視頻標(biāo)準(zhǔn)介紹王野視頻概述視頻基本概念數(shù)字視頻編碼1、視頻概述

視頻是一組在時(shí)間軸上有序排列的圖像，是二維圖像在一維時(shí)間軸上構(gòu)成的圖像序列。

視頻是由一幅幅靜止圖像構(gòu)成的，每一幅單獨(dú)的圖像稱為一幀，視頻既包括靜止圖像又包括運(yùn)動(dòng)圖像。1、視頻概述

視頻通常分為模擬視頻和數(shù)字視頻兩種。早期的視頻主要指模擬的視頻信號(hào)，隨著各種電子技術(shù)的發(fā)展，視頻的采集設(shè)備和采集方式有了很大的進(jìn)展，直接采集數(shù)字視頻的設(shè)備得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。1、視頻概述1、模擬視頻模擬視頻指的是視頻的記錄、存儲(chǔ)和傳輸以模擬的形式進(jìn)行，通常在電視上看到的、攝像機(jī)錄制的、錄像機(jī)播放的信號(hào)都是模擬視頻信號(hào)。

模擬視頻圖像可由電子攝像機(jī)獲得，并記錄在錄像帶上；也可用電影攝像機(jī)采集，并存入電影膠片中（24幀/秒）。1、視頻概述2、數(shù)字視頻數(shù)字視頻就是以數(shù)字信號(hào)方式處理的視頻信號(hào)，它不但更加高效而精確，并且提供了一系列交互式視頻通信和服務(wù)的機(jī)會(huì)，因此每一個(gè)畫面都可以得到精確的編輯并且達(dá)到較為完美的效果。1、視頻概述3、模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)普通的視頻信號(hào)如標(biāo)準(zhǔn)PAL和NTSC制式的電視視頻信號(hào)都是模擬的，而計(jì)算機(jī)只能處理和顯示數(shù)字信號(hào)，因此必須將模擬視頻數(shù)字化。

視頻信息的數(shù)字化是將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采樣、量化與編碼。1、視頻概述

視頻信號(hào)采集的任務(wù)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，并將其送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。主要步驟如下：①視頻信號(hào)的捕捉：即借助攝像機(jī)、錄像機(jī)等設(shè)備將自然界的景物轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。②A/D轉(zhuǎn)換：即將采集到的模擬視頻經(jīng)過采樣量化后送入數(shù)字編碼器，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼，從而得到數(shù)字視頻信號(hào)。③將得到的數(shù)字視頻存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器：由視頻窗口控制器對(duì)采集到的信息經(jīng)剪裁、改變比例后，存入幀存儲(chǔ)器。④D/A轉(zhuǎn)換及彩色空間轉(zhuǎn)換：經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換彩色空間變換矩陣得到相應(yīng)的控制信號(hào)，送入數(shù)字視頻編碼器進(jìn)行編碼，最后輸出到VGA顯示器、電視機(jī)、錄像機(jī)等視頻輸出設(shè)備。1、視頻概述4、數(shù)字視頻的優(yōu)越性

針對(duì)模擬視頻，數(shù)字視頻具有：存儲(chǔ)便利、圖像質(zhì)量好、便于提供新業(yè)務(wù)、便于編輯等很多優(yōu)越性。

2、視頻基本概念顏色感知和表示模擬視頻數(shù)字視頻2.1顏色感知和表示一、光和彩色的屬性1、光的基礎(chǔ)知識(shí)光是電磁波的一部分，人眼可以感覺的光其波長(zhǎng)在380～780納米（nm）范圍內(nèi)。光的彩色感知決定于其光譜成分(即它的波長(zhǎng)組成)。2.1顏色感知和表示2、HVS(人類視覺系統(tǒng))對(duì)彩色的感知光有兩個(gè)屬性：亮度和色度。亮度：指光的明亮程度，與可見波段的總能量成正比。色度：指光的顏色和深淺，依賴于光的波長(zhǎng)成分。

HVS(人類視覺系統(tǒng))

視網(wǎng)膜有兩種類型感光細(xì)胞錐狀細(xì)胞:在亮光下起作用，感知顏色的色調(diào)。

含有三種類型的錐狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞:在暗一些的光強(qiáng)下工作，只能感知亮度信息。2.1顏色感知和表示3、彩色混合的三基色原理三基色原理：任何一種顏色可以通過三基色

按不同比例混合得到。照明光源的基色系包括紅色、綠色和藍(lán)色，稱為RGB基色。反射光源的基色系包括青色、品色和黃色，稱為CMY基色。

RGB和CMY基色系是互補(bǔ)的，也就是說混合一個(gè)色系中的兩種彩色會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)色系中的一種彩色。2.1顏色感知和表示二、彩色的表示1、顏色空間模型基于三基色的顏色模型（紅色、綠色和藍(lán)色，顯示系統(tǒng)）（青色、品色和黃色，打印機(jī)）基于亮度與色度的顏色模型（亮度、色調(diào)、飽和度）（亮度、色度，PAL制式的彩色電視）（亮度、色度，NTSC制式的彩色電視）（數(shù)字彩色電視）2.1顏色感知和表示2、彩色空間的相互轉(zhuǎn)換

RGB與YCbCr之間的轉(zhuǎn)換數(shù)字視頻定義的YCbCr數(shù)字彩色信號(hào)與模擬RGB信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：=YCbCr0.2570.5040.098-0.148-0.2910.4390.439-0.368-0.071RGB16128128+2.1顏色感知和表示

亮度和色度信號(hào)分離解決了彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題。

試驗(yàn)證明，人眼對(duì)彩色圖像細(xì)節(jié)的比對(duì)黑白圖像要低得多，因此對(duì)色度U、V信號(hào)可以采用“大面積著色原理”，即用亮度信號(hào)Y傳送細(xì)節(jié)，用色度信號(hào)U、V信號(hào)進(jìn)行大面積涂色。因此彩色圖像的清晰度由亮度信號(hào)的帶寬保證，而把色度信號(hào)的帶寬變窄。2.2模擬視頻

現(xiàn)在的模擬電視系統(tǒng)使用光柵掃描進(jìn)行視頻攝取和顯示，在這種光柵掃描機(jī)制中，又包括逐行和隔行掃描。1、逐行掃描按次序?qū)Ω餍羞M(jìn)行掃描，即一行緊跟一行的掃描方式稱為逐行掃描，電腦顯示器一般都采用逐行掃描。2.2模擬視頻2、隔行掃描

將一幀圖像分為兩場(chǎng)進(jìn)行掃描，第一場(chǎng)掃奇數(shù)行，第二場(chǎng)掃偶數(shù)行，并把掃奇數(shù)行的場(chǎng)稱為奇數(shù)場(chǎng)，掃偶數(shù)行的場(chǎng)稱為偶數(shù)場(chǎng)，這種方式稱為隔行掃描，普通電視系統(tǒng)一般均采用隔行掃描。

在隔行掃描中，一幀中兩個(gè)相鄰的行在時(shí)間上是以場(chǎng)間隔分開的。

采用隔行掃描的目的是在給定時(shí)間內(nèi)，給定總行數(shù)的條件下，用犧牲垂直分辨率來提高時(shí)間分辨率。2.2模擬視頻3、行數(shù)（行/幀或行/高）

行數(shù)是指垂直方向上的采樣率，它也是影響視頻質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在模擬電視中，采用的行數(shù)大約為

500～600。計(jì)算機(jī)顯示器則采用更高的行數(shù)

(例如SVGA顯示器有1024行)。2.2模擬視頻4、模擬彩色電視系統(tǒng)

目前，世界范圍內(nèi)有三個(gè)不同的電視系統(tǒng)：

NTSC系統(tǒng)用于北美和包括日本在內(nèi)的部

分亞洲國(guó)家和地區(qū)。

PAL系統(tǒng)用于大多數(shù)西歐國(guó)家和包括中國(guó)

以及中東的亞洲國(guó)家。

SECAM系統(tǒng)用于前蘇聯(lián)、東歐、法國(guó)以及

一些中東國(guó)家。2.2模擬視頻三個(gè)模擬彩色電視系統(tǒng)的參數(shù)2.2模擬視頻模擬彩色電視系統(tǒng)：視頻產(chǎn)生、傳送和接收

2.2模擬視頻5、彩色空間三種彩色電視系統(tǒng)都采用隔行掃描來攝取和顯示視頻圖像，但三個(gè)電視系統(tǒng)的彩色空間卻不同：PAL系統(tǒng)采用YUV彩色空間；NTSC系統(tǒng)采用YIQ彩色空間；SECAM系統(tǒng)采用YDbDr彩色空間。2.2模擬視頻為什么不直接使用RGB?

①RGB各分量之間存在相關(guān)性，單獨(dú)傳遞會(huì)有冗

余，不能有效地利用帶寬。②將RGB變換成YCbCr分量后，YCbCr各分量

之間不存在相關(guān)性，且亮度信號(hào)Y解決了彩色

電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題，傳送Cb和

Cr分量可用較窄的頻帶。2.2模擬視頻6、亮度、色度和音頻的復(fù)用為了使彩色電視信號(hào)與黑白電視系統(tǒng)兼容，現(xiàn)有的三個(gè)模擬電視系統(tǒng)都采用復(fù)合視頻格式，其中三個(gè)彩色分量以及音頻分量被復(fù)用為一個(gè)信號(hào)。構(gòu)成復(fù)合信號(hào)要求色度信號(hào)具有比亮度分量小得多的帶寬。2.2模擬視頻亮度、色度以及音頻信號(hào)的復(fù)用過程：首先，將I和Q兩個(gè)色度信號(hào)應(yīng)用正交幅度調(diào)

制（QAM）組合成一個(gè)色度信號(hào)；其次，選定顏色副載波頻率，將亮度信號(hào)和

色度信號(hào)復(fù)合到一起；最后，音頻信號(hào)用的音頻副載波進(jìn)行頻率調(diào)

制(FM),并把它加到復(fù)合視頻信號(hào)中，

形成最終的多路復(fù)用信號(hào)。2.2模擬視頻7、模擬視頻信號(hào)格式1、分量視頻信號(hào)對(duì)三個(gè)彩色分量分別進(jìn)行存儲(chǔ)/傳輸可采用RGB、YUV、YIQ或YCbCr彩色分量一般只用于專業(yè)的視頻設(shè)備2、復(fù)合視頻信號(hào)（也稱為全電視信號(hào)）將RGB轉(zhuǎn)換為YUV或YIQ彩色空間將YUV或YIQ三個(gè)彩色分量復(fù)用為一個(gè)信號(hào)用于大多數(shù)模擬視頻系統(tǒng)（現(xiàn)有模擬電視系統(tǒng)均采用復(fù)合視頻格式）3、分離視頻信號(hào)（S-video）對(duì)Y和C（正交幅度調(diào)制I和Q分量）分量分別進(jìn)行存儲(chǔ)/傳輸用于許多高級(jí)消費(fèi)類視頻攝像機(jī)和顯示設(shè)備2.3數(shù)字視頻一、數(shù)字視頻基礎(chǔ)1、數(shù)字化方法數(shù)字視頻可以通過采樣光柵掃描（對(duì)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化）或直接用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得。所有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)都使用CCD傳感器，數(shù)字?jǐn)z像

機(jī)把成像景物采樣成離散的幀，每一幀由水

平和垂直都離散化的CCD陣列的輸出值組成。通常數(shù)字視頻系統(tǒng)采用彩色信號(hào)的分量表示

方法，對(duì)模擬彩色電視圖像的數(shù)字化常采用

“分量數(shù)字化”法，即對(duì)彩色空間的每一個(gè)

分量進(jìn)行數(shù)字化。2.3數(shù)字視頻2、數(shù)字視頻參數(shù)數(shù)字視頻是由幀率，行數(shù)和每行的樣點(diǎn)數(shù)定義的。數(shù)字視頻的碼率為

R=幀率x行數(shù)x每行樣點(diǎn)數(shù)x樣點(diǎn)比特?cái)?shù)

單位是比特/秒（bps），或千比特/秒（kbps）或兆比特/秒（Mbps）。2.3數(shù)字視頻二、全數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)

——ITU-601數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)前國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）于1982年2月通過了全數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)——CCIR-601建議書，即現(xiàn)在的ITU-601標(biāo)準(zhǔn)(ITU：國(guó)際電信聯(lián)盟)，這是用于電視演播室等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3數(shù)字視頻①ITU-601信號(hào)的空間分辨率

ITU-601數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)指定了幅型比為4:3和16:9的兩種數(shù)字視頻格式。

SDTV的幅型比為4:3HDTV的幅型比為16:9NTSC、PAL和SECAM系統(tǒng)都采用13.5MHz的采樣率對(duì)于NTSC系統(tǒng)，每行的像素?cái)?shù)為858，

其視頻格式為525/60信號(hào)對(duì)于PAL/SECAM系統(tǒng)，每行的像素?cái)?shù)為864，

其視頻格式為625/50信號(hào)2.3數(shù)字視頻②彩色坐標(biāo)和色度的亞采樣

ITU-60l數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)YCbCr數(shù)字彩色坐標(biāo)空間。其中Y是亮度分量，伸縮后范圍是（16～235）；

Cb、Cr是色度分量，分別表示色差B-Y和R-Y

伸縮后的形式。=YCbCr0.2570.5040.098-0.148-0.2910.4390.439-0.368-0.071RGB16128128+2.3數(shù)字視頻③其它數(shù)字視頻格式和應(yīng)用

ITU-RBT601-5的數(shù)據(jù)碼率是216Mpbs，這個(gè)速率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用太高，所以CCITT專家組建議了一種新的數(shù)字視頻格式，被稱為通用中間格式（CIF）。實(shí)際上，在壓縮或傳輸之前，通常將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為這一種中間格式。除此之外，還定義有QCIF，SIF，SMPTE等幾種數(shù)字視頻格式。2.3數(shù)字視頻CIF：通用媒體格式，ITU-T規(guī)定的視頻格式。在水平和垂直維上的分辨率都大約是ITU-6014:2:0信號(hào)的一半(352x288)，采用逐行掃描。它是為視頻會(huì)議應(yīng)用而開發(fā)的。QCIF：ITU-T規(guī)定的視頻格式。在水平和垂直維上的分辨率是CIF的一半(176x144),采用逐行掃描。主要用于可視電話及類似的應(yīng)用場(chǎng)

合。SIF：源媒體格式，ISO-MPEG規(guī)定的視頻格式。有效區(qū)尺寸是ITU-601信號(hào)的四分之一，大致與CIF相當(dāng)。這種格式定位在中等質(zhì)量的視頻應(yīng)用，如視頻游戲和CD電影之類。采用隔行掃描。SMPTE：也稱HDTV格式，SMPTE規(guī)定的視頻格式。顯著特點(diǎn)是幅型比較寬，為16:9，在水平和垂直維上都具有兩到三倍的圖像分辨率，且采用逐行掃描。2.3數(shù)字視頻計(jì)算機(jī)視頻顯示分辨率的標(biāo)準(zhǔn)VGA：640像素/行×480行TARGA：512像素/行×480行S-VGA：1280像素/行×1024行

1024像素/行×768行圖像刷新速率為72幀/秒

3、數(shù)字視頻編碼抽樣頻率數(shù)字分量視頻信號(hào)接口輔助數(shù)據(jù)附屬數(shù)字音頻數(shù)據(jù)3.1抽樣頻率4:2:2標(biāo)準(zhǔn)考慮到抽樣頻率對(duì)525行制和625行制的兼容，ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Y/Cr/Cb的抽樣頻率為13.5MHz/6.75MHz/6.75MHz。因?yàn)樯刃盘?hào)的抽樣頻率均為亮度信號(hào)的2/4，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)又稱為4:2:2標(biāo)準(zhǔn)。Y像素Cb和Cr像素每2x2個(gè)Y像素對(duì)應(yīng)2個(gè)Cb和2個(gè)Cr像素（只水平2：1采樣）3.1抽樣頻率525行制亮度信號(hào)的每行采樣點(diǎn)為858，625行制為864，每個(gè)色差信號(hào)的每行采樣數(shù)均為亮度信號(hào)的一半。無論525行還是626行，數(shù)字有效行的亮度信號(hào)采樣點(diǎn)都是720，色差信號(hào)采樣點(diǎn)都是360。4:2:2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定亮度和色差信號(hào)的每幀有效抽樣行數(shù)，對(duì)于525行制為480行，625行制為576行。3.1抽樣頻率（a）525/60：60field/s（b）625/50：50field/sNTSC系統(tǒng)PAL/SECAM系統(tǒng)ITU—601視頻格式3.1抽樣頻率4:2:0標(biāo)準(zhǔn)：在某些場(chǎng)合可以使用較低采樣率的編碼標(biāo)準(zhǔn)，比較常用的是4:2:0和4:1:1。在4:2:0標(biāo)準(zhǔn)中，亮度信號(hào)與色差信號(hào)的抽樣頻率同4:2:2標(biāo)準(zhǔn)一樣，但兩個(gè)色差信號(hào)每?jī)尚腥∫恍?，即在水平和垂直方向上分解力均為亮度信?hào)的一半。Y像素Cb和Cr像素4:2:0每2x2個(gè)Y像素對(duì)應(yīng)1個(gè)Cb和1個(gè)Cr像素（水平和垂直都4：1采樣）3.1抽樣頻率4:1:1標(biāo)準(zhǔn)：在4:1:1標(biāo)準(zhǔn)中，Y/Cb/Cr的抽樣頻率為13.5MHz/3.375MHz/3.375MHz,即兩個(gè)色差信號(hào)在垂直方向分解力與亮度信號(hào)相同，在水平方向上為亮度信號(hào)的1/4。Y像素Cb和Cr像素4：1：1每2x2個(gè)Y像素對(duì)應(yīng)1個(gè)Cb和1個(gè)Cr像素（只水平4：1采樣）3.1抽樣頻率分量編碼抽樣標(biāo)準(zhǔn)4:2:2/6254:2:0/6254:1:1/625每幀有效行數(shù)亮度576576576色度576288576每行有效像素亮度720720720色度360360180幀頻/Hz252525幅型比4:34:34:33.2數(shù)字分量視頻信號(hào)接口ITU-RBT656對(duì)于按4:2:2標(biāo)準(zhǔn)編碼的分量數(shù)字信號(hào)，規(guī)定了并行多工傳輸?shù)慕涌跇?biāo)準(zhǔn)。每個(gè)抽樣的8Bit（也可為10bit）字是在8根導(dǎo)線對(duì)上并行傳輸?shù)模?個(gè)數(shù)字分量信號(hào)組成時(shí)分復(fù)用碼流，其傳送時(shí)序是：Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，……第9根線傳輸27MHz的時(shí)鐘信號(hào)8bit字的00和FF作為專用標(biāo)識(shí)，其余254個(gè)字用于表示信號(hào)值。

在有效行的開始和結(jié)束分別有四字節(jié)的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)：有效視頻開始（SAV）和有效視頻結(jié)束（EAV）。F=0/1第l/2場(chǎng)時(shí),V=0/1其它處/場(chǎng)消隱時(shí)。H=0/1有效視頻開始處(SAV)/有效視頻結(jié)束處(EAV)MSB：最高有效比特表l規(guī)定了V和F比特的狀態(tài)。P0，P1，P2，P3比特的狀態(tài)決定于F，V，H比特的狀態(tài)。在接收機(jī)中，這種安排容許糾正l比特誤碼和檢出2比特誤碼。場(chǎng)間隔定義PAL13.5MHz4:2:2標(biāo)準(zhǔn)3.3附屬數(shù)據(jù)數(shù)字視頻信號(hào)的數(shù)字消隱期間可以傳輸附屬數(shù)據(jù)信號(hào)，附屬數(shù)據(jù)以包的形式運(yùn)載，且每個(gè)包都有其自身標(biāo)識(shí)，每個(gè)包內(nèi)含有：-固定前置碼-包長(zhǎng)指示-連續(xù)性指示-每個(gè)包最多容納255個(gè)字的附屬數(shù)據(jù)-校驗(yàn)和CS3.3附屬數(shù)據(jù)附屬數(shù)據(jù)包分為類型1和類型2，類型1只使用一個(gè)字作為數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，類型2使用兩個(gè)字作為數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。類型1附屬數(shù)據(jù)包的組成：-表征附屬數(shù)據(jù)包開始的附屬數(shù)據(jù)標(biāo)志ADF-數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)DID-數(shù)據(jù)塊序號(hào)