第08章_数字视频基础.pdf

第八章 数字视频基础 本章开始讨论视频技术。视频被认为是互联网时代最具影响力的媒体形式，无论是数字 电影与电视，还是网络与移动视频，所有这些应用的核心都是视频技术。从数据形态来看， 视频就是图像序列，视频技术的基础当然就是图像处理技术。但是由于视频表现为序列化的 数据流，这使得视频的数据量急剧增长，同时，时序关系也变得重要起来。本章首先介绍模 拟视频的基本概念，因为数字视频是从模拟视频转换而来的，对模拟视频的了解会有助于全 面把握数字视频技术。其次介绍模拟视频的数字化，主要是采样格式问题。第三部分对数字 视频数据的形态进行分析，这是本章的重点，也体现了本教程的一贯风格。 8.1 模拟视频 模拟视频的典型代表就是模拟电视。模拟电视是一个复杂的系统，涉及信号采集与处理、 网络传输、接收和呈现等等。与其他信息技术类似，数据或信号处于核心地位。因此，本节 以电视信号为线索，介绍模拟电视系统的几个关键概念。 8.1.1 扫描 扫描是通过信号去控制显示屏以得到电视图像的过程。从形成图像的方式看，扫描分为 隔行扫描 （interlaced scanning ）和逐行扫描 （progressive scanning ）两种。图8-1 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 图8-1 图像的光栅扫描 在逐行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍 就显示一幅完整的图像，如图8-1(a)所示。 在隔行扫描中，电子束扫完第1 行后回到第3 行开始的位置接着扫，如图8-1(b)所示， 然后在第 5、7、……行上扫，直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行，这样就完成了 一帧 （frame ）的扫描。由此可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇 数行组成，称奇数场 （field ），另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一 帧图像。因此在隔行扫描中，无论是摄像机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍 才能得到一幅完整的图像。 在隔行扫描中，扫描的行数一定是奇数。如前所述，一帧画面分两场，第一场扫描总行 数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管 电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌 在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，隔行扫描的总行数是奇数。 每秒钟扫描多少行称为行频；每秒钟扫描多少场称为场频；每秒扫描多少帧称帧频。 8.1.2 电视制式 全球有三种主要的模拟彩色电视制式：NTSC 制式、PAL 制式和SECAM 制式。 NTSC （National Television Systems Committee ）彩色电视制是1952 年美国国家电视标 准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制式。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 制式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(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制 式。德国和英国等一些西欧国家，以及中国大陆、香港等国家和地区采用这种制式。 法国制定了SECAM （法文：Sequential Coleur Avec Memoire ）彩色电视广播标准，称 为顺序传送彩色与存储制式。法国、俄罗斯、东欧等国家和地区采用这种制式。 NTSC 、PAL 和SECAM 制式都是兼容制式。这里说的“兼容”有两层意思，一是指黑白 电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像，另一层意思是彩色电视机能接收黑白电视 广播，显示的是黑白图像，这叫向后兼容 （或逆兼容）。为了既能实现兼容性而又要有彩色 特性，彩色电视系统应满足下列要求： (1) 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、图像载频、伴音载频等等。 (2) 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，并将它们组合成一个彩色