第1章--数字视频技术概论

数字视频技术戴辉卢益民主编第一章数字视频技术概论1.1视频技术1.1.1什么是视频一、什么是视频：视频人眼视觉器官所感知（重现）自然景物（物体）的信息。常以图像形式来表示。视频一词译自英文Video,我们看到的电影和电视都属于视频范畴二、分类1、按亮度等级分类①二值图像（只有黑白两种亮度）②灰度图像2、按色调分①黑白图像②彩色图像3、按内容变化性质①静止图像②活动图像视频为活动图像。又称序列图像，由一幅幅静止图像组成，每幅图像称为一帧。帧是构成视频信息的最小和最基本单元。根据视觉惰性，每秒钟24帧连续静止图像形成活动视频感觉。4、按占空间维数（1）平面图像（二维图像）（2）立体图像（三维图像）（3）多维图像1.1.2为什么需要视频信息一、视频信息特点1、为人类接受的主要信息。人类接受信息约有70%来自视觉。2、视频信息具有一系列的优点：确切、直观、具体生动、真实和效率高、应用广等。3、视频信息信息量大。通过视觉获得的视频信息往往比听觉所获得的音频信息具有更大的信息量。二、数字视频的优点具有数字技术的一切优点•1、多次中继不引起噪声积累。•2、可采用纠错编码，提高抗干扰能力。•3、易于实现保密通信。•4、易于计算机技术相结合（处理、网络、交互）•5、可采用超大规模电路（VLSL）实现各种处理。•6、有利于压缩编码。•7、扩大应用范围。三、应用范围广•1、视频技术在广播电视中的应用•数字视频地面广播；•数字视频卫星广播；•数字视频有线电视；•交互式电视；•常规电视和高清晰度电视•2、视频技术在通信领域中的应用•电视电话•会议电视•多媒体通信•视频点播•交互式电视3、视频技术在娱乐领域中的应用电视机及其相关产品长久不衰的原因在于它是大众娱乐消费产品，电视是目前人类最重要的信息传播媒体，它对人类生活的影响之大，简直难以用语言表达，它已成为人们生活的重要组成部分。视频技术赖以生存和迅速发展的基础在于娱乐领域，其主要应用包括：•常规电视和高清晰度电视；•记录、存储和显示设备，例如摄象机、录像机、光盘和大屏幕显示器等；•VCD和DVD；•交互式电视；•视频点播；•视频游戏。4、视频技术在计算机领域中的应用•多媒体计算机；•CD-ROM和VCD；•视频数据库；•多媒体通信；•交互式电视；•三维图形图像；•动画设计与制作；•视频制作；•虚拟现实（VR）5、视频技术在其他领域中的应用：•监视控制；•天气预报；•卫星遥感；•军事；•电子图书馆；•电子新闻。1.2视频相关技术一、视频信号的获取与显示解决如何从光图像获得视频电信号以及视频信号的显示问题。二、视频信号数字化为用数字处理、存储、传输视频信息，首先要解决的问题是将模拟视频信号数字化，这包括以下几个方面的内容：（一）、空间位置离散化——抽样•视频信号的扫描和抽样。•扫描：垂直方向离散化，抽样水平方向离散化。•抽样过程中会产生下述失真和噪声。1、混叠噪声如果抽样频率，fs小于二倍最大信号频率fM时，即fs2fM，则会产生混叠现象，从而对视频信号本身产生干扰。通常在抽样前，对视频信号进行低通滤波。2、孔径效应实际抽样脉冲并非理想冲激函数，而是具有一定宽度，从而会产生孔径效应，使信号中的高频成分明显衰落。3、插入噪声因恢复图像信号时，无法实现理想滤波器，因此会产生噪声，这种噪声称为插入噪声。4、抖动噪声由于时钟在发端和收端间存在相位抖动，所以在恢复视频信号时会产生噪声，这种噪声称为抖动噪声。（二）、（抽样电平）度值离散化——量化•用有限个离散值代替连续值。（三）、数字化——量化值的数字编码•使用二进制数对量化值进行编码。三、视频信号的处理•根据人的某种要求对视频图像信号进行处理，主要包括1、消除失真和干扰，使视频信号尽可能逼真地重现景物。→图像恢复、滤波。2、根据某些准则，突出视频图像中某些信息。增强、直方图技术。3、特征提取，以使对其进行描述、分类、识别等。4、视频压缩，在保证图像一定质量要求的前提下尽可能减少图像的数据量。四、视频信号压缩•为实现数字视频信号的有效传输、存储，解决数字视频数据量大的问题，必须对数字视频信号进行压缩，是目前IT业的热门话题，已发展成为一种技术学科。•1、图像压缩编码理论，方法研究。•2、图像视频信号和人类视觉特性研究。•3、视频压缩编码标准。•4、视频压缩专用芯片的开发五、视频信号的传输•为了有效而高质量的传输视频信号，需要解决以下几个问题：1、消除信息干扰，提高传输可靠性。•1）采用纠错编码•2）自适应均衡和自适应滤波2、提高传输效率•使用先进的数字调制技术，例如残留边带调制（VSB）、正交幅度调制（QAM）和格状编码调制（TCM）等3、适应不同的传输方式•视频信号除可通过广播（卫星广播、地面广播）传输外，还可通过有线电视、光纤、微波和各种网络以及各种用户线进行传输。随着窄带综合业务数字网的普及和宽带综合业务数字网的发展，以及Inter网络的应用和普及，视频通信的前景将会更加光明六、视频信号的存储1、VCD:采用MPEG-1标准，VHS质量的视频节目，CD质量的立体声。2、DVD:采用MPEG-2标准，视频图像质量大大优于VCD,音频部分将采用杜比公司新开发的AC-3系统。3、硬盘1.3电视基本原理1.3.1黑白电视原理1、图像的表示方法一幅自然景象可用下列方程表示：B=fB（x,y,z，t）(亮度)λ=fλ(x,y,z,t)(色调)S=fs（x,y,z,t）(饱和度)对黑白、平面图像，此时上述方程组只留下了亮度方程：B=fB（x,y,t）一个平面为无穷点的集合，对于任何一t0时刻,B=fB（x,y,t0）拥有无限大的信息量。利用人眼的视觉惰性和人眼分辨力有限，我们可以采用空间和时间抽样的传送方法，使重现景物与原景物有等效的视觉效果。2、图像的分解与顺序传送•（1）人眼分辨力有限：一幅图像可以看作许多小点组成。•（2）人眼视觉惰性：•顺序传送A.静止图像B．活动图像•在电视技术中，利用人眼视觉惰性，采用顺序传送这些像素。如图1.3.1所示•图1.3.1顺序传送电视系统示意图3、扫描•上述将图像转变成顺序传送的电信号以及反之将顺序传送的电信号转换成图像的过程，在电视技术中称为扫描。•通过扫描和光电转换，就可以把反映图像亮度的空间、时间函数B=fB（x,y,t），转变为用时间表示的电信号u=f(t)。•电视技术中扫描的规律是从左到右，从上到下。•（1）行扫描（水平扫描）：从左→右（称为行扫描正程），从右→左（称为行扫描逆程，约18%TH）；从左→右，再从右→左扫描一行所需时间，称为行周期，用TH表示。（2）场（帧）扫描（垂直扫描）：从上→下（称为场扫描正程），从下→上（称为扫描逆程，约6%TV）；从上→下,再从下→上扫描一场（帧）所需时间，称为场（帧）周期，用TV（TP）表示。（3）逐行扫描与隔行扫描•从上到下一行接一行扫描，至到扫描完整幅图像，这称为逐行扫描。所有逐行扫描行的集合成称之为帧。•顾名思义，隔行扫描是隔一行后再扫描下行，即先扫1，3，5…行，再扫2，4，6…行。从上到下隔行扫描行的集合称之为场，因此一帧由两场组成。（4）我国电视标准扫描参数（2︰1隔行扫描）•行扫描频率：fH=15625Hz，•行扫描周期：TH=1/fH=64μS•场扫描频率：fV=50Hz，•场扫描周期：TV=1/fV=20mS•帧扫描频率：fp=1/2fV=25Hz，•帧扫描周期：TP=1/fp=40mS（5）扫描同步收、发端扫描必须同步。在图1.3.1中的K1,K2,运动速度应相同，接通位置要一一对应，这种关系称作发端与收端的扫描同步。方法：发送端将代表扫描定时（同步）信息（行、场同步信号）与图像信号一起发送，接收端利用它，产生与发端同步的扫描。4、简单黑白电视系统•简单黑白电视系统如图1.3.2所示。5、黑白电视信号•（1）组成：•图像信号：扫描正程•复合消隐信号：（消除回归：逆程）行消隐，场消隐•复合同步信号：起同步作用,行同步，场同步•由图像信号、复合消隐信号、复合同步信号组成的黑白电视信号称作黑白全电视信号，常用符号VBS表示。图1.3.3为一行黑白电视信号。•图1.3.3一行黑白电视信号波形(2)特点：•（a）单极性•（b）脉冲性•（c）周期性：有明显行，场周期性或准周期性（3）电视信号的频谱结构•（a)离散频谱••(b)结构()()VHjmmmnUteVH垂直扫描角频率水平扫描角频率•图1.3.4黑白电视信号频谱a)电视信号的频谱是由行频的基波、谐波为主谱线和分布于它们两侧以场（帧）的基、谐波为副频谱构成的离散频谱。b)在整个电视信号的频带中，没有频谱能量的区域大于有能量区域c)彩色电视就是利用电视信号频谱的这种结构特性，将色度信号插入到其频谱空隙，实现彩色电视与黑白电视的兼容（4）电视信号的上限频率fmax估算•△fmax，即电视信号的带宽。•图1.3.5一幅图像像素示意图•设一幅图像如图1.3.5所示，高为h，宽为b，垂直像素为N→扫描行，fp为帧频，要求水平分辨力和水平分辨力相同。则一幅总像素为：P=N2(b/h)则fmax=1/2Pfp=1/2fpN2(b/h)b/h,称作宽高比。当考虑18%行消隐和6%的场消隐，不分解图像，及隔行扫描所带来的影响时：△fmax=fmax*(0.94/0.82)*0.65=0.74fmax对于我国普通电视电视标准：N=625，b/h=4/3,fp=25,得△fmax=5MHz二、彩色电视原理•（一）三基色原理自然界的任何彩色光都可分解为红(R)，绿(G)，蓝（B）三基色光，反之，R，G，B三种基色光按一定比例相加混合可得到自然界的任何彩色光。•将三种基色光按不同比例相加而获得不同彩色光的方法，称为相加混色法，它们的基本规律是：•红（R）+绿（G）+蓝（B）=白（W）•红（R）+绿（G）=黄（Ye）•绿（G）+蓝（B）=青（Cy）•红（R）+蓝（B）=品红（Mg）(二)彩色图像的摄取与重现•彩色电视是在黑白电视的基础上，利用了三基色原理与人眼的彩色视觉的一些特性发展起来的。•1、彩色图像的摄取•图1.3.6彩色电视传送示意图•彩色光→镜头→分光系统→各自摄像管（与黑白电视相同）→……•2、彩色图像重现•（1）同时混色法•图1.3.9同时混色法示意图•（2）空间混色法•目前常用的彩色显像管显像法。以三枪三束阴罩式彩色显像管为例。如图1.3.10,1.3.11•三枪三束阴罩式彩色显像管和阴罩板、荧光屏作用示意图简图A)三个电子枪：发出三束电子束，它们分别受ER,EG，EB信号激励。B)荧光屏：由大量红、绿、蓝三色荧光点组组成。C)金属阴罩板：在荧光屏前，布满小孔。每个小孔对应一组三色荧光点。D)红、绿、蓝三个电子枪发出的三束电子束会聚于阴罩板的小孔，穿过小孔分别轰击同组的红、绿、蓝三个荧光点，使它们发出相应颜色的光，由于红、绿、蓝三个荧光点距离很近，人眼分辩力有限，所以每组光点发出的光给人三点混色光的感觉。（3）时间混色法将红、绿、蓝三色光图像以一定频率顺序地输出，由于人眼的视觉惰性，红、绿、蓝三色光将在视觉上形成三色光相加的混色视觉。•(三)、亮度信号和色差信号在彩色广播电视系统中选用三个传输信号，代表三个基色信号，它们之间的转换关系如下：•VY=0.30VR+0.59VG+0.11VB•VR-Y=0.70VR–0.59VG–0.11VB•VB-Y=-0.30VR-0.59VG+0.89VB其中:VY代表亮度信息，VR-Y，VB-Y代表彩色信息。(四)、色度信号频带压缩与频谱交错原理：•1、大面积着色原理：•由于人眼对彩色细节分辨力比黑白细节分辨力低，传送彩色景物时，只传送景物中的粗线条、大面积的彩色部分，而彩色细节则用亮度（黑白）细节代替，其重现彩色图像的主观感觉仍然是清晰、逼真的，这一原理称之为大面积着色原理。根据这一原理，用宽带传送亮度信号，以保证图像的清晰度，用窄带传送色度信号，进行大面积着色。•VR-YVB-Y→1.3MHz•VY→6MHz•2、高频混合原理：•高频混合原