视频基础知识

视频基础知识视频基础知识16/16视频基础知识视频基础知识多媒体的应用已经深化人们生活，视频会议已经成为工作会议,教学中重要的手段之一。高清电视,高清视讯也是现在人们茶余饭后的谈资，则什么是高清的标准？什么是高清的辨别率？计算机行业中的显示器及电视行业中的辨别率有什么区分？为什么视频会议,数字电视在图像采样上采纳子采样的方式？高清视频会议和高清电视是怎么统一起来的？本文就为你解开视频的层层面纱，深化了解视频会议的基础知识。1颜色空间1.1光和颜色可见光是波长在380nm～780nm之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由很多不同波长的光组合成的。假如光源由单波长组成，就称为单色光源。该光源具有能量，也称强度。实际中，只有极少数光源是单色的，大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。这称为光源的光谱分析。颜色是视觉系统对可见光的感知结果。探讨表明，人的视网膜有对红,绿,蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。红,绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同。自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定，以这三种颜色为基色构成一个RGB颜色空间，基色的波长分别为700nm(红色),546.1nm(绿色)和435.8nm(蓝色)。颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)，只要其中一种不是由其它两种颜色生成，可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间。

图4颜色构成原理1.2颜色的度量图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会CIE（InternationalCommissiononIllumination）对颜色的描述作了一个通用的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是迥然不同的特性。

色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区分颜色的名称或颜色的种类。色调用红,橙,黄,绿,青,蓝,靛,紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一个术语是色调(colorfulness)。

饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色调，是指颜色的纯净性，它可用来区分颜色明暗的程度。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。

明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它和人的感知有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较简单度量的物理量，称为亮度(luminance)来度量明度，亮度(luminance)即辐射的能量。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。

光亮度(lightness)是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，光亮度可用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。1.3颜色空间颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。颜色空间中的颜色通常运用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告知我们是什么颜色，其颜色要取决于我们运用的坐标。从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：

RGB型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统。例如，RGB，HSI,HSL和HSV等颜色空间。

XYZ型颜色空间/CIE颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。例如，CIE1931XYZ，L*a*b，L*u*v和LCH等颜色空间就可作为过渡性的转换空间。

YUV型颜色空间/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如，YUV，YIQ，ITU-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr等颜色空间。1.4颜色空间的转换不同颜色可以通过肯定的数学关系相互转换：

有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和R'G'B',R'G'B'和Y'CrCb，CIEXYZ和CIEL*a*b*等。

有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ和HSL，HSL和Y'CbCr等，它们之间的变换须要借助其他颜色空间进行过渡。其中，R'G'B'和Y'CbCr两个彩色空间之间的转换关系可以用下式表示：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

Cr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128

Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128图5色调空间的变换Y'CbCr中，Y表示亮度，CbCr表示色差。Y'CbCr彩色空间的特点：

亮度信号和色度信号相互独立的

可以对这些单色图分别进行编码。这就是为什么黑白电视能接收彩色电视信号的缘由。

人眼对彩色细微环节的辨别实力远比对亮度细微环节的辨别实力低可以把几个相邻像素不同的彩色值当作相同的彩色值来处理，从而削减所需的存储容量和传输量。2电视制式2.1彩色电视制式目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制,PAL制和SECAM制。这里不包括高清楚度彩色电视HDTV(High-Definitiontelevision)。1.NTSC制式NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee)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。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纳这种制式。

NTSC彩色电视制的主要特性是：

(1)525行/帧,30帧/秒(29.97fps,33.37ms/frame)；

(2)高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清楚度电视为16:9)；

(3)隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场；

(4)在每场的开始部分保留20扫描线作为限制信息，因此只有485条线的可视数据；

(5)每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒；

(6)颜色模型：YIQ。

一帧图像的总行数为525行，分两场扫描。行扫描频率为15750Hz，周期为63.5μs；场扫描频率是60Hz，周期为16.67ms；帧频是30Hz，周期33.33ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480行。2.PAL制式

由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国于1962年制定了PAL(Phase-AlternativeLine)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国,英国等一些西欧国家，以及中国,朝鲜等国家采纳这种制式。

PAL电视制的主要扫描特性是：

(1)625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40ms/帧)；

(2)长宽比(aspectratio)：4:3；

(3)隔行扫描，2场/帧，312.5行/场；

(4)颜色模型：YUV。3.SECAM制式

法国制定了SECAM(法文：SequentialColeurAvecMemoire)彩色电视广播标准，称为依次传送彩色及存储制。法国,苏联及东欧国家采纳这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。

这种制式及PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的依次传输的。图像宽高比为4:3，625线，50Hz，6MHz电视信号带宽，总带宽8MHz。

表1电视制式的比较制式名历史应用区分NTSC制(NationalTelevisionSystemsCommittee)正交平衡调幅制1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准美国,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纳这种制式525行/帧,30帧/秒;隔行扫描;颜色模型：YIQ

PAL制(Phase-AlternativeLine)逐行倒相正交平衡调幅制德国(当时的西德)于1962年制定德国,英国等一些西欧国家，以及中国,朝鲜等国家采纳这种制式625行(扫描线)/帧，25帧/秒;隔行扫描，2场/帧，;颜色模型：YUVSECAM制。(法文：SequentialColeurAvecMemoire)依次传送彩色及存储制法国制定法国,苏联及东欧国家采纳这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式625行(扫描线)/帧，25帧/秒;隔行扫描

3.2彩色电视的颜色空间在彩色电视中，用Y,C1,C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2的含义及详细的应用有关。在NTSC彩色电视制中，C1，C2分别表示I,Q两个色差信号；在PAL彩色电视制中，C1，C2分别表示U,V两个色差信号；在CCIR601数字电视标准中，C1，C2分别表示Cr，Cb两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个重量信号(即R,G,B)及亮度信号之差。(1)NTSC的YIQ颜色空间及RGB颜色空间的转换关系如下：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

I=0.74(R－Y)－0.27(B－Y)=0.60R+0.28G+0.32B

Q=0.48(R－Y)－0.27(B－Y)=0.21R+0.52G+0.31B(2)PAL的YUV颜色空间及RGB颜色空间的转换关系如下：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

U=0.493(B－Y)=－0.15R－0.29G+0.44B

Q=0.877(R－Y)=0.62R－0.52G－0.10B4视频图像采样模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采纳复合的YUV信号方式，而计算机工作在RGB空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的辨别率及显示器的辨别率也不尽相同等等。因此，模拟视频的数字化主要包括色调空间的转换,光栅扫描的转换以及辨别率的统一。模拟视频一般采纳重量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分别，得到YUV或YIQ重量，然后用三个模／数转换器对三个重量分别采样并进行数字化，最终再转换成RGB空间。对彩色电视图像进行采样时，可以采纳两种采样方法。一种是运用相同的采样频率对图像的亮度信号（Y）和色差信号（Cr，Cb）进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采纳不同的采样频率进行采样。假如对色差信号运用的采样频率比对亮度信号运用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度，这样做利用人的视觉特性来节约信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使两个色差信号所占的带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。

目前运用的子采样格式有如下几种：

(1)4:4:4这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本,4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。

(2)4:2:2这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本,2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。

(3)4:1:1这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本,1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。

(4)4:2:0这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本,1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。图6图像子采样5CIF格式为了既可用625行的电视图像又可用525行的电视图像，CCITT规定了称为公用中间辨别率格式CIF(CommonIntermediateFormat)，1/4公用中辨别率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-QuarterCommonIntermediateFormat，SQCIF)格式对电视图像进行采样。

CIF格式具有如下特性：

(1)电视图像的空间辨别率为家用录像系统(VideoHomeSystem，VHS)的辨别率，即352×288。

(2)运用非隔行扫描(non-interlacedscan)。

(3)运用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30000/1001≈29.97幅/秒。

(4)运用1/2的PAL水平辨别率，即288线。

(5)对亮度和两个色差信号(Y,Cb和Cr)重量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-RBT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。下面是目前在非高清视频会议中定义的辨别率：QCIF:

176×144CIF:

352×2884CIF:

704×5767数字电视辨别率

电视技术，经验着从黑白电视到彩色电视，再到高清电视的发展过程。我国确定从1999年10月1日起开始试播高清楚度电视(HDTV)。电视的运用范围早已超越了广播消遣界，并深深地扩展到文化教化,科研管理,工矿企业,医疗卫生,公安交通,军事宇航等各个重要部门。近十多年来，由于微电子技术,超大规模集成电路技术,数字信号处理技术,计算机技术的突飞猛进，使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。特殊是数字图像获得,数字存储,美国先进电视系统委员会（AdvancedTelevisionSystemsCommittee，简称ATSC）定义了18种数字电视采纳的画面格式，这些画面格式被分成了三种类型：SDTV（StandardDefinitionTV，480i标准清楚度电视，和现有电视系统的画面质量相当），EDTV（EnhancedDefinitionTV，480p增加清楚度电视，和DVD电影画面质量相当）以及HDTV。如今这种分级方式已经得到了业界的广泛接受。而其中的HDTV包含了两种画面辨别率，1920×1080和1280×720，当前各国各种标准的高清信号也无外乎这两种画面辨别率格式而已。表2数字电视的辨别率格式辨别率扫描线画面比例清楚度576i720×576水平576线隔行扫描4:3和PAL模拟电视清楚度相同D1(480i)720×480水平480线隔行扫描4:3和NTSC模拟电视清楚度相同D2(480P)720×480水平480线逐行扫描4:3较D1隔行扫描要清楚不少，和逐行扫描DVD规格相同D3(1080i)1920×1080水平1080线隔行扫描16:9标准数字电视显示模式D4(720p)1280×720水平720线逐行扫描16:9虽然辨别率较D3要低，但是因为逐行扫描，视觉效果更加清楚D5(1080p)1920×1080水平1080线逐行扫描16:9目前民用高清视频的最高标准

8高清楚度视频会议在高清楚度编码/解码技术产生之前，视频会议数据是依据公用交换格式(CIF)进行编码的。国际电信联盟-电信标准部门(ITU-T)制定了视频标准，称为H.261和H.263。H.261标准只定义了QCIF和CIF格式。四分之一CIF(QCIF)格式只被用于最低数据率（64千位/秒及更低）的会议，今日已经很少运用。自从H.263标准发行以来，更多运用“全辨别率”（定以为16CIF）的格式（4CIF和16CIF）被采纳。由于采纳此类标准时，计算和宽带功能有限，所以，用于全动感视频会议的公用辨别率仍旧是CIF到4CIF。下面的表格列出了用于NTSC（北美）和PAL（欧洲）视频信号的H.261和H.263标准的相应格式辨别率。以下列出的辨别率代表4:3的屏幕高度比。格式帧/秒辨别率NTSC辨别率PALQCIF30176X120176X144CIF30352X240352X2884CIF30704X480