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文檔簡介
1、視頻基礎(chǔ)知識,2,主要內(nèi)容,視覺的時(shí)間域響應(yīng)特性YUV、YIQ與YCrCb顏色空間彩色電視制式彩色電視信號的類型2電視圖像數(shù)字化圖像子采樣MPEG簡介,3,視覺的時(shí)間域響應(yīng)特性,讓觀察者觀察按時(shí)間重復(fù)的亮度脈沖,如果閃爍頻率比較低,人眼就有一亮一暗的感覺。如果閃爍頻率足夠高,人眼看到的則是一個(gè)恒定的亮點(diǎn)。閃爍感剛好消失的重復(fù)頻率叫做臨界閃爍頻率,經(jīng)測定為46HZ。電影播放過程中,每秒投射24幅畫面,每幅畫面投射過程中用機(jī)械
2、擋光閥遮擋一次,這樣就得到了48HZ的閃爍頻率。要保持畫面中物體運(yùn)動的連續(xù)性,要求每秒鐘攝取的畫面數(shù)約為25幀左右。,4,YUV、YIQ與YCbCr顏色空間,人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨能力遠(yuǎn)比對亮度細(xì)節(jié)的分辨能力低,通常把RGB空間表示的彩色圖像變換到Y(jié)UV或者YIQ顏色空間。每一種彩色空間都產(chǎn)生一種亮度分量信號和兩種色度分量信號,而且亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是相互獨(dú)立的,每一種變換使用的參數(shù)都是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備。彩色
3、電視信號中采用YIQ或者YUV空間一是為了兼容黑白電視,二是為了實(shí)現(xiàn)壓縮。,5,YUV、YIQ與YCbCr顏色空間,YUV模型用于PAL制式的電視系統(tǒng),Y表示亮度,UV并非任何單詞的縮寫。 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = 0.493 (B – Y) V = 0.877 (R – Y)YUV空間相當(dāng)于對RGB空間做了一個(gè)解相關(guān)的線性變化。U和V的比值決定色調(diào),而(U2+V2
4、)1/2代表顏色的飽和度。,6,YUV、YIQ與YCbCr顏色空間,YIQ模型與YUV模型類似,用于NTSC制式的電視系統(tǒng)。YIQ顏色空間中的I和Q分量相當(dāng)于將YUV空間中的UV分量做了一個(gè)33度的旋轉(zhuǎn)。YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間,主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中。從RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換中,輸入、輸出都是8位二進(jìn)制格式。,7,YUV、YIQ與YCrCb顏色空間,8,隔行掃描(interlaced scannin
5、g),逐行掃描(non-interlaced scanning),電視掃描,9,彩色電視制式,NTSC制式(National Television Systems Committee):是1952年美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會定義的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn) PAL制式(Phase-Alternative Line):德國于1962年制定。解決于NTSC在相位敏感造成的彩色失真的缺點(diǎn)。SECAM制式:法國制定的順序傳輸彩色與存儲彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn),
6、10,彩色電視制式,NTSC彩色電視制的主要特性是:(1) 525行/幀, 30幀/秒(2) 高寬比:電視畫面的長寬比為4:3 (3) 隔行掃描,一幀分成2場(field),262.5線/場 (4) 在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息,因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)。 (5) 每行63.5微秒,水平回掃時(shí)間10微秒(包含5微秒的水平同步脈沖),所以顯示時(shí)間是53.5微秒(6) 顏色模型:YIQ(7)美國、加拿大等大部
7、分西半球國家,及日本、韓國、菲律賓和中國的臺灣采用這種制式。,11,彩色電視制式,倒相正交平衡調(diào)幅制PAL制式電視信號的特性: 625行(掃描線)/幀,25幀/秒(40 ms/幀) (2) 每場中有25行作為場回掃,所以每幀中只有575行是有效行。(3) 高寬比(aspect ratio):4:3 (4) 隔行掃描,2場/幀,312.5行/場(5) 顏色模型:YUV(6) 西歐、中國和朝鮮等國家采用這種制式。,12,彩色電視
8、制式,順序傳送彩色與存儲SECAM的主要特征是: 625行(掃描線)/幀,25幀/秒(40 ms/幀) (2) 每場中有25行作為場回掃,所以每幀中只有575行是有效行。(3) 高寬比(aspect ratio):4:3 (4) 隔行掃描,2場/幀,312.5行/場(5) 法國、俄羅斯、東歐和中東等65個(gè)地區(qū)和國家,13,彩色電視信號的類型,復(fù)合電視信號:包含亮度信號、色差信號和所有定時(shí)同步信號的單一電視信號。分離電視信號(
9、S-Video信號):是亮度和色差分離的一種電視信號,它可以(1)減少亮度信號和色差信號之間的交叉干擾。(2)不須要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色差信號,這樣可提高亮度信號的帶寬。分量電視信號:是指每個(gè)基色分量作為獨(dú)立的電視信號,使用分量電視信號是表示顏色的最好方法,但需要比較寬的帶寬和同步信號。,14,復(fù)合C信號與S-Video信號,一般的廣播電視的亮度信號帶寬為6MHz,而國內(nèi)的PAL制式彩色信號帶寬為1.5MHz。復(fù)合視頻輸出
10、是將4.43MHz的色度副載波信號調(diào)制視頻亮度信號中,在顯示輸出時(shí)進(jìn)行色度解調(diào),將色度副載波從復(fù)合視頻信號中濾出來,這樣就可能損失亮度信號中的4.43+-0.75MHz的頻率,降低了水平清晰度。另外,沒有完全濾掉的色度副載波信號可能會干擾亮度通道,而處于4.43MHz邊緣的亮度信號則會進(jìn)入色度解調(diào)電路,兩者互相干擾,降低了播出質(zhì)量。采用S端子的亮度和色度分離輸出可以提高畫面質(zhì)量,這就是為什么有人將其稱為“高清晰度輸出”的緣故。,15,復(fù)
11、合C信號波形-PAL,,16,C to S-Video,Y-ground---------------+ +----+------ RCA/composite groundC-ground-------
12、--------+ | | | | 75歐Y-------------------------+
13、0; | | +-----+---- RCA/composite videoC------------||-----------+
14、60; 470pF,17,彩色電視信號的類型,,18,電視圖像數(shù)字化,電視圖像數(shù)字化常用的方法有兩種:先從復(fù)合彩色電視圖像中分離出彩色分量,然后數(shù)字化。大多數(shù)電視信號源都是彩色全電視信號,如來自錄象帶、激光視盤、攝象機(jī)等的電視信號。對這類信號的數(shù)字化,通常的做法是首先把模擬的全彩色電視信號分離成YUV,YIQ或RGB彩色空間中的分量信號,然后用三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器分別對它們數(shù)字化。首先用一個(gè)高速A/
15、D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化,然后在數(shù)字域中進(jìn)行分離,以獲得所希望的YCbCr,YUV,YIQ或RGB分量數(shù)據(jù)。,19,ITU-RBT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),1、采樣頻率 CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個(gè)采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的電視圖像信號采樣。 亮度信號采樣頻率 fs = 13.5 MHZ 色度信號采樣頻率 fc=6.75MHZ 或 13.5MHZ
16、 每行采樣點(diǎn)數(shù) N = 864 (PAL) ,858(NTSC) 對于所有制式,每個(gè)掃描行的有效樣本數(shù)均為720。,20,ITU-RBT.601數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),2、數(shù)字信號取值范圍: 亮度信號220級,色度信號225級。3、顏色空間之間的轉(zhuǎn)換公式4、圖像子采樣格式:4:4:4,4:2:2、 4:1:1、4:2:0,21,CIF、QCIF和SQCIF,CIF : Common Intermedi
17、ate FormatQCIF : Quarter CIFSQCIF:Sub-Quarter CIF,22,圖像子采樣,如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低,這種采樣就稱為圖像子采樣(subsampling)。,23,圖像子采樣,24,MPEG標(biāo)準(zhǔn),MPEG(Motion Picture Experts Group---全球影像/聲音/系統(tǒng)壓縮標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn):包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)(視音頻同步)三
18、個(gè)部分。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)是針對運(yùn)動圖像而設(shè)計(jì)的?;痉椒ㄊ恰?-在單位時(shí)間內(nèi)采集并保存第一幀信息,然后就只存儲其余幀相對第一幀發(fā)生變化的部分,以達(dá)到壓縮的目的。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)幀之間的壓縮,其平均壓縮比可達(dá)50:1,壓縮率比較高,且又有統(tǒng)一的格式,兼容性好。,25,MPEG-1,MPEG-1用于傳輸1.5Mbps數(shù)據(jù)偉輸率的數(shù)字存儲媒體運(yùn)動圖像及其伴音的編碼,經(jīng)過MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)壓縮后,視頻數(shù)據(jù)壓縮率為1/100—1/200,音頻
19、壓縮率為1/6.5。MPEG-1提供每秒30幀352×240分辨率的圖像,當(dāng)使用合適的壓縮技術(shù)時(shí),具有接近家用視頻制式(vHS)錄像帶的質(zhì)量。MPEG-1允許超過70分鐘的高質(zhì)量的視頻和音頻存儲在一張CD-ROM盤上。vCD采用的就是MPEG-1的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)面向家庭電視質(zhì)量級的視頻、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。,26,MPEG-2,MPEG-2主要針對高清晰度電視(HDTv)的需要,傳輸速率為10 Mbps,與MPEG-1兼容,適用
20、于1.5--60 Mbps甚至更高的編碼范圍。MPEG-2有每秒30幀704×480的分辨率,是MPEG-1播放速度的四倍。它適用于高要求的廣播和娛樂應(yīng)用程序,如:DSS衛(wèi)星廣播和DvD,MPEG-2是家用視頻制式(vHS)錄像帶分辨率的兩倍。,27,MPEG-4,MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)是超低碼率運(yùn)動圖像和語言的壓縮標(biāo)準(zhǔn),用于傳輸速率低于64 Mbps的實(shí)時(shí)圖像傳輸,它不僅可覆蓋低頻帶,也向高頻帶發(fā)展。較之前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)而言,MPEG-
21、4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè)更為廣闊的平臺。它更多定義的是一種格式、一種架構(gòu),而不是具體的算法。它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來,包括壓縮本身的一些工具、算法,也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。,28,視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史,第一代產(chǎn)品(1990年之前):專用圖像處理系統(tǒng)。 八十年代中期,PC機(jī)上開始有圖像采集卡。但由于當(dāng)時(shí)主機(jī)和總線主頻低,磁盤速度、容量有限,因而限制了圖像采集卡的發(fā)展。這一時(shí)期的圖
22、像采集卡功能單一,基本上只有圖像采集和簡單的處理功能。主要用于科學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究?! ∵@一代圖像系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是一定要有一個(gè)專用的圖像顯示器與圖像卡相連,用于顯示圖像,而圖形是通過顯示卡輸出到圖形顯示器的,因此不便實(shí)現(xiàn)圖形/圖像的同屏顯示。 這一時(shí)期圖像處理硬件價(jià)格昂貴,性能又不能滿足多媒體系統(tǒng)的要求(主要是沒有 壓縮功能),因此不能為多媒體系統(tǒng)所用。,29,視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史,第二代產(chǎn)品(1991—1995年):圖形/圖像
23、顯示合一的多媒體系統(tǒng)。 在理論上,從位圖角度看,圖形與圖像是統(tǒng)一的,完全可以采用同一個(gè)顯示器;而在多媒體中包含視頻媒體也是多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初目標(biāo)。 在技術(shù)上,推動這一進(jìn)程的動力有兩個(gè):一方面由于各種增強(qiáng)型vGA顯示控制器 和顯示卡的性能提高,使得PC機(jī)有了較高顯示分辨率,可以直接處理視頻信息了;同 時(shí),顯示存儲器容量增加,價(jià)格下降,使得高分辨率圖形顯示卡迅速普及。另一方面是各種可編程的視頻控制芯片使視頻信號與圖形疊加變
24、得非常容易。這些芯片有效地解決 了多制式彩色全電視信號的數(shù)字式鎖相和解碼技術(shù),以及視頻信號與圖形信號的窗口控 制,從而使視頻信號的輸入/輸出變得簡單,設(shè)計(jì)和調(diào)試變得容易。利用這些芯片推出,30,視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史,的視頻卡,實(shí)現(xiàn)了vGA圖形與視頻信號的疊加。另外,這類卡上一般都有聲音輸入/輸出功能,沒必要再單獨(dú)配置聲卡了?! ∵@一時(shí)期是多媒體視頻硬件發(fā)展最迅速的階段,圖形與圖像疊加問題的解決使圖像 系統(tǒng)真正為多媒體系統(tǒng)所用
25、。各種采集卡、字幕疊加卡、壓縮/解壓縮卡、電影卡、電視卡層出不窮,迅速普及;各類標(biāo)準(zhǔn)如video for Windows、MPEG-1、vCD1.1和vCD2.0的出臺,使得在PC機(jī)上看影音文件甚至電影成為現(xiàn)實(shí);還有通過計(jì)算機(jī)收看電視節(jié)目的電視調(diào)諧卡(Tv Tuner)、將vGA輸出信號編碼為電視信號的Tv Coder等。,31,視頻/圖像處理硬件的發(fā)展歷史,第三代產(chǎn)品(1996年之后):多種功能集成化的多媒體系統(tǒng)。 系統(tǒng)
26、集成是現(xiàn)代技術(shù)的主要趨勢,多媒體本身就是技術(shù)集成的產(chǎn)物。近年來,多媒 體視頻硬件主要在兩個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。第一是與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合,由視頻采集卡附加網(wǎng)絡(luò) 通信卡構(gòu)成的多媒體視頻會議、S可視電話、視頻郵件、多媒體通信終端等。到本世紀(jì)末和下世紀(jì)初,基于寬帶多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的交互式電視(ITv)、點(diǎn)播電視(vOD)以及遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電子圖書館等新技術(shù)將付諸實(shí)施,通過交互電視的機(jī)頂盒(STB)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電視購物、收看vOD節(jié)目
27、等,最終走向電視、電腦與電信的三電合一的目的。第二方面是與影視制作技術(shù)結(jié)合,構(gòu)成集壓縮/解壓縮、合成輸出、特技效果為一體的影視制作非線形編輯系統(tǒng)。視頻處理硬件最終將從高檔系統(tǒng)的選件轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的組件。,32,VM700視頻分析儀,,33,技術(shù)指標(biāo)(廣播級),視頻輸出幅度(mV)p-p : 700±20 行同步幅度(mV)p-p : 300±9 色同步幅度(mV)p-p
28、: 300±9 ≤4.8MHz: ≤0.5,≥-0.5 幅頻特性(dB) 5.0 MHz: ≤0.5,≥-1.0 5.5MHz: ≤0.5,≥-4.0 K因子(%) : ≤3 亮度非線性(%)p-p : ≤5,≥-5 DG(%)p-p: ≤5 DP(o )p-p : ≤5 色亮增益不等(%) :
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