多媒体技术视频与编码标准

第6章视频与编码标准本章先了解电视技术的历史与发展，列出各种彩色电视制式，简介数字电视和高清电视的概念与现状；再讲解视频信号的数字化，重点介绍视频编码标准6.1电视一．简史、二．彩色电视、三．高清晰数字电视6.2视频与编码一．视频、二．视频信号的数字化、三．视频编码标准概述、四．MPEG-1低分辨率数字视频编码、五．MPEG-2高分辨率数字视频编码标准、六．MPEG-4视听对象编码、七．MPEG-7多媒体内容描述接口、八．MPEG-21多媒体框架6.1电视电视(television远视)与动画一样也是利用人的视觉滞留原理工作的早期是黑白电视无线广播后来是模拟彩色电视的无线广播、卫星广播和有线电视广播现在正处于高清晰数字电视广播的发展阶段即：黑白电视TV模拟彩色电视CTV(无线卫星有线)数字电视DTV高清晰电视HDTV一．简史1．电视技术的发展系统：黑白电视彩色电视数字高清晰电视显示：阴极射线管CRT液晶LCD/等离子PDP、背投/前投薄膜电视OLED、表面传导电子发射显示器SED存储播放：录像带/机VCRVCDDVDEVD/蓝光碟Blu-rayDisc/HDDVD

2．电视技术的发展历史1884年德国工程师P.G.Nipkow发明螺盘旋转扫描器，用光电池把图像的系列光点转变为电脉冲，实现了最原始的电视传输和显示1897年阴极射线管(CRT=Cathode-RayTube)问世，后来出现仪器示波管1923年美籍俄罗斯人（美国两院院士）V.K.Zworykin发明电视光电摄像管1925年美国人C.F.Jenkins和1926年英国人J.L.Baird相继实现影像粗糙的机械扫描系统1930年P.J.范思沃恩发明电子扫描系统1930年RCA公司改进电子束显像管1931年V.K.Zworykin发明电视显像管1937年/1939年英国/美国开始黑白电视广播1940年代末美国发明共用天线电视系统，后来逐步发展为有线电视（电缆电视cabletelevision）1949年美国无线电公司研制成功荫罩式彩色显像管1952年美国提出NTSC彩色电视制式1954年美国正式开始彩色电视广播1958年中国开始黑白电视广播1963年联邦德国提出PAL彩色电视制式1964年美国无线电公司发现液晶光电效应，后来发展成液晶显示器(LCD=LiquidCrystalDisplay)1966年美国人D.L.比泽和H.G.斯洛托夫发明等离子显示器PDP(plasmadisplaypanel)1966年法国提出SECAM彩色电视制式1970年代初中国开始彩色电视广播，采用PAL-D制式1972年日本广播协会研究所提出模拟高清晰度电视HDTV的MUSE方案1974年中国开始在高层建筑中安装和使用共用天线电视系统1979年柯达公司Rochester实验室的邓青云发明小分子OLED(OrganicLightEmittingDiode有机发光二极管/有机电激发光显示器)薄膜电视，1987年英国剑桥大学博士生JeremyBurroughes证明大分子的聚合物也有场致发光效应，即聚合物OLED1980年代中国开始在单位安装电缆电视1988年汉城奥运会采用MUSE的HDTV转播1991年日本正式开始MUSE的HDTV广播1993年欧洲开始制定数字电视广播DVB标准1994年中国国务院成立了由11个有关部委组成的数字HDTV研究开发小组1995年美国通过ATSC数字电视标准1997年中国CCTV进行HDTV广播试验1999年CCTV用HDTV实况转播50周年国庆1999年开始研究，2004年9月14日日本的佳能与东芝宣布将共同生产SED(Surface-ConductionElectron-emitterDisplay表面传导电子发射显示器)二．彩色电视2．彩色电视制式目前世界上现行的模拟彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee国家电视系统委员会)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，1954年开始广播。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，因此西德于1962年制定了PAL(Phase-AlternativeLine相位逐行交变)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制，1967年开始广播。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1957年起制定了了SECAM(法文：：SequentialColeurAvecMemoire顺序颜色传传送与存储)彩色电视广广播标准，称称为顺序传送送彩色与存储储制，1967年开始广广播。法国、、苏联及东欧欧国家采用这这种制式。世世界上约有65个地区和和国家使用这这种制式NTSC制、、PAL制和和SECAM制都是与黑黑白电视兼容容制制式，即即黑白电视机机能接收彩色色电视广播，，显示的是黑黑白图像；而而彩色电视机机也能接收黑黑白电视广播播，显示的也也是黑白图像像为了既能实现现兼容性而又又要有彩色特特性，因此彩彩色电视系统统应满足下列列几方面的要要求：(1)必需需采用与黑白白电视相同的的一些基本参参数，如扫描描方式、扫描描行频、场频频、帧频、同同步信号、图图像载频、伴伴音载频等等等(2)需要要将摄像机输输出的三基色色信号转换成成一个亮度信信号，以及代代表色度的两两个色差信号号，并将它们们组合成一个个彩色全电视视信号进行传传送。在接收收端，彩色电电视机将彩色色全电视信号号重新转换成成三个基色信信号，在显象象管上重现发发送端的彩色色图像彩色电视制式式(宽:高=4:3、、隔行扫描)3.电视扫扫描和同步隔行扫描与逐逐行扫描扫描有隔行扫扫描(interlacedscanning)和逐行行扫描(linebylinescan)为了防止对画画面的闪烁感感，黑白电视视和彩色电视视都采用隔行行扫描计算机显示器器和数字电视视一般都采用用逐行扫描图像的光栅扫扫描(a)逐行行扫描(b)隔行行扫描隔行与逐行扫扫描方式的差差别在逐行扫描中中，电子束从从显示屏的左左上角一行接接一行地扫到到右下角，在在显示屏上扫扫一遍就显示示一幅完整的的图像，如上上图(a)所所示在隔行扫描中中，电子束扫扫完第1行后后回到第3行行开始的位置置接着扫，然然后在第5、、7、……，，行上扫，直直到最后一行行。奇数行扫扫完后接着扫扫偶数行，这这样就完成了了一帧(frame)的的扫描，如上上图(b)所所示。由此可可以看到，隔隔行扫描的一一帧图像由两两部分组成：：一部分是由由奇数行组成成，称奇数场场，另一部分分是由偶数行行组成，称为为偶数场，两两场合起来组组成一帧。因因此在隔行扫扫描中，无论论是摄像机还还是显示器，，获取或显示示一幅图像都都要扫描两遍遍才能得到一一幅完整的图图像每秒钟扫描多多少行称为行行频fH；每秒钟扫描描多少场称为为场频ff；每秒扫描多多少帧称帧频频fF。ff和fF是两个不同的的概念隔行扫描的行行数必是奇数数在隔行扫描中中，扫描的行行数必须是奇奇数如前前所所述述，，一一帧帧画画面面分分两两场场，，第第一一场场扫扫描描总总行行数数的的一一半半，，第第二二场场扫扫描描总总行行数数的的另另一一半半隔行行扫扫描描要要求求第第一一场场结结束束于于最最后后一一行行的的一一半半，，不不管管电电子子束束如如何何折折回回，，它它必必须须回回到到显显示示屏屏顶顶部部的的中中央央，，这这样样就就可可以以保保证证相相邻邻的的第第二二场场扫扫描描恰恰好好嵌嵌在在第第一一场场各各扫扫描描线线的的中中间间。。正正是是这这个个原原因因，，才才要要求求总总的的行行数数必必须须是是奇奇数数。。PAL制制电视的的扫描特特性PAL电电视制的的主要扫扫描特性性是：(1)625行(扫扫描线)/帧，，25帧帧/秒(40ms/帧)(2)宽宽高比比(aspectratio)：：4:3(3)隔隔行扫扫描，2场/帧帧，312.5行/场场(4)颜颜色模模型：YUV每一场的的312.5行行扫描中中，有25行作作场回扫扫，不传传送图像像，传送送图像的的行数每每场只有有287.5行行，因此此每帧只只有575行有有图像显显示NTSC制的扫扫描特性性NTSC彩色电电视制的的主要特特性是：：(1)525行/帧帧,30帧/秒(29.97fps,33.37ms/frame)(2)宽宽高比比：4:3(3)隔隔行扫扫描，，一帧帧分成成2场场(field)，，262.5线线/场场(4)颜颜色模模型：：YIQ在每场场的开开始部部分保保留20扫扫描线线作为为控制制信息息，因因此只只有485条线线的可可视数数据，，实际际传送送图像像的行行数为为480行行。(480*4/3=640，，所以以VGA=640*480)SECAM制的的扫描描特性性SECAM制式式与PAL制类类似其差别别是SECAM中的的色度度信号号是频频率调调制(FM)，，而且且它的的两个个色差差信号号：红红色差差(R‘-Y’’)和和蓝色色差(B‘‘-Y’)信号号是按按行的的顺序序传输输的图像格格式为为4:3，，625线线50Hz，6MHz电视视信号号带宽宽，总总带宽宽8MHz彩色电电视国国际标标准4．彩彩色电电视的的颜色色体系系根据三基色色的基本原原理，任何何一种颜色色都可以用用R、G、、B三个彩彩色分量按按一定的比比例混合得得到，但要要精确地复复显自然景景物中的彩彩色确是相相当困难的的值得庆幸的的是，科学学家们对人人的彩色视视觉特性经经过长期研研究后发现现，在重显显自然景物物彩色过程程中，并不不一定要恢恢复原景物物辐射的所所有光波成成分，而重重要的是获获得与原景景物相同的的彩色感觉觉彩色色图图像像重重现现过过程程下图图说说明明用用彩彩色色摄摄像像机机摄摄取取景景物物时时，，如如何何把把自自然然景景物物的的彩彩色色分分解解为为R、、G、、B分分量量，，以以及及如如何何重重显显自自然然景景物物彩彩色色的的过过程程彩色电视的YC1C2彩色表示法按照色度学的的基本原理，，用R、G、、B三基色的的各种线性组组合可以构造造出各种不同同的彩色空间间来表示景物物的颜色各种不同的彩彩色空间在不不同的应用中中也许会比原原始的RGB彩色空间具具有更有用的的特性，更有有效且更经济济在彩色电视中中，用Y、C1、C2彩色表示法分分别表示亮度度信号和两个个色差信号，，C1、C2的含义与具体体的应用有关关：在NTSC彩彩色电视制中中，C1、C2分别表示I、、Q两个色差差信号；在PAL彩色色电视制中，，C1、C2分别表示U、、V两个色差差信号；在SECAM彩色电视制制中，C1、C2分别表示Db、Dr两个个色差信号；；在CCIR601数字字电视标准中中，C1、C2分别表示Cb、Cr两个个色差信号所谓色差(chromatism)是指基色信信号中的三个个分量信号(即R、G、、B)与亮度度信号之差YC1C2彩色表示法的的优点在彩色电视中中，使用Y、、C1、C2有两个重要优优点：①Y和C1、C2是独立的，因因此彩色电视视和黑白电视视可以同时使使用，Y分量量可由黑白电电视接收机直直接使用而不不需做任何进进一步的处理理②可以利用人人的视觉特性性来节省信号号的带宽和功功率，通过选选择合适的颜颜色模型，可可以使C1、C2的带宽明显低低于Y的带宽宽，而又不明明显影响重显显彩色图像的的观看因此，为了满满足兼容性的的要求和达到到压缩信号的的目的，彩色色电视系统选选择了一个亮亮度信号和两两个色差信号号，而不直接接选择三个基基色信号进行行发送和接收收三．高清晰数数字电视1．概述最开始的电视视机只有9或或14英寸，，5、6百条条扫描线就足足够了，可后后来电视机越越做越大：18、20、、25、29、34、39英寸，甚甚至42、50和63英英寸或更大（（等离子电视视和背投电视视），但电视视信号却仍然然只有5、6百线，让人人难以接受(VHR/VCD：200多线、、S-VHS：320线线、LaserDisc：420线、DVD：576线线)高清晰度电视视(HDTV=High-DefinitionTeleVision)是指图像质质量大于1000线（似似16mm电电影）、环绕绕立体声、宽宽高比为16:9或5:3（似宽银银幕电影）的的电视（普通通电视的图像像质量只有5百多线、单单声道或立体体声、宽高比比为4:3））HDTV的扫扫描线数是普普通彩色电视视的2倍左右右，加上宽高高比增加，所所以总信息量量(像素数)为普通彩电电的5倍左右右：[(16/9)或(5/3)*(2x)2]/[(4/3)x2]=16/3(≈≈5.33)或或5高清清晰晰度度电电视视与与普普通通彩彩色色电电视视的的比比较较HDTV的的发发展展最早早的的HDTV是是日日本本研研究究与与实实现现的的，，但但主主要要为为模模拟拟系系统统。。后后来来美美国国和和欧欧洲洲相相继继研研究究和和制制定定了了全全数数字字化化的的HDTV方方案案，，日日本本也也只只好好随随大大流流而而改改用用数数字字电电视视DTV(DigitalTV)许多多国国家家的的政政府府为为了了促促进进HDTV的的使使用用，，都都制制定定了了强强制制性性的的停停播播模模拟拟电电视视的的时时间间表表，，但但一一直直遭遭到到想想保保护护原原有有投投资资的的各各大大电电视视公公司司的的消消极极抵抵制制，，进进展展十十分分缓缓慢慢中国国为为了了申申请请2000年年奥奥运运会会，，也也积积极极开开始始HDTV的的研研制制，，后后来来由由于于申申请请失失败败，，放放慢慢了了研研制制的的步步伐伐。。但但为为了了2008年年的的北北京京奥奥运运会会，，中中国国政政府府会会再再一一次次加加大大投投入入，，加加快快研研制制和和推推广广步步伐伐的的数字字电电视视的的优优越越性性DTV的的优优点点主主要要体体现现在在：：1））一一个个PAL制制式式频频道道可可以以传传输输8~10套套压压缩缩后后的的标标准准分分辨辨率率DTV信信号号，，频频道道增增加加了了，，有有条条件件的的可可开开通通四四五五百百套套节节目目，，还还可可以以加加密密保保护护2））图图像像更更清清晰晰，，音音质质更更高高，，观观众众可可以以通通过过机机顶顶盒盒在在普普通通电电视视机机上上欣欣赏赏到到DVD视视频频效效果果、、CD音音频频效效果果的的标标准准清清晰晰度度电电视视节节目目3）功能能巨大丰丰富，数数字电视视除了提提供现有有的电电视广播播节目外外，还能能提供许许多新业业务，，如视频频点播、、上网浏浏览和其其他信息息服务2．HDTV方方案1）日本本ISDB1972年日本本广播协协会(NHK)研究所所提出MUSE(MultiSub-NyquistSamplingEncoding多重奈奈奎斯特特取样编编码)的的HDTV（在在日本叫叫Hi-vision）方案案，1980年年代开发发了全套套HDTV设备备，1987年年试验成成功，1988年转播播汉城奥奥运会，，1991年开开始每天天8小时时的正式式试播由于MUSE主主要采用用的是模模拟方法法，占用用的频带带宽，与与全数字字化的发发展趋势势相悖，，所以于于1997年3月决定定改为数数字系统统ISDB(Integrated-ServicesDigitalBroadcasting集成业业务数字字广播)ISDB的主要要技术特特点是：：信源码与与系统码码——视视频、音音频及业业务数据据位流复复用编码码，均采采用MPEG-2标准准信道编码调制制——地面传传输时，信道道内码为卷积积码、外码为为RS，采用用OFDM调调制日本政府计划划2000年年试播、2003年东京京开播、2006年全国国开播、2010年停播播模拟广播，，用十年时间间完成模拟到到数字广播的的转换过程1995年NHK又着手手开发2000~3000线（似35~70mm电影）的的超清晰电视视UDTV(UltraDefinitionTV)，得到日日本100多多家公司的支支持2）美国ATSC1983年在在美国成立了了一个自愿研研究数字电视视标准的非营营利国际组织织——先进电电视系统委员员会(ATSC=AdvancedTelevisionSystemsCommittee)1987年11月美国的的联邦通信委委员会(FCC=FederalCommunicationsCommission)成立立管理先进电电视(ATV=AdvancedTelevision)业务务的ACATS(AdvisoryCommitteeonATVService先进电视业业务咨询委员员会)1988年9月共提出了了24种ATV方案，ACATS从从其中选出6种1990年5月美国GI公司发布全全数字HDTV传输制式式DigiCipher(数字密码码)，引起轰轰动1993年淘淘汰了两种模模拟方案EDTV和MUSE，只剩剩下4种全数数字方案1993年5月FCC成成立了由这5个方案的提提出者(GI、Zenith、AT&T、Thomson、Sarnoff)参参加的HDTV大联盟(GA=GrandAlliance)1994年4/12月发发表GAHDTV规范范1.0/2.01995年4月通过ATSC数字电电视标准作为为美国ATV广播标准美国政府计划划1997年年试播（1998年11月已有23个城市正式式开播）、2006年停停播模拟广播播，用9年时时间完成模拟拟到数字广播播的转换过程程ATSC的主主要技术特点点为了适应消费费电子、计算算机和网络的的发展，GAHDTV中引入了互互操作性和可可扩展性，使使得HDTV成为信息高高速公路上的的多媒体终端端。其主要技技术特点有：：数字图像压缩缩技术——MPEG-2的子集传输格式———与ATM兼兼容扫描格式———与计算机兼兼容（方形像像素、逐行扫扫描、宽高比比固定）传输输调调制制————采采用用8VSB方方式式伴音音————5.1环环绕绕声声系系统统(以以DollbyAC-3为为备备有有系系统统)3））欧欧洲洲DVB1983年年欧欧洲洲推推出出新新的的电电视视制制式式————MAC(MultiplexedAnalogueComponents多多元元模模拟拟成成分分)1986年年提出出HDTV的HD-MAC，，并于于1992年冬冬季奥奥运会会上首首次使使用在美国国的影影响下下，1993年年9月月欧洲洲制定定了全全数字字的HDTV方方案———DVB(DigitalVideoBroadcasting数字字视频频广播播)。。它也也是基基于MPEG-2标标准，，采用用Musicam环环绕声声和AC-3环环绕声声1998年年10月1日英英国开开始DVB广播播4）台台湾HDTV1997年年确定定HDTV方案案~美美国1999年年中试试播2001年年底开开播2006年年停模模拟广广播计划用用7年年时间间完成成模拟拟到数数字广广播的的转换换过程程5）中中国HDTV1994年年中国国国务务院成成立了了由11个个有关关部委委组成成的数数字HDTV研研究开开发小小组1996年年国家家科委委将HDTV列列入国国家重重大科科技产产业工工程项项目（（战略略研究究、八八五攻攻关、、样机机研制制）1997年年7/11月CCTV-长城城试验验成功功/建建成闭闭路电电视系系统1998年年9月月在CCTV试试播1999年年10月CCTV用用HDTV实况况转播播50周年年国庆庆中国计计划1998年年试播播、2005年年1/4数数字化化、2015年年停模模拟广广播，，用17年年时间间完成成模拟拟到数数字广广播的的转换换过程程方案与与标准准的研研究与与制定定中国的的HDTV的信信源编编码采采用的的上海海交大大提出出的基基于MPEG-2的的方案案（1920*1152）(5:3)积极参参加研研究的的单位位有：：HDTV总体体组、、CCTV、清清华-赛格格高技技术研研究中中心、、康佳佳、TCL、海海信、、夏华华-天天津大大学、、创维维-华华中科科技大大学等等卫星传传输标标准最最先确确立，，随后后有线线传输输标准准也确确立，，现在在就剩剩最后后一个个、也也是最最重要要的地地面传传输标标准还还未确确立地面传传输标标准现现有清清华大大学和和上海海交通通大学学两个个方案案，由由于有有巨大大商业业利益益，竞竞争异异常激激烈，，前者者胜出出的可可能性性较大大地面传传输标标准原原计划划2003年底底定，，后又又说2004年年底/2005年初初定，，现在在看来来要拖拖到2006年年了中国的的数字字电视视技术术标准准及及其制制定单单位信道传传输技技术标标准卫星传传输有线传传输（（浙江江大学学）地面传传输（（清华华大学学、上上海交交通大大学））信源编编码技技术标标准（（AVS工工作组组）数据与命命令格式式（系统统）视频编码码音频编码码用户与安安全管理理标准（（信息产产业部第第三所））付费管理加密与解密密有线电视向向数字化过过渡时间表表2003年年6月中旬旬，国家广广电总局发发布了《我我国有线电电视向数字字化过渡时时间表》：：一、地域划划分除北京、天天津、上海海、重庆四四个直辖市市外，分东东部、中部部、西部三三个地区东部地区包包括广东、、福建、江江苏、浙江江、山东。。中部地区包包括湖南、、湖北、海海南、四川川、安徽、、江西、广广西、河南南、河北、、山西、陕陕西、辽宁宁、吉林、、黑龙江。。西部地区包包括新疆、、西藏、青青海、宁夏夏、甘肃、、内蒙古、、云南、贵贵州二、时间划划分分2005年、2008年、、2010年、2015年四四个阶段三、过渡计计划第一阶段：：到2005年，直直辖市、东东部地区地地(市)以以上城市、、中部地区区省会市和和部分地(市)级城城市、西部部地区部分分省会市的的有线电视视完成向数数字化过渡渡第二阶段：：到2008年，东东部地区县县以上城市市、中部地地区地(市市)级城市市和大部分分县级城市市、西部地地区部分地地(市)级级以上城市市和少数县县级城市的的有线电视视基本完成成向数字化化过渡第三阶段：：到2010年，中中部地区县县级城市、、西部地区区大部分县县以上城市市的有线电电视基本完完成向数字字化过渡第四阶段：：到2015年，西西部地区县县级城市的的有线电视视基本完成成向数字化化过渡上海电视台台已于2001.1.1开始始试播数字字高清晰度度电视节目目，北京电电视台于2003.9.1开开始试播，，深圳电视视台于2003.10.8试试播高清频频道，广州州电视台也也于2003.8开开始试播6.2视视频与编码码本节先给出出视频的基基本概念、、视频卡与与视频处理理，再介绍绍模拟视频频信号数字字化的方法法，重点介介绍各种视视频编码国国际标准与与应用一．视频二．视频信信号的数字字化三．视频编编码标准概概述四．MPEG-1低低分辨率数数字视频编编码五．MPEG-2高高分辨率数数字视频编编码标准六．MPEG-4视视听对象编编码七．MPEG-7多多媒体内容容描述接口口八．MPEG-21多媒体框框架一．视频本小节先给给出视频的的基本概念念，然后简简单介绍视视频卡、视视频处理的的最基本内内容及常用用的视频文文件格式1．概念2．视频卡卡3．视频信信息处理4．视频文文件格式1．概念视频(video)是与电视视有关的各各种设备、、产品和信信息等，包包括录像设设备和技术术，录像制制品，如录录相带、视视频光盘VCD/DVD等人们所收看看的电视信信号，实际际上包括了了视频和音音频两个部部分。这里里的视频是是指电视画画面的图像像信息，而而不包含电电视中伴音音多媒体中所所说的视频频主要指组组成电视画画面的系列列图像信息息2．视频卡卡似音频有声声卡，视频频也有视频频卡(videocard)，可以以进行视频频信号的采采集、处理理和播放，，包括视频频信号的模模数和数模模转换1）功能视频卡一般般有如下基基本功能：：汇集视频源源——如TV音像源源、录像机机VCR、、摄像机、、数字摄像像机DV、、激光视盘盘机LVDP等硬件数字化化——包括括实时压缩缩支持编辑———如修整整、缩放播放——在在显示器上上开窗或全全屏（叠加加）播放2）分类视频捕获/转换卡———模拟视视频信号数字视频信信号存储在计算算机中/在在显示器上上播放视频回放卡卡（解压卡卡/电影卡卡）——将将存储在计计算机磁盘盘或光盘上上的视频信信号在显示示器上播放放（早期286/386PC机需要））电视卡———带高频头头，可将计计算机（的的显示器））变成一台台电视机，，能收看电电视节目集成卡：常见——显显卡+图形形加速卡(+TV口口)(包含含视频回放放卡功能)多媒体———视频I/O+视频频采集(+视频压缩缩)=电视卡卡+视视频捕获/转换卡视频卡例ATI于2004年年初推出的的HDTVWonderTV，是是市场上第第一个HDTV电视视卡产品：：3．视频信信息处理视频信息处处理：采集集编辑应用1）采集D/A(压压缩)视频信息———>数字字视频信号号——>数数据存盘视频捕获卡卡2）编辑编辑软件：：Microsoft的VideoforWindows（AVI播放放）Microsoft的WindowsMedia服务务器/编码码器（ASF生成））/Player播播放器（AVI/ASF播放放）Apple的QuikTime（MOV播放））Adobe的的PremiereAsymetrix的的DVP(DigitalVideoProducter)3））应应用用视频频播播放放：：全屏屏实实时时模模拟拟信信号号源源播播放放全屏屏数数字字化化视视频频信信号号播播放放窗口口数数字字化化视视频频信信号号播播放放4．．视视频频文文件件格格式式常用用的的视视频频文文件件格格式式有有：：AVI=Audio/VideoInterleaved音音频频/视视频频交交错错（（存存储储）），，MS&IBM&IntelWinMOV=Movie电电影影，，AppleMacOS/Winrm/rv=RealMedia/RealVideo实实媒媒体体/实实视视频频，，RealNetworksWin/Unix/LinuxASF=AdvancedStreamFormat先先进流流格式式，MSWinMPG=MPEG运运动图图像专专家组组，ISO&IECWin/MacOS/Unix/LinuxDAT=DATA数数据，，VCD的的视频频数据据文件件二．视视频信信号的的数字字化数字视视频的的优点点：可用计计算机机来处处理和和播放放视频频信号号可直接接进行行随机机存储储使视视频的的检索索变得得很方方便复制数数字视视频和和在网网络上上传输输数字字视频频都不不会造造成质质量下下降可以采采用各各种数数字信信号的的数据据压缩缩方法法进行行视频频压缩缩很容易进行行非线性电电视编辑1．数字化化的方法数字电视系系统用彩色色分量来表表示图像数数据（如用用YCbCr，YUV，YIQ，YDbDr或或RGB彩彩色分量）），视频数数字化指对对彩色空间间的每一个个分量进行行数字化视频数字化化常用的方方法有两种种：(1)先先分离后数数字化：先先从复合彩彩色视频中中分离出彩彩色分量YCbCr，YUV，YIQ，YDbDr或或RGB，，然后用三三个A/D转换器分分别对它们们数字化(2)先数数字化再分分离：首先先用一个高高速A/D转换器对对彩色全电电视信号进进行数字化化，然后在在数字域中中进行分离离，以获得得所希望的的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量数数据2．数字化化标准1982年年CCIR(InternationalRadioConsultativeCommittee国际无线线电咨询委委员会)制制定了彩色色视频数字字化标准，，称为CCIR601标准准CCIR601现现改称为ITU-RBT.601标标准(601-5:1995.10.)，其中中ITU=InternationalTelecommunicationUnion(联合国国)国际电电信联盟R=RadiocommunicationSector无线线电部BT=Broadcastingservice(television)广广播服务(电视)该标准规定定了彩色视视频转换成成数字图像像时使用的的采样频率率，RGB和YCbCr两个个彩色空间间之间的转转换关系等等1）彩色空空间之间的的转换用8位二进进制数表示示BT.601的Y‘CbCr和R’’G‘B’’，而R‘‘G’B‘‘颜色空间间使用相同同数值范围围[0,219]的分量信信号R'G'B'和Y'CbCr两个彩色色空间之间间的转换关关系用下式式表示：Y=0.299R+0.587G+0.114B+16Cr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+1282）采样频频率CCIR为为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了了共同的视视频采样频频率（这个个采样频率率也用于远远程图像通通信网络中中的视频信信号采样））对PAL制制、SECAM制，，采样频率率fs=N(像像素/行)×625(行/帧帧)×25(帧/秒秒)=13.5(MHz),N=864对NTSC制，采样样频率fs=N(像像素/行)×525(行/帧帧)×29.97(帧/秒)=13.5(MHz),N=858其中，N为为每一扫描描行上的采采样数目（（人为规定定，凑成相相等）3）有效显显示分辨率率对PAL制制和SECAM制的的亮度信号号，每一条条扫描行采采样864个样本对NTSC制的亮度度信号，每每一条扫描描行采样858个样样本对所有的制制式，每一一扫描行的的有效样本本数均为720(=864–144=858-138)个每一扫描行行的采样结结构如下图图所示ITU-RBT.601的的亮度采样样结构4）ITU-RBT.601标准摘摘要ITU-RBT.601用用于对隔行行扫描视频频进行数字字化，对NTSC和和PAL制制彩色电视视的采样频频率和有效效显示分辨辨率都作了了规定ITU-RBT.601推推荐使用4∶2∶2的彩色视视频采样格格式。使用用这种采样样格式时，，Y用13.5MHz的采采样频率，，Cr和Cb用6.75MHz的采采样频率。。采样时，，采样频率率信号要与与场同步和和行同步信信号同步下表给出了了ITU-RBT.601推荐的采采样格式、、编码参数数和采样频频率彩色电视数数字化参数数摘要5）CIF、QCIF和SQCIF为了既可用用625行行的视频又又可用525行的视视频，CCITT规规定了多种种分辨率的的图像采样样格式：公用中分辨辨率格式(CIF=CommonIntermediateFormat)1/4公用用中分辨率率格式(QCIF=Quarter-CIF)子1/4公用中中分辨率率格式(SQCIF=Sub-QCIF)具体规格格如下表表所示CIF、、QCIF和SQCIF图像像格式参参数CIF格格式的特特性(1)视视频的的空间分分辨率为为家用录录像系统统(VideoHomeSystem，VHS)的的分辨率率，即352××288(2)使使用非非隔行扫扫描(non-interlacedscan)(3)使使用NTSC帧速率率，视频频的最大大帧速率率为30000/1001≈29.97幅/秒秒(4)使使用1/2的的PAL水平分分辨率，，即288线(5)对对亮度度和两个个色差信信号(Y、Cb和Cr)分量量分别进进行编码码，它们们的取值值范围同同ITU-RBT.601。即黑黑色=16，白白色=235，，色差的的最大值值等于240，，最小值值等于163．图像像子采样样概要如果对色色差信号号使用的的采样频频率比对对亮度信信号使用用的采样样频率低低，这种种采样就就称为图图像子采采样(subsampling)在彩色图图像压缩缩技术中中，最简简便的图图像压缩缩技术就就是图像像子采样样了子采样是利用用人的视觉系系统如下两个个特性来压缩缩彩色电视信信号的：一是人眼对色色度信号的敏敏感程度比对对亮度信号的的敏感程度低低，利用这个个特性可以把把图像中表达达颜色的信号号去掉一些而而使人不察觉觉二是人眼对图图像细节的分分辨能力有一一定的限度，，利用这个特特性可以把图图像中的高频频信号去掉而而使人不易察察觉子采样格格式的种种类试验表明明，使用用下面介介绍的几几种子采采样格式式，人的的视觉系系统对采采样前后后显示的的图像质质量没有有感到有有明显差差别：(1)4:4:4这这种采采样格式式不是子子采样格格式，它它是指在在每条扫扫描线上上每4个个连续的的采样点点取4个个亮度Y样本、、4个红红色差Cr样本本和4个个蓝色差差Cb样样本，这这就相当当于每个个像素用用3个样样本表示示(2)4:2:2这这种子子采样格格式是指指在每条条扫描线线上每4个连续续的采样样点取4个亮度度Y样本本、2个个红色差差Cr样样本和2个蓝色色差Cb样本，，平均每每个像素素用2个个样本表表示(3)4:1:1这这种子子采样格格式是指指在每条条扫描线线上每4个连续续的采样样点取4个亮度度Y样本本、1个个红色差差Cr样样本和1个蓝色色差Cb样本，，平均每每个像素素用1.5个样样本表示示(4)4:2:0这这种子子采样格格式是指指在水平平和垂直直方向上上每2个个连续的的采样点点上取2个亮度度Y样本本、1个个红色差差Cr样样本和1个蓝色色差Cb样本，，平均每每个像素素用1.5个样样本表示示4种子采采样格式式的彩彩色图像像YCbCr样样本空间间位置4:4:4子采采样格式式4:2:2子采采样格式式4:1:1子采采样格式式MPEG-1使使用的4:2:0子采采样格式式MPEG-2使使用的4:2:0子采采样格式式4．视频频的数据据率按照奈奎奎斯特(Nyquist)采采样理论论，模拟拟电视信信号经过过采样(把连续续的时空空信号变变成离散散的时空空信号)和量化化(把连连续的幅幅度变成成离散的的幅度信信号)之之后，数数字电视视信号的的数据量量大得惊惊人当前的存存储器和和网络都都还没有有足够的的能力支支持这种种数据传传输率，，因此需需要对数数字电视视信号进进行压缩缩1）ITU-RBT.601标准准数据率率使用4:2:2的采样样格式，，亮度信信号Y的的采样频频率选择择为13.5MHz/s，而色色差信号号Cr和和Cb的的采样频频率选择择为6.75MHz/s，，在传输输数字电电视信号号通道上上的数据据传输率率就达到到为270Mb/s，即亮度(Y):858样样本/行行×525行/帧×30帧/秒×10比特特/样本本≈135兆比比特/秒秒(NTSC)864样本本/行行×625行/帧××25帧/秒××10比特特/样样本≈≈135兆兆比特特/秒秒(PAL)Cr(R-Y):429样本本/行行×525行/帧××30帧/秒××10比特特/样样本≈≈68兆比比特/秒(NTSC)429样本本/行行×625行/帧××25帧/秒××10比特特/样样本≈≈68兆比比特/秒(PAL)Cb(B-Y):429样本本/行行×525行/帧××30帧/秒××10比特特/样样本≈≈68兆比比特/秒(NTSC)429样本本/行行×625行/帧××25帧/秒××10比特特/样样本≈≈68兆比比特/秒(PAL)总计:27兆兆样本本/秒秒×10比比特/样本本=270兆比比特/秒有效图图像的的数据据传输输率实际上上，在在荧光光屏上上显示示出来来的有有效图图像的的数据据传输输率并并没有有那么么高亮度(Y):720×480×30××10≈104Mb/s(NTSC)720×576×25××10≈104Mb/s(PAL)色差(Cr，Cb):2×360×480×30××10≈104Mb/s(NTSC)2×360×576×25××10≈104Mb/s(PAL)总计:～～207Mb/s如果每每个样样本的的采样样精度度由10比比特降降为8比特特，彩彩色数数字电电视信信号的的数据据传输输率就就降为为166Mb/s2）VCD视频频数据据率的的估算算使用VCD(Video-CD)来存存储数数字电电视，，它的的数据据传输输率(1.4112Mb/s)中分分配给给电视视信号号的为为1.15Mb/s，，这就就意味味MPEG电视视编码码器的的输出出数据据率要要达到到1.15Mb/s显而易见，，如果存储储166Mb/s的数字电电视信号就就需要对它它进行高度度压缩，压压缩比高达达166/1.15≈144:1MPEG-1视频压压缩技术不不能达到这这样高的压压缩比。为为此首先把把NTSC和PAL数字电视视转换成公公用中分辨辨率格式CIF的数数字电视，，这种格式式相当于VHS(VideoHomeSystem)的质量量，于是彩彩色数字电电视的数据据传输率就就减小到30Mb/s：352×240×30×8××1.5≈≈30Mb/s(NTSC)352×288×25×8××1.5≈≈30Mb/s(PAL)。。把这种彩色色电视信号号存储到CD盘上所所需要的压压缩比为：：30/1.15≈≈26:1。这就是MPEG-1技术所所能获得的的压缩比3）DVD视频数据据率的估算算根据当前成成熟的压缩缩技术，视视频的数据据率压缩成成平均为3.5Mb/s～～4.7Mb/s时非非专家难于于区分视频频在压缩前前后的之间间差别如果使用DVD-Video存储器来来存储数字字电视，4.7GB的单面面单层DVD盘要存存放133分钟的电电视节目，，按照数字字电视信号号的平均数数据传输率率为4.1Mb/s来计算，压缩缩比要达到：：166/4.10≈≈40:1如果视频的子子采样使用4:2:0格格式，每个样样本的精度为为8比特，数数字电视信号号的数据传输输率就减小到到124Mb/s，即720×480×30××8×1.5≈124Mb/s(NTSC)720×576×25××8×1.5≈124Mb/s(PAL)使用DVD-Video来存储数字字视频所需要要的压缩比为为：124/4.1≈≈30:15．音频视频频交互文件格格式音频视频交互互文件格式(TheAudio/VideoInterleavedFileFormat)（*.AVI）是Microsoft为Windows设计的多媒媒体文件格式式RIFF(TheResourceInterchangeFileFormat,资源交交换文件格式式)中的一种种（另一种常常用的为波形形音频文件格格式*.WAV）RIFF由文文件头、数据据类型标识及及若干块(chunk)组成，块中中可含多级子子块AVI文件的的组成结构文件头（“RIFF”+文件长度+“AVI””）3*4B(12B)格式列表块头头（“LIST”+块长长度+“hdr1”）3*4B(12B)主头块（“avih”+块长度+MainAVIHeader结构））2*4B+56B(64B)流列表块头（（“LIST”+块长度度+“str1”）3*4B(12B)流头块（“strh”+块长度+AVIStreamHeader结结构）2*4B+56B(64B)流格式块（““strf””+块长度+BITMAPINFO/WAVEFORMATEX即PCMWAVEFORMAT结构）2*4B+48B/18B[流附加头数数据块（“strd”+块长度+压压缩驱动程序序信息）2*4B+nB]......（可有若若干[一般为为2个或1个个]流列表块块）[垃圾块（““JUNK””+块长度+块数据[用用于对齐或排排队]）2*4B+nB]数据列表块头头（“LIST”+块长长度+“movi”）3*4B(12B)[记录列表块块头（“LIST”+块块长度+“rec”）3*4B(12B)]流数据子块（（“##wb”/“##db”/““##dc””/“##pc”+块长长度+块数据据）2*4B+nB......（可有若若干流数据子子块）[索引块（““idx1””+块长度+若干AVIINDEXENTRY结构）2*4B+n*16B]其中：##可为00或01，分分别对应第1/2个流列列表块所描述述的流wb(wavebytes)表示示波形音频数数据db(DIBbytes)表示未未压缩视频数数据dc(DIBcompression)表示示压缩视频数数据pc(pallettechanges)表表示改变调色色板的数据具体文件格式式参见Word文件P26~27作业1．（选做））实现无压缩缩AVI文件件的解码和播播放。复习思考题电视广播经历历了那几个发发展阶段？给出出电电视视显显示示技技术术的的发发展展过过程程。。世界界上上现现行行的的模模拟拟彩彩色色电电视视制制式式有有哪哪些些？？它它们们分分别别是是什什么么国国家家在在什什么么时时候候制制定定的的？？使使用用范范围围怎怎样样？？给出出各各种种彩彩色色电电视视制制式式的的扫扫描描参参数数。。为什什么么模模拟拟电电视视要要隔隔行行扫扫描描？？为为什什么么它它们们的的扫扫描描行行数数必必须须是是奇奇数数？？彩色电视采采用的是什什么颜色表表示法？有有什么优点点？给出HDTV的英文文原文和中中文译文。。HDTV与与普通彩电电的主要区区别有哪些些？(HDTV定义义)HDTV的的扫描线数数是普通彩彩色电视的的多少倍？？总信息量量(像素数数)又是多多少倍？HDTV一一定是数字字的吗（举举例说明之之）？数字字电视有哪哪些好处？？给出日美欧欧及中国的的HDTV的方案的的名称与实实施转换时时间。现行的各种种HDTV方案有一一个什么共共同点？(源编码)中国HDTV标准的的最高图像像分辨率与与宽高比是是多少？现现在还有哪哪个部分未未标准化？？视频与电视视有什么区区别？视频卡有哪哪些功能？？如何分类类？视频信息处处理主要包包括哪些部部分？常见的视频频文件格式式有哪些？？数字视频有有哪些优点点？模拟彩电的的数字化标标准及其代代号是什么么？解释其其中字母缩缩写的含义义。该标准采用用的是什么么颜色空间间？各个分分量的含义义是什么？？该标准推荐荐的子采样样是什么格格式？MPEG-1/2的子子采样格式式有什么相相同和不同同？该标准的数数字化参数数(有效扫扫描参数)是多少？？给出CIF的中英文文含义与扫扫描参数。。QCIF及SQCIF与它它是什么关关系？标准的采样样数据率是是多少？有有效的采样样数据率又又是多少？？MPEG-1(VCD)的扫扫描参数与与采样数据据率是多少少？数据传传输率与压压缩比各是是多少？MPEG-2(DVD)的扫扫描参数与与采样数据据率是多少少？数据传传输率与压压缩比各是是多少？给出AVI的中英文文含义与用用处。谢谢12月-2212:15:1412:1512:1512月-