視頻與編碼標準

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,第6章 視頻與編碼標準,本章先了解電視技術的歷史與發(fā)展，列出各種彩色電視制式，簡介數(shù)字電視和高清電視的概念與現(xiàn)狀；再講解視頻信號的數(shù)字化，重點介紹視頻編碼標準,,6.1電視,,一．簡史、二．彩色電視、三．高清晰數(shù)字電視,,6.2 視頻與編碼,,一．視頻、二．視頻信號的數(shù)字化、三．視頻編碼標準概述、四．MPEG-1低分辨率數(shù)字視頻編碼、五．MPEG-2高分辨率數(shù)字視頻編碼標準、六．MPEG-4視聽對象編碼、七．MPEG-7多媒體內容描述接口、八．MPEG-21多媒體框架,,1,,,6.1電視,

2、電視(television遠視)與動畫一樣也是利用人的視覺滯留原理工作的,,早期是黑白電視無線廣播,,后來是模擬彩色電視的無線廣播、衛(wèi)星廣播和有線電視廣播,,現(xiàn)在正處于高清晰數(shù)字電視廣播的發(fā)展階段,,即：,,黑白電視TV,?,模擬彩色電視CTV(無線,?,衛(wèi)星,?,有線),?數(shù)字電視DTV?,高清晰電視HDTV,,2,,,一．簡史,1．電視技術的發(fā)展,,系統(tǒng)：黑白電視,?,彩色電視,?,數(shù)字高清晰電視,,顯示：陰極射線管CRT,?,液晶LCD/等離子PDP、背投/前投,?薄膜電視OLED、表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射顯示器SED,,存儲播放：錄像帶/機VCR,?,VCD,?,DVD,?EVD/藍光碟Blu

3、-ray Disc/HD DVD,,,3,,,2．電視技術的發(fā)展歷史,1884年德國工程師P.G. Nipkow發(fā)明螺盤旋轉掃描器，用光電池把圖像的系列光點轉變?yōu)殡娒}沖，實現(xiàn)了最原始的電視傳輸和顯示,,1897年陰極射線管(CRT = Cathode-Ray Tube)問世，后來出現(xiàn)儀器示波管,,1923年美籍俄羅斯人（美國兩院院士）V.K. Zworykin發(fā)明電視光電攝像管,,1925年美國人C.F. Jenkins和1926年英國人J.L. Baird相繼實現(xiàn)影像粗糙的機械掃描系統(tǒng),,1930年P.J.范思沃恩發(fā)明電子掃描系統(tǒng),,1930年RCA公司改進電子束顯像管,,4,,,1931年

4、V.K. Zworykin發(fā)明電視顯像管,,1937年/1939年英國/美國開始黑白電視廣播,,1940年代末美國發(fā)明共用天線電視系統(tǒng)，后來逐步發(fā)展為有線電視（電纜電視cable television）,,1949年美國無線電公司研制成功蔭罩式彩色顯像管,,1952年美國提出NTSC彩色電視制式,,1954年美國正式開始彩色電視廣播,,1958年中國開始黑白電視廣播,,1963年聯(lián)邦德國提出PAL彩色電視制式,,1964年美國無線電公司發(fā)現(xiàn)液晶光電效應，后來發(fā)展成液晶顯示器(LCD = Liquid Crystal Display),,1966年美國人D.L.比澤和H.G.斯洛托夫發(fā)明等離子顯

5、示器PDP(plasma display panel),,5,,,1966年法國提出SECAM彩色電視制式,,1970年代初中國開始彩色電視廣播，采用PAL-D制式,,1972年日本廣播協(xié)會研究所提出模擬高清晰度電視HDTV的MUSE方案,,1974年中國開始在高層建筑中安裝和使用共用天線電視系統(tǒng),,1979年柯達公司Rochester實驗室的鄧青云發(fā)明小分子 OLED(Organic Light Emitting Diode有機發(fā)光二極管/有機電激發(fā)光顯示器) 薄膜電視，1987年英國劍橋大學博士生Jeremy Burroughes證明大分子的聚合物也有場致發(fā)光效應，即聚合物OLED,,19

6、80年代中國開始在單位安裝電纜電視,,1988年漢城奧運會采用MUSE的HDTV轉播,,6,,,1991年日本正式開始MUSE的HDTV廣播,,1993年歐洲開始制定數(shù)字電視廣播DVB標準,,1994年中國國務院成立了由11個有關部委組成的數(shù)字HDTV研究開發(fā)小組,,1995年美國通過ATSC數(shù)字電視標準,,1997年中國CCTV進行HDTV廣播試驗,,1999年CCTV用HDTV實況轉播50周年國慶,,1999年開始研究，2004年9月14日日本的佳能與東芝宣布將共同生產SED (Surface-Conduction Electron-emitter Display表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射顯示器),

7、,7,,,二．彩色電視,,8,,,2．彩色電視制式,目前世界上現(xiàn)行的模擬彩色電視制式有三種：NTSC制、PAL制和SECAM制,,NTSC(National Television Systems Committee國家電視系統(tǒng)委員會)彩色電視制是1952年美國國家電視標準委員會定義的彩色電視廣播標準，稱為正交平衡調幅制，1954年開始廣播。美國、加拿大等大部分西半球國家，以及日本、韓國、菲律賓等國和中國的臺灣采用這種制式,,由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺點，因此西德于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line相位逐行交變)制彩色電視廣播標準，稱為逐行倒相正

8、交平衡調幅制，1967年開始廣播。德國、英國等一些西歐國家，以及中國、朝鮮等國家采用這種制式。,,9,,,法國1957年起制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire順序顏色傳送與存儲)彩色電視廣播標準，稱為順序傳送彩色與存儲制，1967年開始廣播。法國、蘇聯(lián)及東歐國家采用這種制式。世界上約有65個地區(qū)和國家使用這種制式,,NTSC制、PAL制和SECAM制都是與黑白電視兼容制制式，即黑白電視機能接收彩色電視廣播，顯示的是黑白圖像；而彩色電視機也能接收黑白電視廣播，顯示的也是黑白圖像,,為了既能實現(xiàn)兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統(tǒng)應滿足下列幾方

9、面的要求：,,(1) 必需采用與黑白電視相同的一些基本參數(shù)，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號、圖像載頻、伴音載頻等等,,(2) 需要將攝像機輸出的三基色信號轉換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，并將它們組合成一個彩色全電視信號進行傳送。在接收端，彩色電視機將彩色全電視信號重新轉換成三個基色信號，在顯象管上重現(xiàn)發(fā)送端的彩色圖像,,10,,,彩色電視制式,(寬:高 = 4:3、隔行掃描),,11,,,3. 電視掃描和同步,隔行掃描與逐行掃描,,掃描有隔行掃描(interlaced scanning)和逐行掃描(line by line scan),,為了防止對畫面的閃爍感，黑白

10、電視和彩色電視都采用隔行掃描,,計算機顯示器和數(shù)字電視一般都采用逐行掃描,,12,,,圖像的光柵掃描,(a) 逐行掃描,(b) 隔行掃描,,13,,,隔行與逐行掃描方式的差別,在逐行掃描中，電子束從顯示屏的左上角一行接一行地掃到右下角，在顯示屏上掃一遍就顯示一幅完整的圖像，如上圖(a)所示,,在隔行掃描中，電子束掃完第1行后回到第3行開始的位置接著掃，然后在第5、7、……，行上掃，直到最后一行。奇數(shù)行掃完后接著掃偶數(shù)行，這樣就完成了一幀(frame)的掃描，如上圖(b)所示。由此可以看到，隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：一部分是由奇數(shù)行組成，稱奇數(shù)場，另一部分是由偶數(shù)行組成，稱為偶數(shù)場，兩場合

11、起來組成一幀。因此在隔行掃描中，無論是攝像機還是顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像,,每秒鐘掃描多少行稱為行頻,f,H,；每秒鐘掃描多少場稱為場頻,f,f,；每秒掃描多少幀稱幀頻,f,F,。,f,f,和,f,F,是兩個不同的概念,,14,,,隔行掃描的行數(shù)必是奇數(shù),在隔行掃描中，掃描的行數(shù)必須是奇數(shù),,如前所述，一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數(shù)的一半，第二場掃描總行數(shù)的另一半,,隔行掃描要求第一場結束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個原因，才要求總的行數(shù)必須是奇數(shù)。,,

12、15,,,PAL制電視的掃描特性,PAL電視制的主要掃描特性是：,,(1) 625行(掃描線)/幀，25幀/秒(40 ms/幀),,(2) 寬高比(aspect ratio)：4:3,,(3) 隔行掃描，2場/幀，312.5行/場,,(4) 顏色模型：YUV,,每一場的312.5行掃描中，有25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數(shù)每場只有287.5行，因此每幀只有575行有圖像顯示,,16,,,NTSC制的掃描特性,NTSC彩色電視制的主要特性是：,,(1) 525行/幀, 30幀/秒(29.97 fps,33.37 ms/frame),,(2) 寬高比：4:3,,(3) 隔行掃描，一幀分成

13、2場(field)，262.5線/場,,(4) 顏色模型：YIQ,,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)，實際傳送圖像的行數(shù)為480行。(480*4/3 = 640，所以VGA = 640*480),,17,,,SECAM制的掃描特性,SECAM制式與PAL制類似,,其差別是SECAM中的色度信號是頻率調制(FM)，而且它的兩個色差信號：紅色差(R‘-Y’)和藍色差(B‘-Y’)信號是按行的順序傳輸?shù)?,圖像格式為4:3，625線,,50 Hz，6 MHz電視信號帶寬，總帶寬8 MHz,,18,,,彩色電視國際標準,,19,,,4．彩色電視的顏色體系,根據(jù)三

14、基色的基本原理，任何一種顏色都可以用R、G、B三個彩色分量按一定的比例混合得到，但要精確地復顯自然景物中的彩色確是相當困難的,,值得慶幸的是，科學家們對人的彩色視覺特性經過長期研究后發(fā)現(xiàn)，在重顯自然景物彩色過程中，并不一定要恢復原景物輻射的所有光波成分，而重要的是獲得與原景物相同的彩色感覺,,20,,,彩色圖像重現(xiàn)過程,下圖說明用彩色攝像機攝取景物時，如何把自然景物的彩色分解為R、G、B分量，以及如何重顯自然景物彩色的過程,,,,,21,,,彩色電視的YC,1,C,2,彩色表示法,按照色度學的基本原理，用R、G、B三基色的各種線性組合可以構造出各種不同的彩色空間來表示景物的顏色,,各種不同的彩

15、色空間在不同的應用中也許會比原始的RGB彩色空間具有更有用的特性，更有效且更經濟,,在彩色電視中，用Y、C,1,、C,2,彩色表示法分別表示亮度信號和兩個色差信號，C,1,、C,2,的含義與具體的應用有關：,,在NTSC彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示I、Q兩個色差信號；,,在PAL彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示U、V兩個色差信號；,,在SECAM彩色電視制中，C,1,、C,2,分別表示Db、Dr兩個色差信號；,,在CCIR 601數(shù)字電視標準中，C,1,、C,2,分別表示Cb、Cr兩個色差信號,,所謂色差(chromatism)是指基色信號中的三個分量信號(即R、G、B)與

16、亮度信號之差,,22,,,YC,1,C,2,彩色表示法的優(yōu)點,在彩色電視中，使用Y、C,1,、C,2,有兩個重要優(yōu)點：,,①Y和C,1,、C,2,是獨立的，因此彩色電視和黑白電視可以同時使用，Y分量可由黑白電視接收機直接使用而不需做任何進一步的處理,,②可以利用人的視覺特性來節(jié)省信號的帶寬和功率，通過選擇合適的顏色模型，可以使C,1,、C,2,的帶寬明顯低于Y的帶寬，而又不明顯影響重顯彩色圖像的觀看,,因此，為了滿足兼容性的要求和達到壓縮信號的目的，彩色電視系統(tǒng)選擇了一個亮度信號和兩個色差信號，而不直接選擇三個基色信號進行發(fā)送和接收,,23,,,三．高清晰數(shù)字電視,1．概述,最開始的電視機只有

17、9或14英寸，5、6百條掃描線就足夠了，可后來電視機越做越大：18、20、25、29、34、39英寸，甚至42、50和63英寸或更大（等離子電視和背投電視），但電視信號卻仍然只有5、6百線，讓人難以接受 (VHR/VCD：200多線、S-VHS：320線、Laser Disc：420線、DVD：576線),,高清晰度電視(HDTV = High-Definition TeleVision)是指圖像質量大于1000線（似16mm電影）、環(huán)繞立體聲、寬高比為16:9或5:3（似寬銀幕電影）的電視（普通電視的圖像質量只有5百多線、單聲道或立體聲、寬高比為4:3）,,HDTV的掃描線數(shù)是普通彩色電視的

18、2倍左右，加上寬高比增加，所以總信息量(像素數(shù))為普通彩電的5倍左右：[(16/9)或(5/3)*(2x),2,] / [(4/3)x,2,] = 16/3(≈5.33)或5,,24,,,高清晰度電視與普通彩色電視的比較,,25,,,HDTV的發(fā)展,最早的HDTV是日本研究與實現(xiàn)的，但主要為模擬系統(tǒng)。后來美國和歐洲相繼研究和制定了全數(shù)字化的HDTV方案，日本也只好隨大流而改用數(shù)字電視DTV (Digital TV),,許多國家的政府為了促進HDTV的使用，都制定了強制性的停播模擬電視的時間表，但一直遭到想保護原有投資的各大電視公司的消極抵制，進展十分緩慢,,中國為了申請2000年奧運會，也積極

19、開始HDTV的研制，后來由于申請失敗，放慢了研制的步伐。但為了2008年的北京奧運會，中國政府會再一次加大投入，加快研制和推廣步伐的,,26,,,數(shù)字電視的優(yōu)越性,DTV的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：,,1）一個PAL制式頻道可以傳輸8~10套壓縮后的標準分辨率DTV信號，頻道增加了，有條件的可開通四五百套節(jié)目，還可以加密保護,,2）圖像更清晰，音質更高，觀眾可以通過機頂盒在普通電視機上欣賞到DVD視頻效果、CD音頻效果的標準清晰度電視節(jié)目,,3）功能巨大豐富，數(shù)字電視除了提供現(xiàn)有的 電視廣播節(jié)目外，還能提供許多新業(yè)務 ，如視頻點播、上網瀏覽和其他信息服務,,27,,,2．HDTV方案,1）日本ISDB,

20、,,1972年日本廣播協(xié)會(NHK)研究所提出MUSE(Multi Sub-Nyquist Sampling Encoding多重奈奎斯特取樣編碼)的HDTV（在日本叫Hi-vision）方案，1980年代開發(fā)了全套HDTV設備，1987年試驗成功，1988年轉播漢城奧運會，1991年開始每天8小時的正式試播,,由于MUSE主要采用的是模擬方法，占用的頻帶寬，與全數(shù)字化的發(fā)展趨勢相悖，所以于1997年3月決定改為數(shù)字系統(tǒng)ISDB(Integrated-Services Digital Broadcasting集成業(yè)務數(shù)字廣播),,28,,,ISDB的主要技術特點是：,,信源碼與系統(tǒng)碼——視頻、

21、音頻及業(yè)務數(shù)據(jù)位流復用編碼，均采用MPEG-2標準,,信道編碼調制——地面?zhèn)鬏敃r，信道內碼為卷積碼、外碼為RS，采用OFDM調制,,日本政府計劃2000年試播、2003年東京開播、2006年全國開播、2010年停播模擬廣播，用十年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉換過程,,1995年NHK又著手開發(fā)2000~3000線（似35~70mm電影）的超清晰電視UDTV (Ultra Definition TV)，得到日本100多家公司的支持,,29,,,2）美國ATSC,1983年在美國成立了一個自愿研究數(shù)字電視標準的非營利國際組織——先進電視系統(tǒng)委員會(,ATSC,= Advanced Televisio

22、n Systems Committee),,1987年11月美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC = Federal Communications Commission)成立管理先進電視(ATV = Advanced Television)業(yè)務的ACATS(Advisory Committee on ATV Service先進電視業(yè)務咨詢委員會),,1988年9月共提出了24種ATV方案，ACATS從其中選出6種,,1990年5月美國GI公司發(fā)布全數(shù)字HDTV傳輸制式DigiCipher(數(shù)字密碼)，引起轟動,,30,,,1993年淘汰了兩種模擬方案EDTV和MUSE，只剩下4種全數(shù)字方案,,1993

23、年5月FCC成立了由這5個方案的提出者(GI、Zenith、AT&T、Thomson、Sarnoff)參加的HDTV大聯(lián)盟(GA = Grand Alliance),,1994年4/12月發(fā)表GA HDTV規(guī)范1.0/2.0,,1995年4月通過ATSC數(shù)字電視標準作為美國ATV廣播標準,,,美國政府計劃1997年試播（1998年11月已有23個城市正式開播）、2006年停播模擬廣播，用9年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉換過程,,31,,,ATSC的主要技術特點,為了適應消費電子、計算機和網絡的發(fā)展，GA HDTV中引入了互操作性和可擴展性，使得HDTV成為信息高速公路上的多媒體終端。其主要技術特

24、點有：,,數(shù)字圖像壓縮技術——MPEG-2的子集,,傳輸格式——與ATM兼容,,掃描格式——與計算機兼容（方形像素、逐行掃描、寬高比固定）,,傳輸調制——采用8VSB方式,,伴音——5.1環(huán)繞聲系統(tǒng)(以Dollby AC-3為備有系統(tǒng)),,32,,,3）歐洲DVB,1983年歐洲推出新的電視制式——MAC (Multiplexed Analogue Components多元模擬成分),,1986年提出HDTV的HD-MAC，并于1992年冬季奧運會上首次使用,,在美國的影響下，1993年9月歐洲制定了全數(shù)字的HDTV方案——,DVB,(Digital Video Broadcasting數(shù)字視

25、頻廣播)。它也是基于MPEG-2標準，采用Musicam環(huán)繞聲和AC-3環(huán)繞聲,,1998年10月1日英國開始DVB廣播,,33,,,4）臺灣HDTV,1997年確定HDTV方案~美國,,1999年中試播,,2001年底開播,,2006年停模擬廣播,,計劃用7年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉換過程,,34,,,5）中國HDTV,1994年中國國務院成立了由11個有關部委組成的數(shù)字HDTV研究開發(fā)小組,,1996年國家科委將HDTV列入國家重大科技產業(yè)工程項目（戰(zhàn)略研究、八五攻關、樣機研制）,,1997年7/11月CCTV-長城試驗成功/建成閉路電視系統(tǒng),,1998年9月在CCTV試播,,1999年

26、10月CCTV用HDTV實況轉播50周年國慶,,,中國計劃1998年試播、2005年1/4數(shù)字化、2015年停模擬廣播，用17年時間完成模擬到數(shù)字廣播的轉換過程,,35,,,方案與標準的研究與制定,中國的HDTV的信源編碼采用的上海交大提出的基于MPEG-2的方案（1920*1152）(5:3),,積極參加研究的單位有：HDTV總體組、CCTV、清華-賽格高技術研究中心、康佳、TCL、海信、夏華-天津大學、創(chuàng)維-華中科技大學等,,衛(wèi)星傳輸標準最先確立，隨后有線傳輸標準也確立，現(xiàn)在就剩最后一個、也是最重要的地面?zhèn)鬏敇藴蔬€未確立,,地面?zhèn)鬏敇藴尸F(xiàn)有清華大學和上海交通大學兩個方案，由于有巨大商業(yè)利益

27、，競爭異常激烈，前者勝出的可能性較大,,地面?zhèn)鬏敇藴试媱?003年底定，后又說2004年底/2005年初定，現(xiàn)在看來要拖到2006年了,,36,,,中國的數(shù)字電視技術標準及其制定單位,信道傳輸技術標準,,衛(wèi)星傳輸,,有線傳輸（浙江大學）,,地面?zhèn)鬏敚ㄇ迦A大學、上海交通大學）,,信源編碼技術標準（AVS工作組）,,數(shù)據(jù)與命令格式（系統(tǒng)）,,視頻編碼,,音頻編碼,,用戶與安全管理標準（信息產業(yè)部第三所）,,付費管理,,加密與解密,,37,,,有線電視向數(shù)字化過渡時間表,2003年6月中旬，國家廣電總局發(fā)布了《我國有線電視向數(shù)字化過渡時間表》：,,一、地域劃分,,除北京、天津、上海、重慶四個直轄

28、市外，分東部、中部、西部三個地區(qū),,東部地區(qū)包括廣東、福建、江蘇、浙江、山東。,,中部地區(qū)包括湖南、湖北、海南、四川、安徽、江西、廣西、河南、河北、山西、陜西、遼寧、吉林、黑龍江。,,西部地區(qū)包括新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內蒙古、云南、貴州,,二、時間劃分,,分2005年、2008年、2010年、2015年四個階段,,38,,,三、過渡計劃,,第一階段：到2005年，直轄市、東部地區(qū)地(市)以上城市、中部地區(qū)省會市和部分地(市)級城市、西部地區(qū)部分省會市的有線電視完成向數(shù)字化過渡,,第二階段：到2008年，東部地區(qū)縣以上城市、中部地區(qū)地(市)級城市和大部分縣級城市、西部地區(qū)部分地(市)級以

29、上城市和少數(shù)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,第三階段：到2010年，中部地區(qū)縣級城市、西部地區(qū)大部分縣以上城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,第四階段：到2015年，西部地區(qū)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡,,,上海電視臺已于2001.1.1開始試播數(shù)字高清晰度電視節(jié)目，北京電視臺于2003.9.1開始試播，深圳電視臺于2003.10.8試播高清頻道，廣州電視臺也于2003.8開始試播,,39,,,6.2 視頻與編碼,本節(jié)先給出視頻的基本概念、視頻卡與視頻處理，再介紹模擬視頻信號數(shù)字化的方法，重點介紹各種視頻編碼國際標準與應用,,一．視頻,,二．視頻信號的數(shù)字化,,三．視頻編

30、碼標準概述,,四．MPEG-1低分辨率數(shù)字視頻編碼,,五．MPEG-2高分辨率數(shù)字視頻編碼標準,,六．MPEG-4視聽對象編碼,,七．MPEG-7多媒體內容描述接口,,八．MPEG-21多媒體框架,,40,,,一．視頻,本小節(jié)先給出視頻的基本概念，然后簡單介紹視頻卡、視頻處理的最基本內容及常用的視頻文件格式,,1．概念,,2．視頻卡,,3．視頻信息處理,,4．視頻文件格式,,41,,,1．概念,視頻(video)是與電視有關的各種設備、產品和信息等，包括錄像設備和技術，錄像制品，如錄相帶、視頻光盤VCD/DVD等,,人們所收看的電視信號，實際上包括了視頻和音頻兩個部分。這里的視頻是指電視畫面的

31、圖像信息，而不包含電視中伴音,,多媒體中所說的視頻主要指組成電視畫面的系列圖像信息,,42,,,2．視頻卡,似音頻有聲卡，視頻也有視頻卡(video card)，可以進行視頻信號的采集、處理和播放，包括視頻信號的模數(shù)和數(shù)模轉換,,1）功能,,視頻卡一般有如下基本功能：,,匯集視頻源——如TV音像源、錄像機VCR、攝像機、數(shù)字攝像機DV、激光視盤機LVDP等,,硬件數(shù)字化——包括實時壓縮,,支持編輯——如修整、縮放,,播放——在顯示器上開窗或全屏（疊加）播放,,43,,,2）分類,視頻捕獲/轉換卡——模擬視頻信號,?,數(shù)字視頻信號,?,存儲在計算機中/在顯示器上播放,,視頻回放卡（解壓卡/電影卡

32、）——將存儲在計算機磁盤或光盤上的視頻信號在顯示器上播放（早期286/386PC機需要）,,電視卡——帶高頻頭，可將計算機（的顯示器）變成一臺電視機，能收看電視節(jié)目,,集成卡：,,常見——顯卡+圖形加速卡(+TV口)(包含視頻回放卡功能),,多媒體——視頻I/O+視頻采集(+視頻壓縮),,= 電視卡 + 視頻捕獲/轉換卡,,44,,,視頻卡例,ATI于2004年初推出的HDTV Wonder TV，是市場上第一個HDTV電視卡產品：,,45,,,3．視頻信息處理,視頻信息處理：采集,?,編輯,?,應用,,1）采集,,D/A (壓縮),,視頻信息——>數(shù)字視頻信號——>數(shù)據(jù)

33、存盤,,視頻捕獲卡,,2）編輯,,編輯軟件：,,Microsoft的Video for Windows（AVI播放）,,Microsoft的Windows Media服務器/編碼器（ASF生成）/Player播放器（AVI/ASF播放）,,Apple的QuikTime（MOV播放）,,Adobe的Premiere,,Asymetrix的DVP(Digital Video Producter),,46,,,3）應用,視頻播放：,,全屏實時模擬信號源播放,,全屏數(shù)字化視頻信號播放,,窗口數(shù)字化視頻信號播放,,47,,,4．視頻文件格式,常用的視頻文件格式有：,,AVI = Audio/Video

34、Interleaved音頻/視頻交錯（存儲），MS&IBM&Intel Win,,MOV = Movie電影，Apple MacOS/Win,,rm/rv = RealMedia/RealVideo實媒體/實視頻，RealNetworks Win/Unix/Linux,,ASF = Advanced Stream Format先進流格式，MS Win,,MPG = MPEG運動圖像專家組，ISO&IEC Win/MacOS/Unix/Linux,,DAT = DATA數(shù)據(jù)，VCD的視頻數(shù)據(jù)文件,,48,,,二．視頻信號的數(shù)字化,數(shù)字視頻的優(yōu)點：,,可用計算機來處理和播放視頻信號,,可直接進行隨

35、機存儲使視頻的檢索變得很方便,,復制數(shù)字視頻和在網絡上傳輸數(shù)字視頻都不會造成質量下降,,可以采用各種數(shù)字信號的數(shù)據(jù)壓縮方法進行視頻壓縮,,很容易進行非線性電視編輯,,49,,,1．數(shù)字化的方法,數(shù)字電視系統(tǒng)用彩色分量來表示圖像數(shù)據(jù)（如用YCbCr，YUV，YIQ，YDbDr或RGB彩色分量），視頻數(shù)字化指對彩色空間的每一個分量進行數(shù)字化,,視頻數(shù)字化常用的方法有兩種：,,(1) 先分離后數(shù)字化：先從復合彩色視頻中分離出彩色分量YCbCr，YUV，YIQ ，YDbDr或RGB，然后用三個A/D轉換器分別對它們數(shù)字化,,(2)先數(shù)字化再分離：首先用一個高速A/D轉換器對彩色全電視信號進行數(shù)字化，然

36、后在數(shù)字域中進行分離，以獲得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量數(shù)據(jù),,50,,,2．數(shù)字化標準,1982年CCIR (International Radio Consultative Committee國際無線電咨詢委員會)制定了彩色視頻數(shù)字化標準，稱為CCIR 601標準,,CCIR 601現(xiàn)改稱為ITU-R BT.601標準(601-5:1995.10.)，其中,,ITU=International Telecommunication Union(聯(lián)合國)國際電信聯(lián)盟,,R=Radiocommunication Sector無線電部,,BT=Broadcasting servi

37、ce (television)廣播服務(電視),,該標準規(guī)定了彩色視頻轉換成數(shù)字圖像時使用的采樣頻率，RGB和YCbCr兩個彩色空間之間的轉換關系等,,51,,,1）彩色空間之間的轉換,用8位二進制數(shù)表示BT.601的Y‘CbCr和R’G‘B’，而R‘G’B‘顏色空間使用相同數(shù)值范圍[0, 219]的分量信號,,R'G'B'和Y'CbCr兩個彩色空間之間的轉換關系用下式表示：,,Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B + 16,,Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128,,Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B

38、) + 128,,52,,,2）采樣頻率,CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的視頻采樣頻率（這個采樣頻率也用于遠程圖像通信網絡中的視頻信號采樣）,,對PAL制、SECAM制，采樣頻率,,f,s,= N(像素/行)×625(行/幀)×25(幀/秒) = 13.5 (MHz), N = 864,,對NTSC制，采樣頻率,,f,s,= N(像素/行)×525(行/幀)×29.97(幀/秒) = 13.5 (MHz), N = 858,,其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目（人為規(guī)定，湊成相等）,,53,,,3）有效顯示分辨率,對PAL制和SECAM制的亮度信號，每一條掃描行采樣8

39、64個樣本,,對NTSC制的亮度信號，每一條掃描行采樣858個樣本,,對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720 (= 864 – 144 = 858 - 138)個,,每一掃描行的采樣結構如下圖所示,,54,,,ITU-R BT.601的亮度采樣結構,,55,,,4）ITU-R BT.601標準摘要,ITU-R BT.601用于對隔行掃描視頻進行數(shù)字化，對NTSC和PAL制彩色電視的采樣頻率和有效顯示分辨率都作了規(guī)定,,ITU-R BT.601推薦使用4∶2∶2的彩色視頻采樣格式。使用這種采樣格式時，Y用13.5 MHz的采樣頻率，Cr和Cb用6.75 MHz的采樣頻率。采樣時，采樣頻率

40、信號要與場同步和行同步信號同步,,下表給出了ITU-R BT.601推薦的采樣格式、編碼參數(shù)和采樣頻率,,56,,,彩色電視數(shù)字化參數(shù)摘要,,57,,,5）CIF、QCIF和SQCIF,為了既可用625行的視頻又可用525行的視頻，CCITT規(guī)定了多種分辨率的圖像采樣格式：,,公用中分辨率格式(CIF=Common Intermediate Format),,1/4公用中分辨率格式(QCIF=Quarter-CIF),,子1/4公用中分辨率格式(SQCIF=Sub-QCIF),,具體規(guī)格如下表所示,,58,,,CIF、QCIF和SQCIF圖像格式參數(shù),,59,,,CIF格式的特性,(1) 視頻

41、的空間分辨率為家用錄像系統(tǒng)(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288,,(2) 使用非隔行掃描(non-interlaced scan),,(3) 使用NTSC幀速率，視頻的最大幀速率為30 000/1001≈29.97幅/秒,,(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288線,,(5) 對亮度和兩個色差信號(Y、Cb和Cr)分量分別進行編碼，它們的取值范圍同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16,,60,,,3．圖像子采樣概要,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

42、(subsampling),,在彩色圖像壓縮技術中，最簡便的圖像壓縮技術就是圖像子采樣了,,子采樣是利用人的視覺系統(tǒng)如下兩個特性來壓縮彩色電視信號的：,,一是人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個特性可以把圖像中表達顏色的信號去掉一些而使人不察覺,,二是人眼對圖像細節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺,,61,,,子采樣格式的種類,試驗表明，使用下面介紹的幾種子采樣格式，人的視覺系統(tǒng)對采樣前后顯示的圖像質量沒有感到有明顯差別：,,(1) 4:4:4 這種采樣格式不是子采樣格式，它是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本、

43、4個紅色差Cr樣本和4個藍色差Cb樣本，這就相當于每個像素用3個樣本表示,,(2) 4:2:2 這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本、2個紅色差Cr樣本和2個藍色差Cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示,,(3) 4:1:1 這種子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點取4個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示,,(4) 4:2:0 這種子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點上取2個亮度Y樣本、1個紅色差Cr樣本和1個藍色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示,,62,,,4種子采樣格式的彩色圖像

44、YCbCr樣本空間位置,,63,,,4:4:4子采樣格式,4:2:2子采樣格式,4:1:1子采樣格式,MPEG-1使用的4:2:0子采樣格式,MPEG-2使用的4:2:0子采樣格式,,64,,,4．視頻的數(shù)據(jù)率,按照奈奎斯特(Nyquist)采樣理論，模擬電視信號經過采樣(把連續(xù)的時空信號變成離散的時空信號)和量化(把連續(xù)的幅度變成離散的幅度信號)之后，數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)量大得驚人,,當前的存儲器和網絡都還沒有足夠的能力支持這種數(shù)據(jù)傳輸率，因此需要對數(shù)字電視信號進行壓縮,,65,,,1）ITU-R BT.601標準數(shù)據(jù)率,使用4:2:2的采樣格式，亮度信號Y的采樣頻率選擇為13.5 MHz /

45、s，而色差信號Cr和Cb的采樣頻率選擇為6.75 MHz/s，在傳輸數(shù)字電視信號通道上的數(shù)據(jù)傳輸率就達到為,270 Mb/s,，即,,亮度(Y):,,858樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈135兆比特/秒(NTSC),,864樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈135兆比特/秒(PAL),,Cr (R-Y):,,429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(NTSC),,429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(PAL),,Cb (B-Y):,,429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣

46、本≈68兆比特/秒(NTSC),,429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≈68兆比特/秒(PAL),,總計: 27兆樣本/秒×10比特/樣本 = 270兆比特/秒,,66,,,有效圖像的數(shù)據(jù)傳輸率,實際上，在熒光屏上顯示出來的有效圖像的數(shù)據(jù)傳輸率并沒有那么高,,亮度(Y):,,720×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC),,720×576×25×10≈104 Mb/s (PAL),,色差(Cr，Cb):,,2×360×480×30×10≈104 Mb/s (NTSC),,2×360×576×25×10≈104 Mb/s (PAL),,總計:　～ 207 Mb/s

47、,,如果每個樣本的采樣精度由10比特降為8比特，彩色數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就降為,166 Mb/s,,67,,,2）VCD視頻數(shù)據(jù)率的估算,使用VCD(Video-CD)來存儲數(shù)字電視，它的數(shù)據(jù)傳輸率(1.4112 Mb/s)中分配給電視信號的為1.15 Mb/s，這就意味MPEG電視編碼器的輸出數(shù)據(jù)率要達到,1.15 Mb/s,,顯而易見，如果存儲166 Mb/s的數(shù)字電視信號就需要對它進行高度壓縮，壓縮比高達166/1.15 ≈ 144:1,,MPEG-1視頻壓縮技術不能達到這樣高的壓縮比。為此首先把NTSC和PAL數(shù)字電視轉換成公用中分辨率格式CIF的數(shù)字電視，這種格式相當于VHS(V

48、ideo Home System)的質量，于是彩色數(shù)字電視的數(shù)據(jù)傳輸率就減小到,30Mb/s,：,,352×240×30×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (NTSC),,352×288×25×8×1.5 ≈ 30 Mb/s (PAL)。,,把這種彩色電視信號存儲到CD盤上所需要的壓縮比為：30/1.15 ≈,26:1,。這就是MPEG-1技術所能獲得的壓縮比,,68,,,3）DVD視頻數(shù)據(jù)率的估算,根據(jù)當前成熟的壓縮技術，視頻的數(shù)據(jù)率壓縮成平均為3.5 Mb/s ～ 4.7 Mb/s時非專家難于區(qū)分視頻在壓縮前后的之間差別,,如果使用DVD-Video存儲器來存儲數(shù)字電視，4.7 GB的單面單

49、層DVD盤要存放133分鐘的電視節(jié)目，按照數(shù)字電視信號的平均數(shù)據(jù)傳輸率為,4.1Mb/s,來計算，壓縮比要達到：166/4.10 ≈ 40:1,,如果視頻的子采樣使用4:2:0格式，每個樣本的精度為8比特，數(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就減小到,124Mb/s,，即,,720×480×30×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (NTSC),,720×576×25×8×1.5 ≈ 124 Mb/s (PAL),,使用DVD-Video來存儲數(shù)字視頻所需要的壓縮比為：124/4.1 ≈,30:1,,,69,,,5．音頻視頻交互文件格式,音頻視頻交互文件格式(The Audio/Video Interlea

50、ved File Format)（*.AVI）是Microsoft為Windows設計的多媒體文件格式RIFF(The Resource Interchange File Format,資源交換文件格式)中的一種（另一種常用的為波形音頻文件格式*.WAV）,,RIFF由文件頭、數(shù)據(jù)類型標識及若干塊(chunk)組成，塊中可含多級子塊,,70,,,AVI文件的組成結構,文件頭（“RIFF”+文件長度+“AVI ”）3*4B(12B),,格式列表塊頭（“LIST”+塊長度+“hdr1”）3*4B(12B),,主頭塊（“avih”+塊長度+MainAVIHeader結構）2*4B+56B(64B),

51、,流列表塊頭（“LIST”+塊長度+“str1”）3*4B(12B),,流頭塊（“strh”+塊長度+AVIStreamHeader結構）2*4B+56B(64B),,流格式塊（“strf”+塊長度+BITMAPINFO/WAVEFORMATEX即 PCMWAVEFORMAT結構）2*4B+48B/18B,,[流附加頭數(shù)據(jù)塊（“strd”+塊長度+壓縮驅動程序信息）2*4B+nB],,... ...（可有若干[一般為2個或1個]流列表塊）,,[垃圾塊（“JUNK”+塊長度+塊數(shù)據(jù)[用于對齊或排隊]）2*4B+nB],,數(shù)據(jù)列表塊頭（“LIST”+塊長度+“movi”）3*4B(12B),,

52、[記錄列表塊頭（“LIST”+塊長度+“rec”）3*4B(12B)],,流數(shù)據(jù)子塊（“##wb”/“##db”/“##dc”/“##pc”+塊長度+塊數(shù)據(jù)）2*4B+nB,,... ...（可有若干流數(shù)據(jù)子塊）,,[索引塊（“idx1”+塊長度+若干AVIINDEXENTRY結構）2*4B+n*16B],,71,,,其中：,,##可為00或01，分別對應第1/2個流列表塊所描述的流,,wb(wave bytes)表示波形音頻數(shù)據(jù),,db(DIB bytes)表示未壓縮視頻數(shù)據(jù),,dc(DIB compression)表示壓縮視頻數(shù)據(jù),,pc(pallette changes)表示改變調色板的

53、數(shù)據(jù),,,具體文件格式參見Word文件P26~27,,72,,,作業(yè),1．（選做）實現(xiàn)無壓縮AVI文件的解碼和播放。,,73,,,復習思考題,電視廣播經歷了那幾個發(fā)展階段？,,給出電視顯示技術的發(fā)展過程。,,世界上現(xiàn)行的模擬彩色電視制式有哪些？它們分別是什么國家在什么時候制定的？使用范圍怎樣？,,給出各種彩色電視制式的掃描參數(shù)。,,為什么模擬電視要隔行掃描？為什么它們的掃描行數(shù)必須是奇數(shù)？,,彩色電視采用的是什么顏色表示法？有什么優(yōu)點？,,給出HDTV的英文原文和中文譯文。,,74,,,HDTV與普通彩電的主要區(qū)別有哪些？(HDTV定義),,HDTV的掃描線數(shù)是普通彩色電視的多少倍？總信息量(

54、像素數(shù))又是多少倍？,,HDTV一定是數(shù)字的嗎（舉例說明之）？數(shù)字電視有哪些好處？,,給出日美歐及中國的HDTV的方案的名稱與實施轉換時間。,,現(xiàn)行的各種HDTV方案有一個什么共同點？(源編碼),,中國HDTV標準的最高圖像分辨率與寬高比是多少？現(xiàn)在還有哪個部分未標準化？,,視頻與電視有什么區(qū)別？,,視頻卡有哪些功能？如何分類？,,視頻信息處理主要包括哪些部分？,,75,,,常見的視頻文件格式有哪些？,,數(shù)字視頻有哪些優(yōu)點？,,模擬彩電的數(shù)字化標準及其代號是什么？解釋其中字母縮寫的含義。,,該標準采用的是什么顏色空間？各個分量的含義是什么？,,該標準推薦的子采樣是什么格式？MPEG-1/2的子采樣格式有什么相同和不同？,,該標準的數(shù)字化參數(shù)(有效掃描參數(shù))是多少？,,給出CIF的中英文含義與掃描參數(shù)。QCIF及SQCIF與它是什么關系？,,標準的采樣數(shù)據(jù)率是多少？有效的采樣數(shù)據(jù)率又是多少？,,76,,,MPEG-1(VCD)的掃描參數(shù)與采樣數(shù)據(jù)率是多少？數(shù)據(jù)傳輸率與壓縮比各是多少？,,MPEG-2(DVD)的掃描參數(shù)與采樣數(shù)據(jù)率是多少？數(shù)據(jù)傳輸率與壓縮比各是多少？,,給出AVI的中英文含義與用處。,,77,,,