DAT = DATA数据，VCD的视频数据文件 二．视频信号的数字化 数字视频的优点：•可用计算机来处理和播放视频信号•可直接进行随机存储使视频的检索变得很方便•复制数字视频和在网络上传输数字视频都不会造成质量下降•可以采用各种数字信号的数据压缩方法进行视频压缩•很容易进行非线性电视编辑 1．数字化的方法•数字电视系统用彩色分量来表示图像数据（如用YCbCr，YUV，YIQ，YDbDr或RGB彩色分量），视频数字化指对彩色空间的每一个分量进行数字化视频数字化常用的方法有两种：•(1) 先分离后数字化：先从复合彩色视频中分离出彩色分量YCbCr，YUV，YIQ ，YDbDr或RGB，然后用三个A/D转换器分别对它们数字化 •(2)先数字化再分离：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 2．数字化标准•1982年CCIR (International Radio Consultative Committee国际无线电咨询委员会)制定了彩色视频数字化标准，称为CCIR 601标准•CCIR 601现改称为ITU-R BT.601标准(601-5:1995.10.)，其中–ITU=International Telecommunication Union(联合国)国际电信联盟 –R=Radiocommunication Sector无线电部–BT=Broadcasting service (television)广播服务(电视) •该标准规定了彩色视频转换成数字图像时使用的采样频率，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系等 1）彩色空间之间的转换•用8位二进制数表示BT.601的Y‘CbCr和R’G‘B’，而R‘G’B‘颜色空间使用相同数值范围[0, 219]的分量信号•R'G'B'和Y'CbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B + 16Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128 2）采样频率 •CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的视频采样频率（这个采样频率也用于远程图像通信网络中的视频信号采样）•对PAL制、SECAM制，采样频率fs = N(像素/行)×625(行/帧)×25(帧/秒) = 13.5 (MHz), N = 864•对NTSC制，采样频率fs = N(像素/行)×525(行/帧)×29.97(帧/秒) = 13.5 (MHz), N = 858其中，N为每一扫描行上的采样数目（人为规定，凑成相等） 3）有效显示分辨率 •对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样864个样本•对NTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样858个样本•对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720 (= 864 – 144 = 858 - 138)个•每一扫描行的采样结构如下图所示 ITU-R BT.601的亮度采样结构 4）ITU-R BT.601标准摘要 •ITU-R BT.601用于对隔行扫描视频进行数字化，对NTSC和PAL制彩色电视的采样频率和有效显示分辨率都作了规定•ITU-R BT.601推荐使用4∶2∶2的彩色视频采样格式。
使用这种采样格式时，Y用13.5 MHz的采样频率，Cr和Cb用6.75 MHz的采样频率采样时，采样频率信号要与场同步和行同步信号同步•下表给出了ITU-R BT.601推荐的采样格式、编码参数和采样频率 彩色电视数字化参数摘要 5）CIF、QCIF和SQCIF为了既可用625行的视频又可用525行的视频，CCITT规定了多种分辨率的图像采样格式：•公用中分辨率格式(CIF=Common Intermediate Format)•1/4公用中分辨率格式(QCIF=Quarter-CIF)•子1/4公用中分辨率格式(SQCIF=Sub-QCIF)具体规格如下表所示 CIF、QCIF和SQCIF图像格式参数 CIF格式的特性•(1) 视频的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288•(2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)•(3) 使用NTSC帧速率，视频的最大帧速率为30 000/1001≈29.97幅/秒•(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线•(5) 对亮度和两个色差信号(Y、Cb和Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601。
即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16 3．图像子采样概要 •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) •在彩色图像压缩技术中，最简便的图像压缩技术就是图像子采样了•子采样是利用人的视觉系统如下两个特性来压缩彩色电视信号的：–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 子采样格式的种类试验表明，使用下面介绍的几种子采样格式，人的视觉系统对采样前后显示的图像质量没有感到有明显差别： •(1) 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•(2) 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•(3) 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) 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 4种子采样格式的彩色图像YCbCr样本空间位置 4:4:4子采样格式 4:2:2子采样格式 4:1:1子采样格式 MPEG-1使用的4:2:0子采样格式 MPEG-2使用的4:2:0子采样格式 4．视频的数据率•按照奈奎斯特(Nyquist)采样理论，模拟电视信号经过采样(把连续的时空信号变成离散的时空信号)和量化(把连续的幅度变成离散的幅度信号)之后，数字电视信号的数据量大得惊人•当前的存储器和网络都还没有足够的能力支持这种数据传输率，因此需要对数字电视信号进行压缩 1）ITU-R BT.601标准数据率•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，在传输数字电视信号通道上的数据传输率就达到为270 Mb/s，即•亮度(Y): 858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/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)429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)429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 有效图像的数据传输率•实际上，在荧光屏上显示出来的有效图像的数据传输率并没有那么高•亮度(Y): 720×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC)720×576×25×10≈104 Mb/s (PAL)•色差(Cr，Cb): 2×360×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC)2×360×576×25×10≈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 2）VCD视频数据率的估算•使用VCD(Video-CD)来存储数字电视，它的数据传输率(1.4112 Mb/s)中分配给电视信号的为1.15 Mb/s，这就意味MPEG电视编码器的输出数据率要达到1.15 Mb/s•显而易见，如果存储166 Mb/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•MPEG-1视频压缩技术不能达到这样高的压缩比。
为此首先把NTSC和PAL数字电视转换成公用中分辨率格式CIF的数字电视，这种格式相当于VHS(Video Home System)的质量，于是彩色数字电视的数据传输率就减小到30Mb/s：352×240×30×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (NTSC)352×288×25×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (PAL)•把这种彩色电视信号存储到CD盘上所需要的压缩比为：30/1.15 ≈ 26:1这就是MPEG-1技术所能获得的压缩比 3）DVD视频数据率的估算•根据当前成熟的压缩技术，视频的数据率压缩成平均为3.5 Mb/s ～ 4.7 Mb/s时非专家难于区分视频在压缩前后的之间差别•如果使用DVD-Video存储器来存储数字电视，4.7 GB的单面单层DVD盘要存放133分钟的电视节目，按照数字电视信号的平均数据传输率为4.1Mb/s来计算，压缩比要达到：166/4.10 ≈ 40:1•如果视频的子采样使用4:2:0格式，每个样本的精度为8比特，数字电视信号的数据传输率就减小到124Mb/s，即 720×480×30×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (NTSC)720×576×25×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (PAL)•使用DVD-Video来存储数字视频所需要的压缩比为：124/4.1 ≈ 30:1 5．音频视频交互文件格式•音频视频交互文件格式(The Audio/Video Interleaved File Format)（*.AVI）是Microsoft为Windows设计的多媒体文件格式RIFF(The Resource Interchange File Format,资源交换文件格式)中的一种（另一种常用的为波形音频文件格式*.WAV）•RIFF由文件头、数据类型标识及若干块(chunk)组成，块中可含多级子块 AVI文件的组成结构文件头（“RIFF”+文件长度+“AVI ”）3*4B(12B) 格式列表块头（“LIST”+块长度+“hdr1”）3*4B(12B)主头块（“avih”+块长度+MainAVIHeader结构）2*4B+56B(64B)流列表块头（“LIST”+块长度+“str1”）3*4B(12B) 流头块（“strh”+块长度+AVIStreamHeader结构）2*4B+56B(64B) 流格式块（“strf”+块长度+BITMAPINFO/WAVEFORMATEX即PCMWAVEFORMAT结构）2*4B+48B/18B [流附加头数据块（“strd”+块长度+压缩驱动程序信息）2*4B+nB]... ...（可有若干[一般为2个或1个]流列表块）[垃圾块（“JUNK”+块长度+块数据[用于对齐或排队]）2*4B+nB] 数据列表块头（“LIST”+块长度+“movi”）3*4B(12B)[记录列表块头（“LIST”+块长度+“rec”）3*4B(12B)]流数据子块（“##wb”/“##db”/“##dc”/“##pc”+块长度+块数据）2*4B+nB... ...（可有若干流数据子块）[索引块（“idx1”+块长度+若干AVIINDEXENTRY结构）2*4B+n*16B] 其中：•##可为00或01，分别对应第1/2个流列表块所描述的流•wb(wave bytes)表示波形音频数据•db(DIB bytes)表示未压缩视频数据•dc(DIB compression)表示压缩视频数据•pc(pallette changes)表示改变调色板的数据•具体文件格式参见Word文件P26~27 作业•1．（选做）实现无压缩AVI文件的解码和播放。
复习思考题•电视广播经历了那几个发展阶段？•给出电视显示技术的发展过程•世界上现行的模拟彩色电视制式有哪些？它们分别是什么国家在什么时候制定的？使用范围怎样？•给出各种彩色电视制式的扫描参数•为什么模拟电视要隔行扫描？为什么它们的扫描行数必须是奇数？•彩色电视采用的是什么颜色表示法？有什么优点？•给出HDTV的英文原文和中文译文 •HDTV与普通彩电的主要区别有哪些？(HDTV定义)•HDTV的扫描线数是普通彩色电视的多少倍？总信息量(像素数)又是多少倍？•HDTV一定是数字的吗（举例说明之）？数字电视有哪些好处？•给出日美欧及中国的HDTV的方案的名称与实施转换时间•现行的各种HDTV方案有一个什么共同点？(源编码)•中国HDTV标准的最高图像分辨率与宽高比是多少？现在还有哪个部分未标准化？•视频与电视有什么区别？•视频卡有哪些功能？如何分类？•视频信息处理主要包括哪些部分？ •常见的视频文件格式有哪些？•数字视频有哪些优点？•模拟彩电的数字化标准及其代号是什么？解释其中字母缩写的含义•该标准采用的是什么颜色空间？各个分量的含义是什么？•该标准推荐的子采样是什么格式？MPEG-1/2的子采样格式有什么相同和不同？•该标准的数字化参数(有效扫描参数)是多少？•给出CIF的中英文含义与扫描参数。
QCIF及SQCIF与它是什么关系？•标准的采样数据率是多少？有效的采样数据率又是多少？ •MPEG-1(VCD)的扫描参数与采样数据率是多少？数据传输率与压缩比各是多少？•MPEG-2(DVD)的扫描参数与采样数据率是多少？数据传输率与压缩比各是多少？•给出AVI的中英文含义与用处。