彩色数字电视基础

1、彩色数字电视基础彩色数字电视基础第第7章章 多媒体视频信息处理多媒体视频信息处理 n7.1 视频基础知识视频基础知识n7.2 广播电视信号及其标准广播电视信号及其标准n7.3 数字电视数字电视n7.4 视频的数字化过程视频的数字化过程n7.5 数字视频处理系统数字视频处理系统n7.6 视频文件的类型视频文件的类型7.1 视频基础知识n7.1.1 视频的定义视频的定义视频（视频（video）就其本质而言，实际上就是其内容随时）就其本质而言，实际上就是其内容随时间变化的一组动态图像，所以视频又叫作运动图像或间变化的一组动态图像，所以视频又叫作运动图像或活动图像。活动图像。从物理上来讲，视频信号是从

2、动态的三维景物投影到从物理上来讲，视频信号是从动态的三维景物投影到视频摄像机图像平面上的一个二维图像序列，一个视视频摄像机图像平面上的一个二维图像序列，一个视频帧中任何频帧中任何点的彩色位记录了在所观察的景物中一点的彩色位记录了在所观察的景物中一个特定的二维点所发出或反射的光。个特定的二维点所发出或反射的光。 从观察者的角度来讲，视频记录了从一个观测系统从观察者的角度来讲，视频记录了从一个观测系统(人人眼或摄像机眼或摄像机)所观测的场景中的物体发射或反射的光的所观测的场景中的物体发射或反射的光的强度，一般地说，该强度在时间和空间上都有变化。强度，一般地说，该强度在时间和空间上都有变化。 从数学

3、角度描述，视频指随时间变化的图像，或称为从数学角度描述，视频指随时间变化的图像，或称为时变图像。时变图像。 如图如图7-1所示所示,视频由一幅幅连续的图像帧序列构成，沿视频由一幅幅连续的图像帧序列构成，沿时间轴若一帧图像保持一个时间段时间轴若一帧图像保持一个时间段 t,利用人眼的视觉利用人眼的视觉暂留作用，可形成连续运动图像（即视频）的感觉。暂留作用，可形成连续运动图像（即视频）的感觉。图图7-1 7-1 视频由连续的图像帧序列构成视频由连续的图像帧序列构成视觉的时间域响应特性n当眼前物体消失时，视神经对物体的印象不会立即消失，当眼前物体消失时，视神经对物体的印象不会立即消失，而要延续而要延续

4、0.1秒的时间，人眼的这种性质被称为秒的时间，人眼的这种性质被称为“眼睛的眼睛的视觉暂留视觉暂留”。（原因：视神经的反应速度造成的。（原因：视神经的反应速度造成的.其时值其时值是二十四分之一秒）是二十四分之一秒） n让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比较低，人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高，较低，人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高，人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做复频率叫做临界闪烁频率临界闪烁频率，经测定为，经测定为46HZ。n电影播放过程中，

5、每秒投射电影播放过程中，每秒投射24幅画面，每幅画面投射过幅画面，每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次，这样就得到了程中用机械挡光阀遮挡一次，这样就得到了48HZ的闪的闪烁频率。烁频率。n要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画面数约为面数约为25帧左右。帧左右。n7.1.2 视频的分类视频的分类1. 模拟视频模拟视频 n模拟视频的特点模拟视频的特点:以模拟电信号的形式来记录以模拟电信号的形式来记录 依靠模拟调幅的手段在空间传播依靠模拟调幅的手段在空间传播 使用盒式磁带录像机将视频作为模拟信号存放在磁带上使用盒式磁带录像机将视频作为模拟

6、信号存放在磁带上 2. 数字视频（数字视频（Digital Video）n7.1.3 数字化视频的优点数字化视频的优点1.适合于网络应用适合于网络应用2.再现性好再现性好 3.便于计算机编辑处理便于计算机编辑处理n7.1.4 视频信号与图像信号的差异视频信号与图像信号的差异视频信号不同于图像信号，最重要的区别是视频信号视频信号不同于图像信号，最重要的区别是视频信号有一个每秒数帧（从有一个每秒数帧（从15帧秒到帧秒到60帧秒之间）的帧帧秒之间）的帧速率指标，它提供了显示的信号中运动的影像。速率指标，它提供了显示的信号中运动的影像。 第二个不同之处是帧的尺寸。第二个不同之处是帧的尺寸。 图像和视频

7、之间的第三个不同之处在于，图像在压缩图像和视频之间的第三个不同之处在于，图像在压缩时主要考虑了帧内像素之间的相关性，而为视频设计时主要考虑了帧内像素之间的相关性，而为视频设计压缩方法时利用了时域掩蔽，同时也利用了音频掩蔽压缩方法时利用了时域掩蔽，同时也利用了音频掩蔽的功能，并考虑了帧间画面的相关性。即在视频序列的功能，并考虑了帧间画面的相关性。即在视频序列里更倾向于以一种可预测的模式运动。里更倾向于以一种可预测的模式运动。 7.2 广播电视信号及其标准n7.2.1 电视信号的产生、传输和接收的过程电视信号的产生、传输和接收的过程图图7-3 7-3 模拟彩色电视系统：视频产生、传输和接收的过程模

8、拟彩色电视系统：视频产生、传输和接收的过程n7.2.2 广播电视信号制式广播电视信号制式1.NTSC制制 2.PAL制制3.SECAM 彩色电视系统：彩色电视系统：(1) (1) 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫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。频、伴音载频等等。(2) (2) 需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度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

9、信号进行传送。在接收端，彩色电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。显象管上重现发送端的彩色图像。兼容性兼容性 逆兼容性逆兼容性制式兼容问题制式兼容问题n7.2.3 电视视频信号的扫描方式电视视频信号的扫描方式图7-4 隔行扫描方式中一帧由两个场组成逐行扫描(non-interlaced scanning)隔行扫描(interlaced scanning)彩色电视制式NTSC彩色电视制的扫描特性是：彩色电视制的扫描特性是：(1) 525行行/帧帧, 30帧帧/秒秒(

10、2) 高宽比：电视画面的长宽比为高宽比：电视画面的长宽比为4:3 (3) 隔行扫描，一帧分成隔行扫描，一帧分成2场场(field)，262.5线线/场场 (4) 在每场的开始部分保留在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此扫描线作为控制信息，因此只有只有485条线的可视数据。条线的可视数据。 (5) 每行每行63.5微秒，水平回扫时间微秒，水平回扫时间10微秒微秒 (6) 颜色模型：颜色模型：YIQ(7)美国、加拿大等大部分西半球国家，及日本、韩国、美国、加拿大等大部分西半球国家，及日本、韩国、菲律宾和中国的台湾采用这种制式菲律宾和中国的台湾采用这种制式。彩色电视制式倒相正交平衡调幅制

11、倒相正交平衡调幅制PAL制式电视信号的扫描特性：制式电视信号的扫描特性： 625行行(扫描线扫描线)/帧，帧，25帧帧/秒秒(40 ms/帧帧) (2) 每场中有每场中有25行作为场回扫，所以每帧中只有行作为场回扫，所以每帧中只有575行行是有效行。是有效行。(3) 高宽比高宽比(aspect ratio)：4:3 (4) 隔行扫描，隔行扫描，2场场/帧，帧，312.5行行/场场(5) 行扫描周期为行扫描周期为6464微秒，其中微秒，其中11.811.8作为逆程时间作为逆程时间(5) 颜色模型：颜色模型：YUV(6) 西欧、中国和朝鲜等国家采用这种制式。西欧、中国和朝鲜等国家采用这种制式。彩色

12、电视的同步信号彩色电视国际标准n7.2.4 YUV与与RGB彩色模型彩色模型1YUV模型模型 图图7-5 PAL7-5 PAL彩色电视制式中彩色电视制式中采用采用YUVYUV模型来表示彩色图像模型来表示彩色图像2显示器产生颜色的原理显示器产生颜色的原理 3YUV与与RGB彩色空间变换彩色空间变换图图7-6 CRT7-6 CRT显示器采用显示器采用RGBRGB彩色模型彩色模型 n7.2.5 彩色电视的信号类型彩色电视的信号类型1.高频或射频信号高频或射频信号2.复合视频信号复合视频信号图图7-7 7-7 复合视频线及接口复合视频线及接口3.SVideo视频信号视频信号图图7-8 S-VIDEO7

13、-8 S-VIDEO视频线及接口视频线及接口4.分量视频信号分量视频信号 a)a)色差分量视频线色差分量视频线 b) b)分量视频信号接口分量视频信号接口 图图7-9 7-9 分量视频信号线与接口分量视频信号线与接口彩色电视信号的类型n复合电视信号：包含亮度信号、色差信号和所有定时同步复合电视信号：包含亮度信号、色差信号和所有定时同步信号的单一电视信号。信号的单一电视信号。n分离电视信号（分离电视信号（SVideo信号）：是亮度和色差分离的一信号）：是亮度和色差分离的一种电视信号，它可以（种电视信号，它可以（1）减少亮度信号和色差信号之间）减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。（的交叉干扰。（

14、2）不须要使用梳状滤波器来分离亮度信）不须要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。号和色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。n分量电视信号：是指每个基色分量作为独立的电视信号，分量电视信号：是指每个基色分量作为独立的电视信号，使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽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。的带宽和同步信号。(composite video signal)(composite video signal)复合电视信号彩色电视信号的类型7.3 数字电视n7.3.1 数字电视的特点及提供的服务数字电视的特点及提供的服务数字

15、电视与原有的模拟电视相比，有如下主要优点：数字电视与原有的模拟电视相比，有如下主要优点：n1.电视画面质量得到大幅度提升电视画面质量得到大幅度提升图图7-10 7-10 数字电视（左图）和数字电视（左图）和模拟电视（右图）的画面质量比较模拟电视（右图）的画面质量比较n2.更多的节目更多的节目n3.更好的视听效果更好的视听效果n4.交互性交互性n5.数字化融合提供新增的服务数字化融合提供新增的服务n除数字化的音视频节目外，数字电视系统还可以广除数字化的音视频节目外，数字电视系统还可以广播其他任意数据，如与节目内容有关的附带信息、播其他任意数据，如与节目内容有关的附带信息、本地气象与交通信息等。各

16、种各样的数据业务将大本地气象与交通信息等。各种各样的数据业务将大幅度扩展电视的信息服务能力。在数字化融合的时幅度扩展电视的信息服务能力。在数字化融合的时代，将会出现新的灵活的功能多样化的消费产品平代，将会出现新的灵活的功能多样化的消费产品平台，它将优质的声音、视像体验与交互式的信息服台，它将优质的声音、视像体验与交互式的信息服务集于一身，使得数字电视成为人们从事娱乐、信务集于一身，使得数字电视成为人们从事娱乐、信息和通信活动的平台。息和通信活动的平台。n7.3.2 数字电视标准数字电视标准方法：方法： 模拟信号分离模拟信号分离 数字采样量化数字采样量化 数字采样量化数字采样量化 数字信号分离数

17、字信号分离数字化标准：数字化标准：ITU-R BT.601(CCIR-601)ITU-R BT.601(CCIR-601)RGBRGB颜色空间到颜色空间到YCbCrYCbCr彩色空间的变换彩色空间的变换视频信号数字化视频信号数字化7.4 视频的数字化过程n7.4.1 视频信号的采样视频信号的采样1.对视频采样的基本要求对视频采样的基本要求n要满足采样定理要满足采样定理 n采样频率必须是行频的整数倍采样频率必须是行频的整数倍 n要满足两种扫描制式要满足两种扫描制式 ITU-RBT.601数字化标准 CCIR为为NTSC制、制、PAL制和制和SECAM制规定了制规定了共同的电视图像采样频率。这个采

18、样频率也用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。于远程图像通信网络中的电视图像信号采样。 亮度信号采样频率亮度信号采样频率 fs = 13.5 MHZ 色度信号采样频率色度信号采样频率 fc6.75MHZ 或或 13.5MHZ 每行采样点数每行采样点数 N = 864 (PAL) ，858（NTSC） 对于所有制式，每个扫描行的有效样本数均对于所有制式，每个扫描行的有效样本数均为为720。CIF ：Common Intermediate FormatQCIF ：Quarter CIFSQCIF：Sub-Quarter CIF视频信号数字化3.采样格式采

19、样格式图图7-13 4:2:27-13 4:2:2采样格式示意采样格式示意2.数字视频的采样格式数字视频的采样格式 根据电视信号的特征，亮度信号的带根据电视信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此其数字化宽是色度信号带宽的两倍。因此其数字化时对信号的色差分量的采样率低于对亮度时对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。如果用分量的采样率。如果用Y：U：V来表示来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有样格式分别有4:1:1、4:2:2和和4:4:4三种。三种。视频图像子采样视频图像子采样图像子采样图像子采样原理图像子采样原理n人眼

20、对色度信号信号的敏感程度比亮度信号的敏人眼对色度信号信号的敏感程度比亮度信号的敏感度低。感度低。n显示色度时，采样插值方法。此过程利用相当于显示色度时，采样插值方法。此过程利用相当于去除图像中的高频信号。去除图像中的高频信号。n7.4.2 量化n7.4.3 视频压缩与编码技术标准视频编码（视频压缩）是把数字视频流序列用更少的数据位进行存放的方法。大多数视频编码方法寻找空间和时间上的冗余来达到压缩的效果。从信息论的角度讲，信息压缩就是从时间域、空间域两方面去除冗余信息，将可推知的确定信息去掉。在时间域中，连续几帧的视频通常有很强的相关性，特别是当时域采样率是非常高的时候尤其如此；在空间域中，通常

21、像素采样点之间是相互关联的（相邻象素之间的值很相近）。事实上，视频编码技术正是基于这个理论，将视频分成帧内编码和帧间编码，前者用于去掉图像的空间冗余信息，后者用于去除图像的时间冗余信息。数字电视n数字电视的定义：数字电视的定义： 数字电视系统是将活动图像、声音和数据，通过数字电视系统是将活动图像、声音和数据，通过数字技术进行压缩、编码、传输数字技术进行压缩、编码、传输/存储存储 ，而实时，而实时发送发送/广播或者经过记录媒体的传播，供观众接收广播或者经过记录媒体的传播，供观众接收/播放的视听系统。它可以划分为播放的视听系统。它可以划分为 3大部分：信源大部分：信源部分（发送端）、信道部分（传输

22、部分（发送端）、信道部分（传输/存储过程）和存储过程）和信宿部分（接收端）。信宿部分（接收端）。数字电视n数字电视分类数字电视分类 数字电视系统业务可以按照其活动的图像比特率数字电视系统业务可以按照其活动的图像比特率的大小，粗略划分为标准清晰度数字电的大小，粗略划分为标准清晰度数字电 视视（SDTV）和高清晰度数字电视（）和高清晰度数字电视（HDTV）。）。SDTV和和HDTV的数字电视业务都可以应用于不同的数字电视业务都可以应用于不同的领域和场合，以满足广大消费者多层次的需要。的领域和场合，以满足广大消费者多层次的需要。它们两者将长期共存。它们两者将长期共存。高清晰度电视原则上讲，原则上讲，

23、HDTV是由它所能提供的画面质量定义的。是由它所能提供的画面质量定义的。n分辨率分辨率:HDTV画面水平和垂直的像素目都差不多是常规系画面水平和垂直的像素目都差不多是常规系统的统的2倍。垂直方向的高清晰度是由倍。垂直方向的高清晰度是由1 000多行的扫描线获多行的扫描线获得的。大约为传统得的。大约为传统5倍的视频带宽使灰度层次更加丰富，倍的视频带宽使灰度层次更加丰富，再加上有一些带宽用于单独传输色彩值，使得总带宽就是再加上有一些带宽用于单独传输色彩值，使得总带宽就是现有彩色电视系统的现有彩色电视系统的58倍。倍。n宽高比宽高比:HDTV画面的指定宽高比为画面的指定宽高比为16:9=1.777。n采用高清晰显像管，点节距（即荧光点的大小）应小于采用高清晰显像管，点节距（即荧光点的大小）应小于毫米；毫米； n观看距离观看距离:由于人眼分辨细节的能力是有限的，所以观看由于人眼分辨细节的能力是有限的，所以观看细节更丰富的细节更丰富的HDTV画面，观看距离要更近一些。画面，观看距离要更近一些。7.5 数字视频处理系统n7.5.1 数字视频处理系统的组成图7-14 数字视频处理系统的组成n7.5.2 视频采集卡的工作原理视频采集卡的工作原理图图7-15 7-15 视频卡的工作原理图视频卡的工作原理图7.6 视频文件的类型图图7-16 7-16 常用的视频文件格式类