视频信号处理基本知识学习教案

1、会计学1视频信号处理基本知识视频信号处理基本知识第一页，编辑于星期二：八点 三十九分。4 41 1 视频信号概述视频信号概述 4 41 11 1 视频信号的表示视频信号的表示 一、视频信号的形式一、视频信号的形式提到视频信号，人们首先想到的是电视信号，这是一种动态视频图像信号；还提到视频信号，人们首先想到的是电视信号，这是一种动态视频图像信号；还有静态图像信号。其它如可视电话的图像信号也属于视频信号。有静态图像信号。其它如可视电话的图像信号也属于视频信号。 二、图像的属性二、图像的属性 图像的属性主要有：分辨率、像素深度、真图像的属性主要有：分辨率、像素深度、真/ /伪彩色、图像的表示法和种类

2、等。伪彩色、图像的表示法和种类等。各种图像信号有黑白和彩色；也有模拟和数字之分。图像信号的根源都是模拟的。各种图像信号有黑白和彩色；也有模拟和数字之分。图像信号的根源都是模拟的。 属性一：属性一： 分辨率分辨率我们经常遇到的分辨率有两种：显示分辨率和图像分辨率。我们经常遇到的分辨率有两种：显示分辨率和图像分辨率。1. 1. 显示分辨率显示分辨率2. 2. 图像分辨率图像分辨率 属性二：属性二： 像素深度像素深度 和图象深度和图象深度属性三：属性三： 真彩色、伪彩色与直接色真彩色、伪彩色与直接色 第1页/共44页第二页，编辑于星期二：八点 三十九分。第2页/共44页第三页，编辑于星期二：八点 三

3、十九分。三、图像的种类 在计算机中，有两种类型的图：矢量图(vector graphics)和位映像图(bitmapped graphics)。矢量图是用数学方法描述的一系列点、线、弧和其他几何形状，如图4-2(a)所示。因此存放这种图使用的格式称为矢量图格式，存储的数据主要是绘制图形的数学描述；位映像图(bitmapped graphics)也称光栅图(raster graphics)，这种图就像电视图像一样，由像点组成的，如图4-2 (b)，因此存放这种图使用的格式称为位映像图格式，经常简称为位图格式，存储的数据是描述像素的数值。 第3页/共44页第四页，编辑于星期二：八点 三十九分。 4

4、12 视频信号的编码和译码 彩色视频信号的编码过程框图如图 4-2-1 所示。图中假设视频信号源提供的是模拟的三基色R、G、B信号。该信号在彩色坐标变换中，实现式（4-2-1）所示的变换。先将R、G、B信号变换为亮度和二个色差信号（Y、U、V）。而后，对Y、U、V三个信号分别进行采样并进行A/D变换。后面的工作主要是对这些信号进行数据压缩，以保证在一定质量指标的基础上最大限度地减少数据量。经过数据压缩的彩色视频信号可用于传递（无线、光纤等），也可用磁盘（或磁带等媒体）存贮起来或用光盘将其记录下来。有关问题的细节，是本章后面要阐述的主要内容。 第4页/共44页第五页，编辑于星期二：八点 三十九分

5、。图 4-2-1 彩色视频信号的编码过程框图当视频信号传送到接收端（或存贮于不同媒体的视频信号回放）时，视频信号要经过译码来恢复原始数据，译码过程框图如图 4-2-2 所示。 彩色信息源坐标变换映射变换量 化编 码A/D变换A/D变换A/D变换RGBYUV第5页/共44页第六页，编辑于星期二：八点 三十九分。解 码坐标变换彩色输出设备D/A变换D/A变换D/A变换传送回放 图 4-2-2 视频信号译码过程框图 已压缩的视频信号经解码器进行解压缩，再由D/A变换器恢复亮度和二个色差信号（Y、U、V）。这三个信号（Y、U、V）经变换可恢复原始的R、G、B三基色信号。R、G、B加到输出设备上（最常见

6、的输出设备就是电视机、监视器或彩色打印机等）供用户观察。 以上就是以彩色视频信号为例，说明其编码和译码的简单过程。 RGB第6页/共44页第七页，编辑于星期二：八点 三十九分。4 41 13 3 图象的颜色模型图象的颜色模型4 41 13 31 1 视角系统对颜色的感知视角系统对颜色的感知 颜色是视觉系统对可见光的感知结果。可见光是波长在颜色是视觉系统对可见光的感知结果。可见光是波长在380 nm380 nm780 nm780 nm之间的之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。研究表明，光

7、组合成的。研究表明，人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞，三种锥体细胞，另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因此颜色只存在于眼睛和大脑。在计算机图像处理中，杆状细胞还没有扮演什么角色。此颜色只存在于眼睛和大脑。在计算机图像处理中，杆状细胞还没有扮演什么角色。人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：1 1、眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜、眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜(human retina)(hu

8、man retina)通过神经元来感知外部世通过神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)(cone)，或者是一个对颜色不敏，或者是一个对颜色不敏感的杆状体感的杆状体(rod)(rod)。 2 2、红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，如、红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，如图图4-034-03所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不

9、使人感到图像质量明显下降。质量明显下降。 第7页/共44页第八页，编辑于星期二：八点 三十九分。图4-03 视觉系统对颜色和亮度的响应特性13图图4-03 视觉系统对颜色和亮度的响应特性视觉系统对颜色和亮度的响应特性13 第8页/共44页第九页，编辑于星期二：八点 三十九分。4 41 13 32 2 图像的颜色模型图像的颜色模型一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，使用RGB相加混色模型；一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定，用CMY相减混色模型。1 1、 显示彩色图像用显示彩色图像用RGBRGB相加混色模型相加混色模型电视机和计

10、算机显示器使用的阴极射线管(c cathode r ray t tube，CRT)是一个有源物体。CRT使用3个电子枪分别产生红(Red)、绿(Green)和蓝(Blue)三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色，如图4-05所示。组合这三种光波以产生特定颜色称为相加混色，称为RGB相加模型。相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法。第9页/共44页第十页，编辑于星期二：八点 三十九分。 颜色颜色R(红色的百分比红色的百分比)G(绿色的百分比绿色的百分比)B(蓝色的百分比蓝色的百分比) 当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而

11、蓝为0值时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为值时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。这些三基色相加的结果如图时得到青色。这些三基色相加的结果如图4-06所示。所示。 图4-05 彩色显像管产生颜色的原理 第10页/共44页第十一页，编辑于星期二：八点 三十九分。图图4-06 相加混色相加混色 在多媒体计算机中，除用RGB来表示图像之外，还用色调-饱和度-亮度(hue-saturation-lightness，HSL)颜色模型 在HSL模型中，H定义颜色的波长，称为色调；S定义颜色的强度(intensity)，表示颜色的深

12、浅程度，称为饱和度；L定义掺入的白光量，称为亮度。用HSL表示颜色的重要性，是因为它比较容易为画家所理解。若把S和L的值设置为1，当改变H时就是选择不同的纯颜色；减小饱和度S时，就可体现掺入白光的效果；降低亮度时，颜色就暗，相当于掺入黑色。因此在Windows中也用了HSL表示法，16色VGA调色板的值也表示在表5-02中。第11页/共44页第十二页，编辑于星期二：八点 三十九分。表表4-02 164-02 16色色VGAVGA调色板的值调色板的值代码代码R RG GB BH HS SL L颜色颜色0 00 00 00 01601600 00 0黑黑(Black)(Black)1 10 00

13、01281281601602402406060蓝蓝(Blue)(Blue)2 20 01281280 080802402406060绿绿(Green)(Green)3 30 01281281281281201202402406060青青(Cyan)(Cyan)4 41281280 00 00 02402406060红红(Red)(Red)第12页/共44页第十三页，编辑于星期二：八点 三十九分。2 2、 打印彩色图像用打印彩色图像用CMYCMY相减混色模型相减混色模型 用彩色墨水或颜料进行混合，这样得到的颜色称为相减色。在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混合得到。这三种颜色

14、是青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow)，通常写成CMY，称为CMY模型。用这种方法产生的颜色之所以称为相减色，是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。 在相减混色中，当三基色等量相减时得到黑色；等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)；等量青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)；等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，得到绿色(G)。这些三基色相减结果如图4-07所示。第13页/共44页第十四页，编辑于星期二：八点 三十九分。图图4-07 相减混色相减混色 彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图片也是采

15、用这种原理。按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8种颜色如表4-03所示。由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷术中常加一种真正的黑色(black ink)，所以CMY又写成CMYK。第14页/共44页第十五页，编辑于星期二：八点 三十九分。青色品红黄色相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑表4-03 相减色第15页/共44页第十六页，编辑于星期二：八点 三十九分。表表4-04 4-04 相加色与相减色的关系相加色与相减色的关系相加混色相减混色生成的颜色RGBCMY000111黑001110蓝010101绿011

16、100青100011红101010品红110001黄111000白第16页/共44页第十七页，编辑于星期二：八点 三十九分。RGB彩色空间和CMY彩色空间也可以使用图4-08所示的立方体来表示。图4-08 RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法 第17页/共44页第十八页，编辑于星期二：八点 三十九分。4133 彩色空间的线性变换标准彩色空间的线性变换标准为了使用人的视角特性以降低数据量，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三种：YIQ, YUV和YCrCb。每一种彩色空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型

17、的显示设备。其中，YIQ适用于NTSC彩色电视制式，YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式，而YCrCb适用于计算机用的显示器。1 1、 YUVYUV与与YIQYIQ模型模型 在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中的YUV不是那几个英文单词的组合词，而是符号，Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量；在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 第18页/共44页第十九页，编辑于星期二：八点 三十九分。YUV的优点：1、YUV表示法的重要性是它的亮度信号(Y)和色度信号(U、V)

18、是相互独立的 。2、YUV表示法的另一个优点是可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。 2 YUV2 YUV与与RGBRGB彩色空间变换彩色空间变换在考虑人的视觉系统和阴极射线管(CRT)的非线性特性之后，RGB和YUV的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：YRGBURGBVRG第19页/共44页第二十页，编辑于星期二：八点 三十九分。3 YIQ3 YIQ与与RGBRGB彩色空间变换彩色空间变换RGB和YIQ的对应关系用下面的方程式表示：YRGBIRGBQRGB或者写成矩阵的形式，第20页/共44页第二十一页，编辑于星期二：八点 三十九分。4 YCrCb4 YCrCb与与RGB

19、RGB彩色空间变换彩色空间变换 数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。它们的分量使用Y、Cr和Cb来表示，与RGB空间的转换关系如下：YRGBCrRB)128CbRGB)128或者写成矩阵的形式， 第21页/共44页第二十二页，编辑于星期二：八点 三十九分。4.1.4.1 彩色电视制式1、简介三种彩色电视制式：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV (High-Definition television)。NTSC(N National T Television S Systems C Committee)彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会

20、定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。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，因此德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(P Phase-A Alternative L Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。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。法国制定了SECAM (法文：SeSequential C Coleur A Avec M Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。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

21、试验这种制式。NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式 第22页/共44页第二十三页，编辑于星期二：八点 三十九分。2 2、 电视扫描和同步电视扫描和同步扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行扫描，图4-08表示了这两种扫描方式的差别。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。(a) 逐行扫描(b) 隔行扫描 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。第23页/共44页第二十四页，编辑于星期二：八点 三十九分。1. PAL1. PA

22、L制电视的扫描特性制电视的扫描特性PALPAL电视制的主要扫描特性电视制的主要扫描特性是：是：(1) 625(1) 625行行( (扫描线扫描线)/)/帧，帧，2525帧帧/ /秒秒(40 ms/(40 ms/帧帧) ) (2) (2) 高宽比高宽比(aspect (aspect ratio)ratio)：4:3 4:3 (3) (3) 隔行扫描，隔行扫描，2 2场场/ /帧帧，行，行/ /场场(4) 颜色模型：颜色模型：YUV 2. 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) 高宽比：电

23、视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9) (3) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，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)，所以显示时间是微秒。(6) 颜色模型：YIQ第24页/共44页第二十五页，编辑于星期二：八点 三十九分。3 3、 彩色电视彩色电视 在彩色电视中，用在彩色电视中，用Y Y、C C1 1, C, C2 2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，彩色表示法分别表示亮度信号和

24、两个色差信号，C C1 1，C C2 2的含义与具体的应用有关。在的含义与具体的应用有关。在NTSCNTSC彩色电视制中，彩色电视制中，C C1 1，C C2 2分别表示分别表示I I、Q Q两个色差信号；在两个色差信号；在PALPAL彩色电视制中，彩色电视制中，C C1 1，C C2 2分别表示分别表示U U、V V两个色差信号；在两个色差信号；在CCIR 601CCIR 601数字电视标准中，数字电视标准中，C C1 1，C C2 2分别表示分别表示CrCr，CbCb两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个分量信号两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个分量信号( (即即R R、G G

25、、B)B)与亮度信号之差。与亮度信号之差。 在彩色电视中，使用在彩色电视中，使用Y Y、C C1 1，C C2 2有两个重要优点：有两个重要优点：Y Y和和C C1 1，C C2 2是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以同时使用，Y 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；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；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C C1 1，C C2 2的带宽明显低于的带宽明显低于Y Y

26、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，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。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，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。第25页/共44页第二十六页，编辑于星期二：八点 三十九分。4.1.4.2 4.1.4.2 彩色电视信号的类型彩色电视信号的类型1 1、 复合电视信号复合电视信号 包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号叫做复合电视信号包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号叫做复合电视信号

27、(composite (composite video signal)video signal)，或者称为全电视信号。，或者称为全电视信号。2 2、 分量电视信号分量电视信号分量电视信号分量电视信号(component video signal)(component video signal)是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既可以分别用色既可以分别用R R、G G和和B B表示，也可以用亮度表示，也可以用亮度- -色差表示，如色差表示，如Y Y、I I和和Q Q，Y Y、U U和和V V。使用分量。使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需

28、要比较宽的带宽和同步信号。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。3 3、 S-VideoS-Video信号信号分离电视信号分离电视信号S-Video(Separated video-VHS)S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。使用模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。使用S-VideoS-Video有两个优点：有两个优点：(1) (1) 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。(2) (2

29、) 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。带宽。第26页/共44页第二十七页，编辑于星期二：八点 三十九分。4 41 14 43 3 电视图像数字化电视图像数字化1 1 、数字化的方法、数字化的方法在在大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如用大多数情况下，数字电视系统都希望用彩色分量来表示图像数据，如用YCbCrYCbCr，YUVYUV，YIQYIQ或或RGBRGB彩色分量。彩色分量。因此，电视图像数字化常用因此，电视图像数字化常用“分量初始化分量初始化(component

30、 digitization)”(component digitization)”这个术语，它表示对彩色空间这个术语，它表示对彩色空间的每一个分量进行初始化。电视图像数字化常用的方法有两种：的每一个分量进行初始化。电视图像数字化常用的方法有两种：先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。我们现在接触到的大多数电视信号源都先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。我们现在接触到的大多数电视信号源都是彩色全电视信号，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电视信号。对这类信号的数字化，通是彩色全电视信号，如来自录像带、激光视盘、摄像机等的电视信号。对这类信号的数字化，通常的做法是首先把模拟

31、的全彩色电视信号分离成常的做法是首先把模拟的全彩色电视信号分离成YCbCrYCbCr，YUVYUV，YIQYIQ或或RGBRGB彩色空间中的分量彩色空间中的分量信号，然后用三个信号，然后用三个A/DA/D转换器分别对它们数字化。转换器分别对它们数字化。 2. 2. 首先用一个高速首先用一个高速A/DA/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，以获得所希望的YCbCrYCbCr，YUVYUV，YIQYIQ或或RGBRGB分量数据。分量数据。 2 2 、数字化标准、数字化标准 早在早在2020世纪世纪808

32、0年代初，国际无线电咨询委员会年代初，国际无线电咨询委员会CCIR(International Radio Consultative CCIR(International Radio Consultative Committee)Committee)就制定了彩色电视图像数字化标准，称为就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601CCIR 601标准标准，现改为，现改为标准标准。该。该标准规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，定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，RGBRGB和和YCbCr(YCbCr(或者写成或者写成YCYCB BC CR R) )两个彩色空

33、两个彩色空间之间的转换关系等。间之间的转换关系等。 第27页/共44页第二十八页，编辑于星期二：八点 三十九分。1. 1. 彩色空间之间的转换彩色空间之间的转换 在数字域而不是模拟域中在数字域而不是模拟域中RGBRGB和和YCbCrYCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128Cb = (-0.1687R - 0.3313

34、G + 0.500B) + 1282. 2. 采样频率采样频率 CCIRCCIR为为NTSCNTSC制、制、PALPAL制和制和SECAMSECAM制规定了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制规定了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。视图像信号采样。对对PALPAL制、制、SECAMSECAM制，采样频率制，采样频率f fs s为为f fs s=625=6252525N=15625N=15625N=13.5 MHz,N=864N=13.5 MHz,N=864，其中，其中，N N为每一扫描行上的采样数目。为每一扫描行上的采

35、样数目。对对NTSCNTSC制，采样频率制，采样频率f fs s为为f fs s=525=52529.9729.97N=15734N=15734N=13.5 MHz, N=858N=13.5 MHz, N=858，N N为每一扫描行上的采样数目。为每一扫描行上的采样数目。 3. 3. 有效显示分辨率有效显示分辨率 对对PALPAL制和制和SECAMSECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样制的亮度信号，每一条扫描行采样864864个样本；对个样本；对NTSCNTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样制的亮度信号，每一条扫描行采样858858个样个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为本。对所

36、有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720720个。个。 第28页/共44页第二十九页，编辑于星期二：八点 三十九分。标准摘要标准摘要 用于对隔行扫描电视图像进行数字化，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。下表给出了推荐的采样格式、编码参数和采样频率。 推荐使用422的彩色电视图像采样格式。使用这种采样格式时，Y用13.5 MHz的采样频率，Cr，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。 第29页/共44页第三十页，编辑于星期二：八点 三十九分。采样格采样格式式信号信号形式形式采样频率采样频率样本数样本数/ /扫描行扫描行

37、数字信号取数字信号取值值(MHz)NTSCPAL范围范围(A/D)(A/D)Y13.5858(720)864(720)220级(16 235)4:2:2Cr6.75429(360)432(360)225级(16 240)Cb6.75429(360)432(360)(128 112)Y13.5858(720)864(720)220级(16 235)4:4:4Cr13.5858(720)864(720)225级(16 240)Cb13.5858(720)864(720)(128 112)彩色电视数字化参数摘要彩色电视数字化参数摘要 第30页/共44页第三十一页，编辑于星期二：八点 三十九分。5.

38、CIF5. CIF、QCIFQCIF和和SQCIFSQCIF为了既可用为了既可用625625行的电视图像又可用行的电视图像又可用525525行的电视图像，行的电视图像，CCITTCCITT规定了称为公用中分辨规定了称为公用中分辨率格式率格式CIF(Common Intermediate Format)CIF(Common Intermediate Format)，1/41/4公用中分辨率格式公用中分辨率格式(Quarter-CIF(Quarter-CIF，QCIF)QCIF)和和(Sub-Quarter Common Intermediate Format(Sub-Quarter Common

39、 Intermediate Format，SQCIF)SQCIF)格式，具体规格式，具体规格如下表所示。格如下表所示。CIFCIF格式具有如下特性：格式具有如下特性：(1) (1) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System(Video Home System，VHS)VHS)的分辨率，即的分辨率，即352352288288。(2) (2) 使用非隔行扫描使用非隔行扫描(non-interlaced scan)(non-interlaced scan)。(3) (3) 使用使用NTSCNTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为幅帧速率，

40、电视图像的最大帧速率为幅/ /秒。秒。(4) (4) 使用使用1/21/2的的PALPAL水平分辨率，即水平分辨率，即288288线。线。(5) (5) 对亮度和两个色差信号对亮度和两个色差信号(Y(Y、CbCb和和Cr)Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同。即黑色分量分别进行编码，它们的取值范围同。即黑色=16=16，白色，白色=235=235，色差的最大值等于，色差的最大值等于240240，最小值等于，最小值等于1616。第31页/共44页第三十二页，编辑于星期二：八点 三十九分。CIF CIF QCIFQCIFSQCIFSQCIF行数行数/ /帧帧像素像素/ /行行行数行数/ /帧帧

41、像素像素/ /行行行数行数/ /帧帧像素像素/ /行行亮度亮度(Y)(Y)288288360(35360(352)2)144144180(17180(176)6)9696128128色度色度(Cb)(Cb)144144180(17180(176)6)727290(88)90(88)48486464色度色度(Cr)(Cr)144144180(17180(176)6)727290(88)90(88)48486464CIF和QCIF图像格式参数第32页/共44页第三十三页，编辑于星期二：八点 三十九分。4.1.4.4 4.1.4.4 图像子采样图像子采样1 1、 图像子采样概要图像子采样概要 对彩色

42、电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频率对图像一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率的亮度信号和色差信号进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。进行采样。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子采样(subsampling)(subsampling)。 这种压缩方法的基本根据是人的视觉系统所具有的两条特

43、性，这种压缩方法的基本根据是人的视觉系统所具有的两条特性， 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；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。高频信号去掉而使人不易察觉。 子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压缩彩色电视信号。子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压

44、缩彩色电视信号。 第33页/共44页第三十四页，编辑于星期二：八点 三十九分。目前使用的子采样格式有如下几种：目前使用的子采样格式有如下几种：(1) (1) 4:4:44:4:4 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 4个连续的采样个连续的采样点取点取4 4个亮度个亮度Y Y样本、样本、4 4个红色差个红色差CrCr样本和样本和4 4个蓝色差个蓝色差CbCb样本，这就相当于每个像素用样本，这就相当于每个像素用3 3个样本个样本表示。表示。(2) (2) 4:2:24:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每这种子采样格式是指在

45、每条扫描线上每4 4个连续的采样点取个连续的采样点取4 4个亮度个亮度Y Y样样本、本、2 2个红色差个红色差CrCr样本和样本和2 2个蓝色差个蓝色差CbCb样本，平均每个像素用样本，平均每个像素用2 2个样本表示。个样本表示。(3) (3) 4:1:14:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 4个连续的采样点取个连续的采样点取4 4个亮度个亮度Y Y样本、样本、1 1个个红色差红色差CrCr样本和样本和1 1个蓝色差个蓝色差CbCb样本，平均每个像素用个样本表示。样本，平均每个像素用个样本表示。(4) (4) 4:2:04:2:0 这种子采样格式是

46、指在水平和垂直方向上每这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2 2个连续的采样点上取个连续的采样点上取2 2个亮个亮度度Y Y样本、样本、1 1个红色差个红色差CrCr样本和样本和1 1个蓝色差个蓝色差CbCb样本，平均每个像素用个样本表示。样本，平均每个像素用个样本表示。第34页/共44页第三十五页，编辑于星期二：八点 三十九分。 4:4:4子采样格式子采样格式 4:2:2子采样格式子采样格式 4:1:1子采样格式子采样格式 MPEG-1MPEG-1使用的使用的4:2:04:2:0子采样格式子采样格式 MPEG-2MPEG-2的空间样本位置的空间样本位置 第35页/共44页第三十六页，编辑于

47、星期二：八点 三十九分。42 基本的图像编码技术4.2.1 行程编码 现实中有许多这样的图像，在一幅图像中具有许多颜色相同的图块。在这些图块中，许多行上都具有相同的颜色，或者在一行上有许多连续的象素都具有相同的颜色值。在这种情况下就不需要存储每一个象素的颜色值，而仅仅存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色的象素数目就可以，或者存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色值的行数。这种压缩编码称为行程编码，常用(r run l length e encoding，RLE)表示，具有相同颜色并且是连续的象素数目称为行程长度。为了叙述方便，假定一幅灰度图像，第n行的象素值为：RLE编码的概念 第36页/共

48、44页第三十七页，编辑于星期二：八点 三十九分。 用用RLERLE编码方法得到的代码为：编码方法得到的代码为：8 803 31505084 41 18 80。代码中用黑体表示的数字是行程长度，黑体字。代码中用黑体表示的数字是行程长度，黑体字后面的数字代表象素的颜色值。例如黑体字后面的数字代表象素的颜色值。例如黑体字5050代表有连续代表有连续5050个象素具有相同的颜色值，个象素具有相同的颜色值，它的颜色值是它的颜色值是8 8。RLERLE所能获得的压缩比有多大，这主要是取决于图像本身的特点。如果图像中具有相同颜色的图像所能获得的压缩比有多大，这主要是取决于图像本身的特点。如果图像中具有相同颜

49、色的图像块越大，图像块数目越少，获得的压缩比就越高。反之，压缩比就越小。块越大，图像块数目越少，获得的压缩比就越高。反之，压缩比就越小。译码时按照与编码时采用的相同规则进行，还原后得到的数据与压缩前的数据完全相同。因译码时按照与编码时采用的相同规则进行，还原后得到的数据与压缩前的数据完全相同。因此，此，RLERLE是无损压缩技术。是无损压缩技术。第37页/共44页第三十八页，编辑于星期二：八点 三十九分。4.2.2 LZW(Lempel_Ziv_Welch)编码编码1:LZW压缩算法压缩算法 LZW压缩算法是压缩算法是围绕着串表来进行的围绕着串表来进行的,串表具有串表具有前缀性前缀性。用符号表示，假若。用符号表示，假若wK是由串是由串w和字符和字符K构成并且在串表中，则构成并且在串表中，则w也肯定在在串表中。也肯定在在串表中。 编码过程：编码过程： 1:初始化串表，使之包括所有的单个字符初始化串表，使之包括所有的单个字符 2:读取第一个输入字符，作为前缀读取第一个输入字符，作为前缀w STEP 3:读取下一个字符到读取下一个字符到K（直到输入字符流为空）（直到输入字符流为空） 4:如果如果wK在串表中：在串表中：w = wK，GOTO STEP 3 5： 如果如果wK不在串表中：输出不在串表中：输出