色彩和视频基础

1、色彩和视频基础作者：向进发表时间：2004-12-28 0:00:00阅读次数：81编辑删除我们在利用视频进行工作、学习、娱乐时，需要掌握必要的相关知识，以更好地利用设备，提高效率，而现代课堂教育的实施，更是离不开此类设备。视频离不开色彩，在此先谈谈色彩。 一、色彩基础 彩色是由光波产生的。 物体吸收或者反射不同波长的光波形成彩色。各种不同波长的光一同进入人眼，视觉器官会对其混合处理，形成彩色。 1彩色模式 在一般情况下，彩色有以下几种模式。 ·RGB：自然界中的大部分色彩都可以用三种独立的基本色（即我们常说的“三原色”）按一定比率混合而成。三原色之间的混合比率决定了混合色的色调和饱

2、和度。混合色的亮度等于三原色的亮度之和。三原色是相互独立的彩色，任何一种彩色都不能由其他两种彩色混合而成。实际上，三原色并不是唯一的，在视频领域中用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）表示，但是在绘画领域则使用红、黄、蓝作三原色。由于人眼对红、绿、蓝三种彩色的光最为敏感，所以在视频技术领域选择RGB作为三原色。彩色电视机就是根据三原色原理重现自然景物图像的，将需要传送的彩色分解为红、绿、蓝三原色，再将它们变成相应的三种电信号进行传送。信号到达接收端后，利用三种电信号分别控制能发出红、绿、蓝光的彩色显像管，以重现原来的彩色。 在进行数字调色时，三原色的值为0255，三色混合成彩色。某一

3、色的值为255且其他两种原色的值为0时，呈现该色的纯正色彩。 Lab：该模式由RGB三原色转换而来，它由一个发光率（Luminance）和两个彩色（a、b）构成。 ·HSB：该模式基于人对彩色的感受形成。它将彩色分为三要素：色调（Hue）、饱和度（Saturation）以及亮度（Brightness）。色调是指彩色光的彩色类别。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫表示不同的色调，改变色光的光谱成分，就会引起色调的变化。不同波长的光所呈现的彩色不同，实际上就是指光的色调不同。彩色景物的色调取决于光照下反射或透射光的光谱成份，因此它的色调与折射它的光源有关。饱和度是指彩色的深浅程度，即色的浓淡程度

4、。对同一色调的彩色光，其饱和度越高，彩色越深，反之彩色越浅。通常所见的大多数光，其色饱和度都比较低，所以，彩色摄像、录像中所处理的多数为低饱和度色。色调和饱和度合成为色度，代表彩色光的品质。在视频技术中所说的传输彩色图像，实际上是传输图像像素的亮度和色度。亮度是指彩色光所引起的人眼视觉的明暗程度。亮度与光线的强弱有关，同一景物因光照的强弱不同会产生不同的亮度感觉。亮度还与光线的波长长短有关，人眼对黄绿光照射的景物最敏感，因而在同等强度的不同色光照射下，感到被黄绿光照射的景物最亮。 ·CMYK：该模式用于颜色印刷。它由青（Cyan）、洋红（Magenta）、黄（Yellow），黑（Bl

5、ack）4种彩色组成。CMYK依靠减去光线产生色彩，因为打印纸不会发射光线，只能吸收和反射光线。几种彩色叠加，将会得到更加灰暗的彩色，被称做减色原理。 2彩色深度 图像中每个像素可显示出的彩色数被称为彩色深度。它和数字化过程中的量化数有紧密联系，量化比特越高，每个像素可显示出的彩色数目越多。通常情况下，有以下几种彩色深度标准： ·24位真彩色：采用8比特量化，每个像素所能显示的彩色数为24位，也就是2的24次方，约有1680万种彩色。人眼无法识别真彩色以上的彩色。 ·16位增强色：增强色为16位彩色，每个像素显示的彩色数为2的16次方，有65536种彩色。 ·8位

6、色：每个像素显示的彩色数为2的8次方，有256种彩色。 ·32位真彩色：32位真彩色实际上是在24位真彩色图像的基础上，增加了一个8位的灰度通道。该通道用256级灰度记录图像中的透明度信息，定义透明、不透明和半透明区域。该通道被称为Alpha通道。 计算机显示卡适配器的设置，在正确安装驱动程序后，通常就设为前两类中的一种，否则就只有16色模式了。 二、视频基础 1帧和帧速率 帧和帧速率是视音频编辑中最基本也是最重要的一个概念。 无论是电影或者电视，都是利用动画的原理使图像产生运动。动画是一种将一系列差别很小的画面以一定速率连续放映而产生出运动视觉的技术。根据人类的视觉暂留现象，物体在

7、快速运动时，人眼对于时间上每一个点的物体状态会有短暂的保留现象，例如在黑暗的房间中挥舞一支香烛。由于视觉暂留现象，看到的不是一个红点沿弧线运动，而是一道道的弧线。这是由于香烛在前一个位置发出的光还在人的眼睛里短暂保留，它与当前香烛的光芒融合在一起，组成一段弧线。 构成动画的最小单位为Frame（帧），即组成动画的每一幅静态画面。一帧即为一幅静态画面。 视觉暂留的时间非常短，为10-1S数量级。所以为了得到平滑连贯的运动画面，必须使画面的更新达到一定标准，即每秒中所播放的画面要达到一定数量，这就是帧速率。PAL制影片的帧速率是25帧/秒， NTSC制影片的帧速率是29.9715帧/秒， 电影的帧

8、速率是24帧/秒，二维动画的帧速率是12帧/秒。 传统的动画技术是由动画师将动画所需的每一帧画面手绘出来，这意味着非常庞大的工作量。计算机的诞生，将人类从传统的动画技术中解脱出来。现在，动画师只需要绘制动画中关键的几帧画面，其他中间产生过渡运动的画面则可以交由计算机处理，这就是关键帧的工作原理。所谓关键帧的概念，即在不同的时间点对对象属性进行变化，而时间点之间的变化则由计算机来完成。例如在时间A处设置对象不透明度属性为100，在时间B处设置对象不透明度属性为0，则在从时间A至时间B处产生两个关键帧。计算机通过给定的关键帧，可以计算出对象从时间A至时间B处的不透明度变化过程。在一般情况下，为对象

9、指定的关键帧越多，则所产生的运动变化越复杂，但是更多的关键帧也将使计算机的计算时间加长。 对于三维动画，由于其基于物体结构的运动，所以，利用关键帧可以模拟一切自然界中的现象。但是二维动画，则有相当大的局限性，这是因为二维动画是基于画面的运动。所以，在制作二维动画时要明白，哪些动作能够用关键帧实现，哪些动作不能够用关键帧实现。 2扫描格式 视频标准中最基本的参数是扫描格式，主要包括图像在时间和空间上的抽样参数，即每行的像素数、每秒的帧数以及隔行扫描或逐行扫描。 扫描格式主要有两大类：525/59.94 和625/50，前者是每帧的行数，后者是每秒的场数。NTSC制的场频准确数值是59.94005

10、994Hz，行频是15734.26573Hz；PAL制的场频是50Hz，行频是15625Hz。 在数字域常用水平、垂直像素数和帧率来表示扫描格式，如480×70× 30， 1080×1920×30等。 对ATSC标准来说，共有28种扫描格式，其中常规清晰度电视（SDTV）为480×704×F和480米640×F，帧频F可以是23.976 Hz、24 Hz、29.97 Hz、30 Hz、59.94 Hz和60 Hz。高清晰度电视（HDTV）为1080×1920×F，帧频F是23.92 Hz、30 Hz和29

11、.97 Hz；或720×1280×F，帧频F为23.976 Hz、24 Hz、29.97 Hz、30 Hz、59.94 Hz和60 Hz。 对DVB标准来说，25Hz帧频的SDTV IRD可以接收扫描格式为720×576×25、544×576×25、352×576×25的图像；30Hz帧频的SDTV IRD可以支持30000/1001Hz的帧频，可以接收扫描格式为720×480×30、544×480×30、480×680×30、352×480&#

12、215;30和352×240×30的图像。对25Hz的HDTV IRD，可以接收扫描格式为1152×1920×F和1080×1920×F的图像。 3宽高比 视频标准中的第2个重要参数是宽高比，宽高比可以分为帧宽高比和像素宽高比。 帧宽高比指一帧图像的宽高比。可以用两个整数的比来表示，也可以用小数来表示，如4:3或1.33；电影、SDTV和HDTV具有不同的宽高比。SDTV的宽高比是4:3或1.33;HDTV和扩展清晰度电视（EDTV）的宽高比是16:9或1.78；电影的宽高比从早期的1.333到宽银幕的2.77.由于输入图像宽高比不同

13、，便出现了在某一宽高比屏幕上显示不同宽高比图像的问题。 某些视频输出使用相同的帧宽高比，但使用不同的像素宽高比。例如，某些NTSC数字化压缩卡产生4:3的帧宽高比，使用方像素（1.0像素比）及640×480分辨率，D1 NTSC采用4:3的帧宽高比，但使用矩形像素（0.9像素比）及720×486分辨率。 如果在一个显示方形像素的显示器上不作处理显示矩形像素，则会出现变形现象。 4视频制式 基带视频是一种简单的模拟信号，由视频模拟数据和视频同步数据构成，用于接收端正确地显示图像。信号的细节取决于应用的视频标准或者“制式”，如NTSC（美国全国电视标准委员会，National

14、Television Standards Committee）， PAL（逐行倒相，Phase Alternate Line）以及SECAM（顺序传送与存储彩色电视系统，法国采用的一种电视制式，Sequential Couleur Avec Memoire ）。 NTSC制是美国于1953年研制成功的兼容式彩色电视制式，在美国、日本、加拿大等国家被广泛地采用。其特点是用两个色差信号（R-Y）和（B-Y）分别对频率相同而相位相差90º的两个副载波进行正交平衡调幅，再将己调制的色差信号叠加，穿插到亮度信号的高频端。 平衡调制采用抑制载波的方法。在兼容制的彩色电视中，用色度信号去调制彩色副

15、载波后，若不抑制彩色副载波，则用黑白电视机接收的黑白图像上会出现亮点和暗点相互间隔的点状结构，形成图像景物失真，所以必须抑制不传输信息的彩色副载波。为了解调出平衡调幅波中的两个色差信号，必须在接受机中设置副载波再生电路，以恢复失去的副载波。 正交调制把两个色差信号调制在相位差为90º的同频率载波上，即相互正交的两个载波上。正交调制信号电压的大小由两色差信号电压的大小决定，而相位差则由二者的比例关系决定，前者代表了彩色的饱和度，后者反映了彩色的色调。 NTSC制的主要缺点是对信号的相位失真十分敏感，色彩不太稳定，容易产生明显的色调失真。为了避免色调失真，要求发送端与中间传送设备的性能指

16、标要高。 为了克服NTSC制对信号相位比较敏感的缺点，1962年原西德提出了一种改进方案，称为逐行倒相制，简称为PAL。 PAL制在我国、英国和欧亚很多国家中得到广泛应用。 PAL制和NTSC制一样，也是同时传送两个色差信号（R-Y）与（B-Y）。不过（R-Y ）是逐行倒相的，它和（B-Y）信号对副载波进行正交调制。采用逐行倒相的方法，若在传送过程中发生相位变化，则因相邻两行相位相反，可以起到相互补偿的作用，从而避免了相位失真引起的色调改变。PAL制信号与色度信号相互间的干扰较小，由于梳状滤波器的存在，亮度信号与杂波对色的干扰也比较小，因此兼容性比较好。不过，PAL制的编码器、解码器都比NTS

17、C制复杂，信号处理较为麻烦，所以接收机的造价相应比较高。对高密度记录方式的录像机来说，PAL制的这些缺点给电路设计增添了难度。 SECAM制是1956年由法国提出的，并于1966年在法国率先使用。 在SECAM制中，两个色差信号是逐行依次传送的，因而在同一时刻，传输通道内只存在一个信号，不会出现串色现象，从而克服了NTSC制对相位敏感的缺点。至于亮度信号，仍然是每行都进行传送。另外，两个色度信号不对副载波进行调幅，而是对两个频率不同的副载波进行调频，再把两个已调副载波逐行轮换插入亮度信号高频端，形成彩色图像视频信号。这样，在传输过程中引进的微分相位失真就不会对大面积的彩色造成影响，只在垂直边界

18、上使彩色有所改变。而且调频信号在进入频率检波器前还可用限幅器削平振幅，所以SECAM制的色度信号几乎不受幅度失真的影响。此外，采用色度信号及频率微波方式可以不必传送副载波的相位信息。 SECAM制的兼容性不如NTSC制和PAL制，在正常传输条件下，传送的图像质量也相对较差。只有在传输条件较差的情况下，才能显示出其不怕干扰的优势。 在个人计算机（PC）领域，由于使用的制式不同，存在不兼容的情况。拿分辨率来说，有的制式每帧有625线（50Hz），有的则每帧只有525线（60Hz）。后者是北美和日本采用的标准，统称为NTSC。通常，一个视频信号是由一个视频源生成的，比如摄像机、VCR或者电视调谐器等

19、。为传输图像，视频源首先要生成一个垂直同步信号（VSYNC）。这个信号会重设接收端设备（PC显示器），保证新图像从屏幕的顶部开始显示。发出VSYNC信号之后，视频源接着扫描图像的第一行。完成后，视频源又生成一个水平同步信号，重设接收端，以便从屏幕左侧开始显示下一行，并针对图像的每一行，分别发出一条扫描线以及一个水另外，NTSC标准还规定视频源每秒钟需要发送30幅完整的图像（帧）。假如不作其他处理，闪烁现象会非常严重。为解决这个问题，每帧又被均分为两部分，每部分262.5行。一部分全是奇数行，另一部分则全是偶数行。显示的时候，先扫描奇数行，再扫描偶数行，就可以有效地改善图像显示的稳定性，减少闪烁

20、。 由于我国的电视机采用PAL制式，因此一般情况下可将电视机的制式设为PAL或者AUTO（自动）模式，而录像机一般产自日本，在使用录像机特别是早期的录像机时可能要设为NTSC制式，才能正常使用。 5信号格式 视频标准中另一个重要问题是彩色信息的表述。视频信号泛指图像信号或全电视信号。彩色摄像机、录像机中采用的视频信号实际上就是彩色全电视信号的简称。 彩色电视信号既要使彩色电视机呈现彩色图像，又要使黑白电视机呈现黑白图像，彩色和黑白电视相兼容的要求使彩色电视的传送方式严格受到黑白电视的约束。 黑白全电视信号由图像信号（视频信号）、消隐信号、同步信号、均衡脉冲和槽脉冲组成。 图像信号是单级性的，只

21、能是正值或者负值，绝对不能在零值两边变化。如果规定曲线的相对高度12.5%以下为白电平，75%以上为黑电平，处于75%处为消隐电平，75%-100%为同步电平，则电平越高所反映的图像越黑，电平越低所反映的图像越亮。此种图像信号电平的高低与图像亮暗成反比的信号称为负级性信号。反之，如果规定曲线相对高度的12.5%为黑电平，75%处为白电平，则图像信号的电平高低与图像亮暗成正比，这样的视频信号称为正极性信号。我国电视发送和接收都采用负极性视频信号。 在行扫描的逆程时间内并不传送图像信号，行、场扫描逆程的回扫线会对传送图像起干扰作用。为此，要在行、场扫描的逆程期间加入黑电平信号，使显像管的电子束在行

22、、场回扫期间截止。这个黑电平就是消隐信号，消除行、场逆程电子束的消隐信号分别称为行消隐和场消隐信号，二者合在一起称为复合消隐信号。 为了保证显像管扫描与摄像管扫描的频率和相位完全一致，电视台还要在消隐期间提供行同步信号与场同步信号，二者合称为复合同步信号。每一行扫描结束时传送一个行同步信号，每一场结束时传送一个场同步信号。行、场同步脉冲的上沿分别作为行、场扫描逆程的起点。如果接收机扫描与发送端扫描不同步，电视机中的扫描电路按其自由振荡周期工作，则图像将无法重现。例如行扫描电路的振荡周期发生故障时，图像将会出现左右的扭曲；场扫描电路的振荡周期发生故障时，图像将会出现上下滚动。为了使同步信号既不影响消隐，又要与消隐脉冲有所区别，同步脉冲电平应比消隐电平还高。 在场同步脉冲前后各有五个窄脉冲，称为前后均衡脉冲，宽度为行同步脉冲宽度的一半，间隔为H/2.其作用是保证隔行扫描中偶数场正好处于奇数场之间，以免产生并行现象。 黑白电视只传送一个反映景物亮度的信号，即图像信号。彩色电视除了重现景物的亮度信息外，还需同时重现景物的彩色信息。 对一种彩色进行编码的方法统称为“彩色空间”或“色域”。用最简单的话说，世界上任何一种彩色的“彩色空间”都可定义成一个固定的数字或变量。RGB（红、绿、蓝）只是众多彩色空间的一种。采用这种编码方法，每种彩色都可用三个