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數(shù)字視頻基本知識(shí)探討 |
| 作者：lyrical 欄目：數(shù)字廣電 |
數(shù)字視頻基本知識(shí)探討 由于工作的需要，我在數(shù)字視頻處理方面做了幾年的開發(fā)，我所說的開發(fā)是指應(yīng)用層的開發(fā)，而不是底層的研究。先后開發(fā)出了幾個(gè)產(chǎn)品，比如數(shù)字接口攝像頭、圖像采集卡、TV-VGA視頻轉(zhuǎn)換器、造紙行業(yè)用的在線斑點(diǎn)檢測儀、數(shù)字偽彩色處理儀等（這些產(chǎn)品的資料已發(fā)布在網(wǎng)站http://www.wondur.com 上），在開發(fā)中也了解了一些關(guān)于CMOS面陣傳感器、CCD面陣傳感器、CCD線陣傳感器、高速攝像、高分辨率攝像、視頻編解碼、圖像壓縮等方面的知識(shí)，目前我還在繼續(xù)做類似的開發(fā)。前面說的產(chǎn)品都有一定的銷量，所以經(jīng)常會(huì)收到用戶打來的電話，大多數(shù)是咨詢一些很基本的數(shù)字視頻知識(shí)。數(shù)字視頻無疑是復(fù)雜的，牽扯到很多方面，所以我有了寫這篇文章的想法，我希望用盡量通俗的方式來說明一些基本的問題，以期能對(duì)讀者的開發(fā)工作有一些幫助（說明一下：為了盡量地把問題說得簡單一點(diǎn)，敘述中我作了一些簡化，比如把U和Cb都說成U、V和Cr都說成V等。另外還需要說明的是，下面我所說的模擬視頻的各個(gè)參數(shù)都是針對(duì)我國的電視標(biāo)準(zhǔn)——PAL制式而言的，而其它的電視制式則略有差別。讀者在做進(jìn)一步研究時(shí)請(qǐng)注意）。因?yàn)槲业乃绞钟邢蓿?錯(cuò)漏難以避免，有興趣的讀者可以寫信和我一起來探討（我的e-mail：db200@netease.com或cjg@wondur.com）。 視頻簡單地說就是活動(dòng)圖像。電影也是活動(dòng)圖像，電影把大量靜止圖像記錄在膠片上，一張一張地連續(xù)顯示出來，就成了我們看到的電影。對(duì)于電視視頻，每秒鐘包含幾十幀靜止圖像，每一幀靜止圖像由幾百個(gè)行組成，每一行又由幾百個(gè)像素點(diǎn)組成。1秒鐘包含的圖像幀數(shù)為幀頻，1秒鐘包含的總行數(shù)為行頻，1秒鐘包含的總像素?cái)?shù)實(shí)際上就是相當(dāng)于視頻帶寬。 首先來說說模擬視頻。 遙想起來，在當(dāng)年有限的條件下，用電子管做出電視機(jī)的前輩們實(shí)在是令人佩服的，但是，用現(xiàn)在的眼光來看，當(dāng)年的電視技術(shù)又實(shí)在是很簡陋的。我國的黑白視頻信號(hào)幀頻為25 Hz，就是說每秒顯示25幅圖像，之所以規(guī)定為25 Hz，而不是其它的某個(gè)值，主要是因?yàn)閮蓚�(gè)原因。一個(gè)與人的視覺生理特點(diǎn)有關(guān)，當(dāng)圖像的刷新速度達(dá)到5幀/秒的時(shí)候，人開始感覺圖像是活動(dòng)的，而達(dá)到24幀/秒的時(shí)候，人感覺圖像是完全連續(xù)和流暢的（電影所使用的幀頻就是24 Hz），所以視頻信號(hào)幀頻應(yīng)大于等于24 Hz。理論上來說幀頻越高越好，但是幀頻越高，對(duì)電路的要求也越高，技術(shù)越復(fù)雜，成本也越高（現(xiàn)在有的電腦彩顯幀頻已達(dá)到200Hz），在當(dāng)時(shí)的條件下，只能選擇一個(gè)大于24的盡量小的值。另一個(gè)原因是因?yàn)槲覈碾娋W(wǎng)頻率是50Hz，當(dāng)采用25 Hz幀頻時(shí)，隔行掃描時(shí)的場頻為50 Hz，正好與電網(wǎng)同頻，這樣，電源對(duì)圖像的干擾是固定的，人眼不容易感覺出來，或者換個(gè)角度說：電源就可以不必做得那么精密（那個(gè)時(shí)候開關(guān)電源還很少使用，整流電源缺乏穩(wěn)壓措施，紋波很大）。所以選擇了25 Hz幀頻。說到這里，又要說說“場頻”。電視在顯示圖像的時(shí)候，把一幀分成了兩場來顯示，一個(gè)場由幀中的奇數(shù)行組成，叫做奇場，另一個(gè)場由幀中的偶數(shù)行組成，叫做偶場。之所以要這樣做，主要是因?yàn)樵贑RT顯象管上一秒鐘顯示25幀圖像時(shí)，人眼感覺到連續(xù)性還是不太好，而且還有明顯的閃爍，一幀分成兩場后，場頻為50 Hz，圖像更加連續(xù)一些。當(dāng)然還有一些別的原因，與電路設(shè)計(jì)方面有關(guān)。 我國的黑白視頻信號(hào)規(guī)定每幀圖像共625行，每場為312.5行，行頻15625 Hz，視頻帶寬6MHZ。在每場的312.5行中，有一些行要用作場消隱，是不包含視頻信號(hào)的，按照CCIR656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行編號(hào)方法，奇場的行號(hào)為第1至312.5行，偶場的行號(hào)為第312.5至625行，其中，奇場的第23.5至310行包含有效的視頻信號(hào)，共287.5行，偶場的第336至622.5行包含有效的視頻信號(hào)，共287.5行。所以一幀中有效的總行數(shù)為576行，由最上面的半行加上中間的574行加上最下面的半行組成。（說到這里又要順便說個(gè)問題，有經(jīng)驗(yàn)的讀者在PC機(jī)上用視頻捕捉卡捕捉圖像的時(shí)候，如果分辨率設(shè)定為720點(diǎn)*576行，會(huì)發(fā)現(xiàn)最上面的行左邊半邊是黑色的，或者最下面的行右邊半邊是黑色的，就是因?yàn)橐粓鲋邪邪胄械臒o效行的原因。） 上面說的是黑白視頻信號(hào)，那么彩色視頻信號(hào)又是怎么回事呢？當(dāng)科學(xué)家們開始研究彩色電視的時(shí)候，黑白電視已經(jīng)大量使用了，所以最好彩色電視信號(hào)能夠與黑白電視信號(hào)保持兼容，以便彩色電視信號(hào)在黑白電視機(jī)上能播放出黑白的圖像。這個(gè)問題是很困難的，因?yàn)樯刃盘?hào)也要占用較大的帶寬，而在電視射頻頻帶上，一個(gè)頻道挨著一個(gè)頻道，亮度信號(hào)（實(shí)際上還有調(diào)頻的伴音信號(hào)）已經(jīng)把頻帶給塞滿了，幸運(yùn) 的是，后來終于運(yùn)用壓縮亮度信號(hào)帶寬、大面積著色等技術(shù)解決了這個(gè)問題。從頻域的角度來看，色度信號(hào)（UV色差信號(hào)）是插在亮度信號(hào)的頻譜的間隙之中的，具體的位置是插在4.43MHz的地方，帶寬1.3MHz。在接收機(jī)中，簡單地說，把收到的信號(hào)中的4.43MHz處的帶寬1.3MHz的信號(hào)取出來就成了色度信號(hào)，而把收到的信號(hào)中的4.43MHz處的這個(gè)信號(hào)濾掉剩下的就是亮度信號(hào)。很多硬件工程師可能不容易理解這是什么意思，不過沒關(guān)系。下面我們從時(shí)域的角度來看看它們的一行的波形，如圖所示，黑白視頻的亮度信號(hào)采用了調(diào)幅制，一行的周期是64μs，其中顯示在屏幕上的信號(hào)占52μs，其余部分為行消隱、行同步頭。對(duì)于彩色信號(hào)，還在行同步頭上疊加了一小段4.43MHz的副載波信號(hào)，用作接收機(jī)中的4.43MHz信號(hào)的頻率和相位基準(zhǔn)。 上面說的是彩色視頻信號(hào)怎么加到原來的黑白視頻信號(hào)中。那么彩色圖像是怎么還原和顯示出來的呢？我們知道，黑白圖像的像素只能用亮度（灰度）來描述。而彩色圖像的像素的描述要復(fù)雜一些，有很多不同的方法，比如在印刷行業(yè)中用的是CMYK（青、品紅、黃、黑）四色合成的方法，而在計(jì)算機(jī)或電視機(jī)的CRT顯象管中都是用的RGB（紅、綠、藍(lán)）三基色合成的方法，我也不明白為什么要選這三種顏色，而沒選別的顏色，我猜想可能是因?yàn)槿搜郯琑GB三種色感細(xì)胞，所以用這三種基色能合成比較多的人眼能識(shí)別的彩色出來，或者因?yàn)檫@三種基色的熒光粉比較容易制造。通過RGB三基色來合成某種彩色，或者某種彩色怎樣分解為三基色，這個(gè)是大家都熟悉的。用RGB三基色來表示彩色的確很直觀，但是如果把這種方法用作圖像傳輸則絕不是一個(gè)好的方法。第一個(gè)缺點(diǎn)是與黑白圖像不兼容，把RGB三基色轉(zhuǎn)換為灰度的方法是：灰度=R*0.3+G*0.59+B*0.11,這個(gè)轉(zhuǎn)換過程顯然是比較復(fù)雜的。對(duì)于電視機(jī)而言，就意味著必須解碼出RGB信號(hào)才有可能得到黑白圖像，而黑白電視機(jī)沒有解碼功能，所以不能實(shí)現(xiàn)兼容。第二個(gè)缺點(diǎn)是占用太多帶寬，用RGB三基色表示圖像，每個(gè)分量的帶寬是均等的，都約等于亮度信號(hào)的帶寬，所以對(duì)于每個(gè)分量，都要用較大的帶寬來描述。第三個(gè)缺點(diǎn)是抗干擾能力差。由于G分量占有亮度值的59%，所以當(dāng)G受到干擾的時(shí)候，像素的亮度值會(huì)受到很大的影響，而人眼對(duì)亮度值的變化是十分敏感的，所以圖像主觀質(zhì)量會(huì)明顯下降�；谶@些原因，在視頻信號(hào)傳輸中采用的是YUV合成的方法。Y代表亮度信息，U代表藍(lán)色色差（就是藍(lán)色信號(hào)與亮度信號(hào)之間的差值），V代表紅色色差。我們來看看使用這種表示方法的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與黑白圖像兼容。假定一個(gè)像素是用YUV表示的，我們只要忽略UV分量，取出Y分量，就可以得到像素的亮度值，從而把彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像。這樣很容易實(shí)現(xiàn)彩色電視信號(hào)與黑白電視信號(hào)的兼容。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省帶寬。說這個(gè)問題的時(shí)候要先說說大面積著色原理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人眼對(duì)亮度信息是敏感的，主要通過亮度差別來分辨物體形狀的細(xì)節(jié)，而對(duì)彩色信息是不敏感的，人眼區(qū)分不出物體顏色上的細(xì)小的變化，或者說人眼不容易覺察出來圖像的色彩的細(xì)節(jié)部分的變化。因此，可以對(duì)亮度信號(hào)用較高的采樣頻率采樣，而對(duì)色度信號(hào)用較低的采樣頻率采樣（或者用較低的量化深度），比如幾個(gè)相鄰的像素的亮度值不同，但是卻可以使用一個(gè)相同的色度值。這就是大面積著色原理�；谶@個(gè)原理，在電視信號(hào)傳輸中，U或V信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于V信號(hào)的帶寬，這樣就節(jié)約了帶寬。換個(gè)方式來說，比如在計(jì)算機(jī)中，用RGB方式描述一個(gè)像素需要R、G、B共3個(gè)字節(jié)。而用YUV方式描述，則對(duì)于每2個(gè)像素，Y用2個(gè)字節(jié)，U取相同的值，用一個(gè)字節(jié)，V取相同的值，用一個(gè)字節(jié)，平均每個(gè)像素2個(gè)字節(jié)。或者每個(gè)像素Y用一個(gè)字節(jié)，U用半個(gè)字節(jié)，V用半個(gè)字節(jié)，共2個(gè)字節(jié)。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。由于亮度信號(hào)是單獨(dú)表示的，所以如果色差信號(hào)受到干擾，不會(huì)影響到亮度，主觀感覺噪聲不會(huì)明顯增加。 在電視機(jī)中，彩色視頻信號(hào)首先分解為亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)，色度信號(hào)再分解為U色差信號(hào)和V色差信號(hào)，最后由YUV三個(gè)分量經(jīng)過矩陣運(yùn)算變換為RGB信號(hào)，以便在顯像管上顯示。那么YUV具體是怎樣變換為RGB呢？這個(gè)問題又叫做“彩色空間變換”，我將在本文的后面詳細(xì)地討論這個(gè)問題。 通過前面的討論，我們已經(jīng)知道：黑白視頻信號(hào)帶寬6 MHz，由幀、場、行、像素等組成，像素用亮度值Y來描述。彩色視頻信號(hào)在黑白視頻信號(hào)中插入了一個(gè)帶寬1.3 MHz的色度信號(hào)，由這個(gè)信號(hào)來得到UV色差信號(hào)，最后把YUV變換為RGB來描述像素。 現(xiàn)在我們來分析一下視頻信號(hào)的缺點(diǎn)。1、幀頻低。視頻信號(hào)的幀頻只有25 Hz，必然導(dǎo)致圖像閃爍。2、分辨率低。在一幀中有效的行只有576行。由于采用了隔行掃描，一幀圖像要由連續(xù)的兩場來拼合而成，而實(shí)際上很難保證兩場中的行準(zhǔn)確地錯(cuò)開（對(duì)準(zhǔn)間隙），這進(jìn)一步導(dǎo)致垂直方向的分辨能力損失。3、亮色串?dāng)_。亮度信號(hào)和色度信號(hào)混合在一起，解碼的時(shí)候不能很好地分開，導(dǎo)致亮度信號(hào)和色度信號(hào)互相干擾。4、缺乏改進(jìn)余地。除非重新制定新的標(biāo)準(zhǔn)，否則前面提到的三個(gè)問題在現(xiàn)有基礎(chǔ)上都很難改進(jìn)。視頻信號(hào)格式有這么多缺點(diǎn)，是因?yàn)槭墚?dāng)年制定這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的技術(shù)條件制約造成的，而近年來通過 |
| 2樓： | >>參與討論 |
| 作者： jinzhao 于 2005/6/29 9:12:00 發(fā)布：
我第一個(gè)頂��！ 好東西！值得看看。 |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： guorock 于 2005/6/29 13:36:00 發(fā)布：
頂！ 頂！支持，狂頂不止！ |
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| 4樓： | >>參與討論 |
| 作者： 揚(yáng)欣電子 于 2005/6/30 8:51:00 發(fā)布：
這篇文章的作者也是21ICBBS的網(wǎng)友。 |
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| 5樓： | >>參與討論 |
| 作者： sun_ba 于 2005/6/30 9:00:00 發(fā)布：
好東西，謝謝！ |
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| 6樓： | >>參與討論 |
| 作者： 求是 于 2005/6/30 10:03:00 發(fā)布：
GOOD! |
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| 7樓： | >>參與討論 |
| 作者： db200 于 2005/6/30 12:38:00 發(fā)布：
這是我2002年寫的文章，能被一些同行認(rèn)同，我非常欣慰。 大家可以點(diǎn)下面的連接，看到包含插圖的完整的文章。 http://www.wondur.com/asp/topic/shuzishipin/shuzishipin.asp 我公司目前有幾個(gè)實(shí)用的視頻產(chǎn)品，歡迎大家選用： JPEG300數(shù)碼像機(jī)模塊 ◆自帶30萬像素CMOS攝像頭。 ◆輸出接口為8位并行接口，能方便地與單片機(jī)直接連接。 ◆輸出圖像分辨率640*480/320*240彩色/160*128彩色。 ◆輸出完整JPG格式圖像文件，文件大小7K/3K字節(jié)(中等復(fù)雜圖像)。 ◆輸出幀速1-6幀/秒，數(shù)據(jù)率22K字節(jié)/秒。 VC312嵌入式視頻壓縮卡 ◆輸入4路PAL制式模擬視頻信號(hào)。 ◆RS232串口輸出JPG圖像文件。 ◆支持亮度、對(duì)比度、色飽和度調(diào)整。 ◆支持15種圖像分辨率。 ◆支持12種圖像壓縮比。 ◆串口速度可設(shè)定為2400~230400bps。 ◆串口支持RTS/CTS硬件流控。 還有解壓縮卡，電話線圖像傳輸卡等。 帶插圖的完整文章 |
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| 8樓： | >>參與討論 |
| 作者： t14495716 于 2005/6/30 13:00:00 發(fā)布：
頂 |
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| 9樓： | >>參與討論 |
| 作者： 顧鑒 于 2005/7/10 1:37:00 發(fā)布：
不錯(cuò) 麻煩樓主是否可以提供一下各視頻訊號(hào)互相轉(zhuǎn)換的IC，謝謝 |
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| 10樓： | >>參與討論 |
| 作者： boygay 于 2005/7/10 19:14:00 發(fā)布：
頂 好文章，請(qǐng)作者多發(fā)幾篇呀。通俗易懂呀 |
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| 11樓： | >>參與討論 |
| 作者： dontium 于 2005/7/11 2:16:00 發(fā)布：
頂 暫時(shí)放這兒,明天 再看 |
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| 12樓： | >>參與討論 |
| 作者： Denorth00 于 2005/7/11 16:07:00 發(fā)布：
不錯(cuò)的資料！ |
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| 13樓： | >>參與討論 |
| 作者： treasure 于 2005/7/13 23:09:00 發(fā)布：
不錯(cuò)!! 關(guān)于"第一行左半行和最后一行右半行是黑的",我要再看看!! |
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| 14樓： | >>參與討論 |
| 作者： hosteleven 于 2005/7/19 17:57:00 發(fā)布：
你要寫教科書我國學(xué)生有福拉 |
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