多媒体技术06视频与编码标准1(电视与视频)

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VCRVCDDVDEVD/蓝光碟Blu-rayDisc/HDDVD2．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OLED•1980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．彩色电视广播频段的划分种类频段频率范围(Hz)波段频道频道带宽(Hz)特点MF526.5~1606.5k中波国内广播，地/天波可传百/千余公里TF2300~5060k中短波热带地区的国内广播调幅广播HF3900~26100k短波10k国际广播，电离层反射可传数千公里电视广播I(VHF)48.5~92k1~58M直线传播，电视广播调频广播II(VHF)87~180M超短波200k直线传播，调频广播III(VHF)167~223M6~12IV(UHF)470~56613~248M电视广播V(UHF)606~98825~688.68M直线传播，电视广播其中：MF=MediumFrequency中频TF=TropicFrequency热带频HF=HighFrequency高频VHF=VeryHighFrequency甚高频UHF=UltraHighFrequency超高频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SECAM(法文：SequentialColeurAvecMemoire顺序颜色传送与存储)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制，1967年开始广播。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家使用这种制式•NTSC制、PAL制和SECAM制都是与黑白电视兼容制制式，即黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像；而彩色电视机也能接收黑白电视广播，显示的也是黑白图像•为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求：–(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全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像彩色电视制式(宽:高=4:3、隔行扫描)制式制定国家制定/广播时间(有效)扫描线数/帧数(场频)使用范围NTSC美国1952/1954525(480)/30(60)美国、日本、加拿大、韩国、台湾PAL西德1962/1967西欧（法国除外）、中国、香港、朝鲜SECAM法国1957/1967625(575)/25(50)法国、俄国、东欧、中东黑白电视的国际标准（宽高比=4:3）标准系统AMB、C、G、HID、K、LE行数/帧405525625819场数/秒506050帧数/秒253025行数/秒10,12515,75015,62520,475带宽(MHz)3.04.25.05.56.010.0码率(Mb/s)4867.2808896160其中，系统A和I用于英国，M用于北美和日本，E和L用于法国，其余西欧国家用B、C、G和H，中国用D。3.电视扫描和同步隔行扫描与逐行扫描•扫描有隔行扫描(interlacedscanning)和逐行扫描(linebylinescan)•为了防止对画面的闪烁感，黑白电视和彩色电视都采用隔行扫描•计算机显示器和数字电视一般都采用逐行扫描图像的光栅扫描(a)逐行扫描(b)隔行扫描隔行与逐行扫描方式的差别•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，如上图(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，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，如上图(b)所示。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，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。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•每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fF。ff和fF是两个不同的概念隔行扫描的行数必是奇数•在隔行扫描中，扫描的行数必须是奇数•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，才要求总的行数必须是奇数。PAL制电视的扫描特性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)宽高比(aspectratio)：4:3•(3)隔行扫描，2场/帧，312.5行/场•(4)颜色模型：YUV•每一场的312.5行扫描中，有25行作场回扫，不传送图像，传送图像的行数每场只有287.5行，因此每帧只有575行有图像显示NTSC制的扫描特性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)宽高比：4:3•(3)隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场•(4)颜色模型：YIQ•在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据，实际传送图像的行数为480行。(480*4/3=640，所以VGA=640*480)SECAM制的扫描特性•SECAM制式与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’)信号是按行的顺序传输的•图像格式为4:3，625线•50Hz，6MHz电视信号带宽，总带宽8MHz彩色电视国际标准TV制式PALGIDNTSCMSECAM行/帧625525625帧/秒(场/秒)25(50)30(60)25(50)行/秒156251573415625参考白光C白D6500D6500声音载频(MHz)5.56.06.54.56.5γ2.82.22.8彩色副载频(Hz)443361835795454250000(+U)4406500(-V)彩色调制QAMQAMFM亮度带宽(MHz)5.05.54.26.0色度带宽(MHz)1.3(Ut)1.3(Vt)1.3(I)0.6(Q)1.0(Ut)1.0(Vt)4．彩色电视的颜色体系•根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混合得到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相当困难的•值得庆幸的是，科学家们对人的彩色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然景物彩色过程中，并不一定要恢复原景物辐射的所有光波成分，而重要的是获得与原景物相同的彩色感觉彩色图像重现过程•下图说明用彩色摄像机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为R、G、B分量，以及如何重显自然景物彩色的过程彩色电视的YC1C2彩色表示法•按照色度学的基本原理，用R、G、B三基色的各种线性组合可以构造出各种不同的彩色空间来表示景物的颜色•各种不同的彩色空间在不同的应用中也许会比原始的RGB彩色空间具有更有用的特性，更有效且更经济•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的含义与具体的应用有关：–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SECAM彩色电视制中，C1、C2分别表示Db、