MMT-05-数字视频技术

第5章数字视频技术本章主要内容：电视技术基础；电视图像数字化；数字电视；数字视频编码标准。什么是视频（Video）？是运动的图像；动态图像；是一组图像按时间顺序的连续展示。视频最初是在电视系统中提出的。电视技术基础电视的影响最有影响力的媒体之一特别是新闻、体育、电视剧等“谁掌握媒体就掌握了话语权。”电视技术基础电视的历史尼普柯夫圆盘——电视的始祖1883年，德国电气工程师尼普柯夫(PaulNipkow)用他发明的“尼普柯夫圆盘”使用机械扫描方法，作了首次发射图像的实验，每幅画面有24行线，且图像相当模糊。尼普柯夫圆盘原理图电视技术基础电视的历史第一台真正意义上的电视——机械电视1925年，英国发明家约翰·贝尔德(JohnBaird)在“尼普柯夫圆盘”的基础上，发明了机械扫描式电视摄像机和接收机，并首次在相距4英尺远的地方传送了一个“十”字影像，宣告了世界首台电视的诞生，贝尔德也因此被称为“电视之父”。

电视技术基础电视的历史光电摄像管电视1931年，美国科学家兹沃雷金(VladimirKosmaZworykin)制造出比较成熟的光电摄像管，可以将一个由240条扫描线组成的图像传送给4英里以外的一台电视机，再利用镜子把9英寸显像管的图像反射到电视机前，完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程。阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)也开始作为电视的核心部件一直沿用至今，使用CRT为显像部件的电视称为CRT电视。电视技术基础电视机——CRT电视原理电视技术基础电视的历史后续电视的演变电视的发展将何去何从？电视技术基础电视的原理电视画面中运动物体为何如此流畅、自然？电视画面是如何被显示出来的？……电视技术基础视觉的时间域响应特性——视觉暂留特性让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比较低，人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高，人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做临界闪烁频率，经测定为46Hz。（本课件文件夹中有Flash动画“01_电视图像闪烁频率演示.swf”）电视技术基础视觉的时间域响应特性要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画面数约为25帧左右。电影播放过程中，每秒投射24幅画面，每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次，这样就得到了48Hz的闪烁频率。那电视呢？也用挡光阀吗？【老电影机】电视技术基础电视扫描分类非隔行扫描（逐行扫描）(progressivescanning)计算机显示器隔行扫描(interlacedscanning)电视电视技术基础逐行扫描电子束从显示屏的左上角一行接一行的扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像（一帧）。（本课件文件夹中有Flash动画“02_逐行扫描演示.swf”）电视技术基础隔行扫描在隔行扫描中，电子束扫完第1行后回到第3行开始的位置接着扫，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。

电视技术基础隔行扫描隔行扫描的一帧图像由两部分组成：奇数场（奇数行组成）+偶数场（偶数行组成）（本课件文件夹中有Flash动画“03_隔行扫描演示.swf”）电视技术基础隔行扫描的行数隔行扫描中，扫描的行数必须是奇数一帧画面分两场，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，才要求总的行数必须是奇数。电视技术基础隔行扫描的行数隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。例如刷新频率为30帧/秒，如采用逐行扫描显示，可注意到图形在闪烁，但采用隔行扫描，扫描一帧的时间只用了原来一半，也就是说刷新频率接近60帧/秒，这时图形显示质量提高，不再闪烁。电视技术基础隔行扫描和逐行扫描的比较电视技术基础扫描的几个参数行频每秒钟扫描多少行；场频每秒钟扫描多少场；帧频每秒扫描多少帧。电视技术基础彩色电视制式NTSC美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾；PAL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。由于使用的一些参数细节不同，因此PAL制有PAL-G，PAL-I和PAL-D等制式。其中，PAL-D是我国大陆采用的制式。SECAM法国、俄罗斯、东欧和中东等约有60多个地区和国家使用。电视技术基础NTSC彩色电视制20世纪50年代初美国国家电视系统委员会(NationalTelevisionSystemsCommittee，NTSC)制定的彩色电视广播标准正交幅度调制(quadratureamplitudemodulation,QAM)主要特性包括图像的宽高比为4:3，525条扫描线，隔行扫描，30帧每秒，视像带宽为4.2MHz，使用YIQ信号，色度信号用正交幅度调制(QAM)，声音用调频制(FM)，总的电视通道带宽为6MHz电视技术基础PAL彩色电视制德国(当时的西德)于1963年披露并于1967年开播的彩色电视广播标准逐行倒相(Phase-AlternativeLine，PAL)彩色电视制由于它也采用正交幅度调制，因此也称逐行倒相正交平衡调幅制，是为克服NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点而开发的。其中，“逐行倒相”的意思是颜色分量V的相位每隔一行反相一次。主要特性包括图像的宽高比为4:3，625条扫描线，隔行扫描，25帧图像每秒，视像带宽至少为4MHz，使用YUV颜色模型，色度信号用正交幅度调制，声音用调频制(FM)，总的电视通道带宽为8MHz电视技术基础SECAM制法文SequentialColeurAvecMemoire的缩写，称为“顺序传送彩色与存储”彩色电视制1956年开始开发于1967年开播的法国彩色电视广播标准SECAM与PAL制SECAM制的色度信号使用频率调制(FM)，PAL制用的是正交幅度调制SECAM制与PAL制具有相同的扫描线数(625线每帧)、帧频(25帧每秒，50场每秒)和图像宽高比(4:3)，视像带宽最高为6MHz，总带宽为8MHz。电视技术基础彩色电视制式NTSC，PAL，SECAM都是兼容制式黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像；彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像（逆兼容）电视技术基础彩色电视制式的技术指标TV制式NTSCPALSECAM帧频/Hz302525行/帧525625625亮度带宽/MHz4.26.06.0彩色幅载波/MHz3.584.434.25色度带宽/MHz1.3(I)，0.6(Q)1.3(U)，1.3(V)>1.0(U)，>1.0(V)声音载波/MHz4.56.56.5电视技术基础想一想为何三种电视的帧频>24帧/秒？为何电视有闪烁现象？电视技术基础颜色空间YUVYIQ人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到YUV或者YIQ颜色空间。彩色电视信号中采用YIQ或者YUV空间一是为了兼容黑白电视，二是为了实现压缩。电视技术基础彩色电视信号类型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；复合电视信号是把亮度信号和色差信号复合在一起。复合视频端子，也称为A/V端子电视技术基础彩色电视信号类型分量电视信号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R，G和B表示，也可以用亮度-色差表示，如Y、I和Q，Y、U和V。使用分量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。电视技术基础彩色电视信号类型S-Video信号亮度和色差分离的一种电视信号，使用单独的两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。不需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。电视技术基础数字电视(Digitaltelevision/DigitalTV，DTV)在50年代开发电视技术时，用任何一种数字技术来传输和再现真实世界的图像和声音都是极其困难的，因此电视技术一直沿着模拟信号处理技术的方向发展，直到70年代才开始开发数字电视。由于数字技术具有许多优越性，而且数字技术发展到足以使模拟电视向数字电视过渡的水平，电视和计算机才开始融合在一起。电视技术基础数字电视（DTV）的定义是指从电视节目采集、录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视技术。它可以划分为3大部分：信源部分（发送端）、信道部分（传输/存储过程）和信宿部分（接收端）。电视技术基础数字电视（DTV）的标准数字电视也有三种主要标准美国的ATSCDTV(ATSC数字电视)标准欧洲的DVB(数字电视广播)标准日本的ISDB(综合业务数字广播)标准中国标准我国有识之士(北京大学高文教授领衔)认识到要有我们国家自己的数字电视标准，并要力争成为国际标准，于2002年6月批准成立了“数字音视频编解码技术标准工作组”，简称“AVS(AudioVideoStandard)工作组”，其任务是制定与其他国际标准(如MPEG-4/H.264AVC)类似的AVS标准

电视技术基础数字电视的优点数字电视比原来的模拟电视，有以下优点:高清晰度的电视画面：可以可与DVD相媲美（最低：1280×720，最高：1920×1080）。优质的音响效果：伴音可以达到CD质量。丰富的节目内容，有线网的带宽利用率更高。抗干扰功能力强，画面更稳定。扩展功能多机顶盒除了一些基本功能外，还有许多扩展功能如上网、点播、股票查询、在线交易、远程教育等。电视技术基础数字电视的分类数字电视系统业务可以按照其活动的图像比特率的大小，粗略划分为：标准清晰度数字电视（SDTV）SDTV（500-600线）即标准清晰度电视，主要是对应现有电视的分辨率量级高清晰度数字电视（HDTV）1000线以上16：9电视技术基础数字电视的分类电视技术基础HDTVHDTV的视频信号采用MPEG2进行压缩，音频信号则采用AC3压缩。根据场扫描方式的不同，目前HDTV可分为三种模式，分别是：720p（1280×720，“p”代表逐行扫描）1080i（1920×1080，“i”隔行扫描）1080p（1920×1080，“p”代表逐行扫描）其中720P和1080i格式的HDTV在网络上最为常见。电视技术基础HDTV的视频截图（注意：在此课件目录下有此截图，可独立查看）1080i视频截图电视技术基础中国数字电视进度表2000年和2001年是我国数字电视广播试验年，在北京、上海、深圳三个城市进行数字广播试验；

2002年，具有独立知识产权的中国数字电视系统标准将获最终确定；

2003年将在全国更大范围内进行数字电视商业广播试验；

2005年全国四分之一的电视台将发射和传输数字电视信号；

2010年我国计划全面实现数字广播电视；

2015年停止模拟广播电视的播出，数字电视基本上成为我国电视播放主力。

电视技术基础电视信号数字化电视图像数字化常用的方法有两种：先分离彩色分量，再数字化先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量，然后数字化。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，通常的做法是首先把模拟的全彩色电视信号分离成YCbCr，YUV，YIQ或RGB彩色空间中的分量信号，然后用三个A/D转换器分别对它们数字化。先数字化，再分离彩色分量首先用一个高速A/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，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量数据。电视技术基础电视信号数字化标准ITU-RBT.601（1980s），该标准规定：彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率；RGB和YCbCr（或者写成YCBCR）两个彩色空间之间的转换关系等；有效显示分辨率。电视技术基础电视信号数字化标准ITU-RBT.601（1980s）数字化指标采样格式信号形式采样频率/MHz样本数/扫描行数字信号取值范围（A/D）NTSCPAL4:2:2Y13.5858(720)864(720)220级（16～235）Cr6.75429(360)432(360)225级（16～240）Cb6.75429(360)432(360)（128±112）4:4:4Y13.5858(720)864(720)220级（16～235）Cr13.5858(720)864(720)225级（16～240）Cb13.5858(720)864(720)（128±112）数字视频视频数字化数字视频数字视频采样对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种方法：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；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。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度使用的采样频率低，这种采样频率称为图像子采样（Subsampling）。数字视频图像子采样（Subsampling）4:4:4对每个采样点，Y,Cb和Cr各取一个样本。4:2:2在水平扫描方向上，每2个Y样本有1个Cb样本和一个Cr样本。4:1:1在水平扫描方向上，每4个Y样本各有1个Cb样本和一个Cr样本，每个分量的每个样本精度为8比特。数字视频图像子采样（Subsampling）4:2:0在水平方向的2个Y样本和垂直方向上的2个Y样本共4个样本有1个Cb样本和一个Cr样本。这是H.261,H.263和MPEG-1使用的子采样格式。数字视频图像子采样（Subsampling）数字视频图像子采样（Subsampling）4:4:4YCbCr格式4:2:2YCbCr格式4:1:1YCbCr格式4:2:0YCbCr格式想一想AHDTVhas1920x1080resolution；24-bitspixel；30progressiveframespersecond。Bandwidth？1920x1080x24x30=1.4929Gbps请点此查看答案数字视频数字视频文件格式AVI（AudioVideoInterleaved）微软公司开发的一种符合RIFF文件规范的数字音频与视频文件格式。AVI格式允许视频和音频交错在一起同步播放，支持256色和RLE压缩。但AVI文件并未限定压缩标准，因此，AVI文件格式只是作为控制界面上的标准，不具有兼容性，用不同压缩算法生成的AVI文件，必须使用相应的解压缩算法才能播放。数字视频数字视频文件格式MOV/QT，即QuickTime音频、视频文件格式。是Apple公司开发的一种音频、视频文件格式，用于保存音频和视频信息。QuickTime文件格式支持25位彩色，支持RLE、JPEG等领先的集成压缩技术，提供150多种视频效果，并配有提供了200多种MIDI兼容音响和设备的声音装置。数字视频数字视频文件格式MPEG/MPG/DATMPEG文件格式是运动图像压缩算法的国际标准，它采用有损压缩方法减少运动图像中的冗余信息，同时保证每秒30帧的图像动态刷新率。MPEG标准包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统(视频、音频同步)三个部分，前文介绍的MP3音频文件就是MPEG音频的一个典型应用，而VideoCD(VCD)、SuperVCD(SVCD)、DVD则是全面采用MPEG技术所产生出来的新型消费类电子产品。数字视频数字视频文件格式RMRealNetworks公司开发的一种新型流式视频文件格式。主要用来在低速率的广域网上实时传输活动视频影像，可以根据网络数据传输速率的不同而采用不同的压缩比率，从而实现影像数据的实时传送和实时播放。ASFASF是微软为了和现在的Realplayer竞争而发展出来的一种可以直接在网上观看视频节目的文件压缩格式。由于它使用了MPEG4的压缩算法，所以压缩率和图像的质量都很不错。数字视频WhatisDigitalVideo?（注意：鼠标点击画面开始播放动画）数字视频标准视频压缩编码的标准ITU-T标准用于ISDN视频会议的H.261（Px64）标准；用于PSTN可视电话的H.263标准；用于ATM/B-ISDN视频会议的H.262标准。ISO/IEC国际标准用于VCD的ISO11172（MPEG-1video）标准用于数字电视和DVD的ISO/IEC13818（MPEG-2video）标准用于交互式多媒体应用的视听编码标准MPEG-4企业（公司）标准AVI，QuickTime，RealVideo数字视频标准视频压缩编码的标准ITU-TJointITU-T/MPEGMPEGH.261H.263H.263+H.263++H.262/MPEG-2H.26LMPEG-1MPEG-4

8486889092949698000204数字视频标准MPEGMovingPictureExpertsGroup（运动图像专家小组）。由ISO/IEC制定,包括MPEG1,MPEG2,MPEG4，MPEG7，MPEG21；非常有效的帧内和帧间压缩编码技术和一些优化方法。数字视频标准MPEG-1标准号ISO/IEC111721992年发布，用于1.5Mbps数据传输率的运动图像及其伴音的编码。主要应用于VCD，MP3音乐等。MPEG-1促进了大规模集成电路专用芯片的发展,为多媒体技术和产品的繁荣立下了功劳。数字视频标准MPEG-1标准它由五部分组成MPEG-1系统（MPEG-1Systems）：规定视频数据、声音数据及其他相关数据的同步合成技术MPEG-1视频编码标准（MPEG-1Video）MPEG-1音频编码标准（MPEG-1Audio）MPEG-1一致性测试：详细说明如何测试比特数据流和解码器是否满足MPEG-1前3个部分（Part1，2和3）中所规定的要求。MPEG-1软件模拟：一个技术报告，给出了软件执行MPEG1前3个部分的运行结果。数字视频标准MPEG-1压缩标准输入、输出指标：MPEG视频编码器352×288×25×8×1.5352×240×30×8×1.530Mb/s1.15Mb/s26:1数字视频标准MPEG-1的应用评价VideoCD（severaltensmillionplayerssoldinPRofChina）“The”formatofaudioandvideoforPCWindows98/XP/2003containanMPEG-1softwaredecoderMPEG-1Audio（recently,layer3）iswidelyusedforWebmusicDigitalAudioBroadcasting（DAB）utilisesMPEG-1Audio（adoptedinEuropeandCanada）数字视频标准MPEG-2标准号ISO/IEC138181994年发布，主要针对数字电视特别是高清晰度电视（HDTV）的视频及伴音信号，典型传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps～60Mbps甚至更高速率的编码范围。数字视频标准MPEG-2以MPEG-2作为视音频压缩标准的数字卫星电视已在欧美形成了很大市场；美国高级电视联盟（ATVGrandAlliance）和欧洲数字视频广播计划（DigitalVideoBroadcastProject）先后决定将MPEG-2用于高清晰度电视（HDTV）广播中;新一代的数字视盘DVD采用MPEG-2作为其视音频压缩标准（注:欧、美、日在视频方面采用MPEG-2标准，而在音频方面则采用AC-3标准）。数字视频标准MPEG-4标准号ISO/IECl4496，“Codingofaudio-visualobjects”1999年5月形成国际标准（版本1）,2001-2002形成