色彩和視頻基礎

1、色彩和視頻基礎作者：向進發(fā)表時間：2004-12-28 0:00:00閱讀次數(shù)：81編輯刪除我們在利用視頻進行工作、學習、娛樂時，需要掌握必要的相關知識，以更好地利用設備，提高效率，而現(xiàn)代課堂教育的實施，更是離不開此類設備。視頻離不開色彩，在此先談談色彩。 一、色彩基礎 彩色是由光波產生的。 物體吸收或者反射不同波長的光波形成彩色。各種不同波長的光一同進入人眼，視覺器官會對其混合處理，形成彩色。 1彩色模式 在一般情況下，彩色有以下幾種模式。 ·RGB：自然界中的大部分色彩都可以用三種獨立的基本色（即我們常說的“三原色”）按一定比率混合而成。三原色之間的混合比率決定了混合色的色調和飽

2、和度。混合色的亮度等于三原色的亮度之和。三原色是相互獨立的彩色，任何一種彩色都不能由其他兩種彩色混合而成。實際上，三原色并不是唯一的，在視頻領域中用紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）表示，但是在繪畫領域則使用紅、黃、藍作三原色。由于人眼對紅、綠、藍三種彩色的光最為敏感，所以在視頻技術領域選擇RGB作為三原色。彩色電視機就是根據(jù)三原色原理重現(xiàn)自然景物圖像的，將需要傳送的彩色分解為紅、綠、藍三原色，再將它們變成相應的三種電信號進行傳送。信號到達接收端后，利用三種電信號分別控制能發(fā)出紅、綠、藍光的彩色顯像管，以重現(xiàn)原來的彩色。 在進行數(shù)字調色時，三原色的值為0255，三色混合成彩色。某一

3、色的值為255且其他兩種原色的值為0時，呈現(xiàn)該色的純正色彩。 Lab：該模式由RGB三原色轉換而來，它由一個發(fā)光率（Luminance）和兩個彩色（a、b）構成。 ·HSB：該模式基于人對彩色的感受形成。它將彩色分為三要素：色調（Hue）、飽和度（Saturation）以及亮度（Brightness）。色調是指彩色光的彩色類別。紅、橙、黃、綠、青、藍、紫表示不同的色調，改變色光的光譜成分，就會引起色調的變化。不同波長的光所呈現(xiàn)的彩色不同，實際上就是指光的色調不同。彩色景物的色調取決于光照下反射或透射光的光譜成份，因此它的色調與折射它的光源有關。飽和度是指彩色的深淺程度，即色的濃淡程度

4、。對同一色調的彩色光，其飽和度越高，彩色越深，反之彩色越淺。通常所見的大多數(shù)光，其色飽和度都比較低，所以，彩色攝像、錄像中所處理的多數(shù)為低飽和度色。色調和飽和度合成為色度，代表彩色光的品質。在視頻技術中所說的傳輸彩色圖像，實際上是傳輸圖像像素的亮度和色度。亮度是指彩色光所引起的人眼視覺的明暗程度。亮度與光線的強弱有關，同一景物因光照的強弱不同會產生不同的亮度感覺。亮度還與光線的波長長短有關，人眼對黃綠光照射的景物最敏感，因而在同等強度的不同色光照射下，感到被黃綠光照射的景物最亮。 ·CMYK：該模式用于顏色印刷。它由青（Cyan）、洋紅（Magenta）、黃（Yellow），黑（Bl

5、ack）4種彩色組成。CMYK依靠減去光線產生色彩，因為打印紙不會發(fā)射光線，只能吸收和反射光線。幾種彩色疊加，將會得到更加灰暗的彩色，被稱做減色原理。 2彩色深度 圖像中每個像素可顯示出的彩色數(shù)被稱為彩色深度。它和數(shù)字化過程中的量化數(shù)有緊密聯(lián)系，量化比特越高，每個像素可顯示出的彩色數(shù)目越多。通常情況下，有以下幾種彩色深度標準： ·24位真彩色：采用8比特量化，每個像素所能顯示的彩色數(shù)為24位，也就是2的24次方，約有1680萬種彩色。人眼無法識別真彩色以上的彩色。 ·16位增強色：增強色為16位彩色，每個像素顯示的彩色數(shù)為2的16次方，有65536種彩色。 ·8位

6、色：每個像素顯示的彩色數(shù)為2的8次方，有256種彩色。 ·32位真彩色：32位真彩色實際上是在24位真彩色圖像的基礎上，增加了一個8位的灰度通道。該通道用256級灰度記錄圖像中的透明度信息，定義透明、不透明和半透明區(qū)域。該通道被稱為Alpha通道。 計算機顯示卡適配器的設置，在正確安裝驅動程序后，通常就設為前兩類中的一種，否則就只有16色模式了。 二、視頻基礎 1幀和幀速率 幀和幀速率是視音頻編輯中最基本也是最重要的一個概念。 無論是電影或者電視，都是利用動畫的原理使圖像產生運動。動畫是一種將一系列差別很小的畫面以一定速率連續(xù)放映而產生出運動視覺的技術。根據(jù)人類的視覺暫留現(xiàn)象，物體在

7、快速運動時，人眼對于時間上每一個點的物體狀態(tài)會有短暫的保留現(xiàn)象，例如在黑暗的房間中揮舞一支香燭。由于視覺暫留現(xiàn)象，看到的不是一個紅點沿弧線運動，而是一道道的弧線。這是由于香燭在前一個位置發(fā)出的光還在人的眼睛里短暫保留，它與當前香燭的光芒融合在一起，組成一段弧線。 構成動畫的最小單位為Frame（幀），即組成動畫的每一幅靜態(tài)畫面。一幀即為一幅靜態(tài)畫面。 視覺暫留的時間非常短，為10-1S數(shù)量級。所以為了得到平滑連貫的運動畫面，必須使畫面的更新達到一定標準，即每秒中所播放的畫面要達到一定數(shù)量，這就是幀速率。PAL制影片的幀速率是25幀/秒， NTSC制影片的幀速率是29.9715幀/秒， 電影的幀

8、速率是24幀/秒，二維動畫的幀速率是12幀/秒。 傳統(tǒng)的動畫技術是由動畫師將動畫所需的每一幀畫面手繪出來，這意味著非常龐大的工作量。計算機的誕生，將人類從傳統(tǒng)的動畫技術中解脫出來?，F(xiàn)在，動畫師只需要繪制動畫中關鍵的幾幀畫面，其他中間產生過渡運動的畫面則可以交由計算機處理，這就是關鍵幀的工作原理。所謂關鍵幀的概念，即在不同的時間點對對象屬性進行變化，而時間點之間的變化則由計算機來完成。例如在時間A處設置對象不透明度屬性為100，在時間B處設置對象不透明度屬性為0，則在從時間A至時間B處產生兩個關鍵幀。計算機通過給定的關鍵幀，可以計算出對象從時間A至時間B處的不透明度變化過程。在一般情況下，為對象

9、指定的關鍵幀越多，則所產生的運動變化越復雜，但是更多的關鍵幀也將使計算機的計算時間加長。 對于三維動畫，由于其基于物體結構的運動，所以，利用關鍵幀可以模擬一切自然界中的現(xiàn)象。但是二維動畫，則有相當大的局限性，這是因為二維動畫是基于畫面的運動。所以，在制作二維動畫時要明白，哪些動作能夠用關鍵幀實現(xiàn)，哪些動作不能夠用關鍵幀實現(xiàn)。 2掃描格式 視頻標準中最基本的參數(shù)是掃描格式，主要包括圖像在時間和空間上的抽樣參數(shù)，即每行的像素數(shù)、每秒的幀數(shù)以及隔行掃描或逐行掃描。 掃描格式主要有兩大類：525/59.94 和625/50，前者是每幀的行數(shù)，后者是每秒的場數(shù)。NTSC制的場頻準確數(shù)值是59.94005

10、994Hz，行頻是15734.26573Hz；PAL制的場頻是50Hz，行頻是15625Hz。 在數(shù)字域常用水平、垂直像素數(shù)和幀率來表示掃描格式，如480×70× 30， 1080×1920×30等。 對ATSC標準來說，共有28種掃描格式，其中常規(guī)清晰度電視（SDTV）為480×704×F和480米640×F，幀頻F可以是23.976 Hz、24 Hz、29.97 Hz、30 Hz、59.94 Hz和60 Hz。高清晰度電視（HDTV）為1080×1920×F，幀頻F是23.92 Hz、30 Hz和29

11、.97 Hz；或720×1280×F，幀頻F為23.976 Hz、24 Hz、29.97 Hz、30 Hz、59.94 Hz和60 Hz。 對DVB標準來說，25Hz幀頻的SDTV IRD可以接收掃描格式為720×576×25、544×576×25、352×576×25的圖像；30Hz幀頻的SDTV IRD可以支持30000/1001Hz的幀頻，可以接收掃描格式為720×480×30、544×480×30、480×680×30、352×480&#

12、215;30和352×240×30的圖像。對25Hz的HDTV IRD，可以接收掃描格式為1152×1920×F和1080×1920×F的圖像。 3寬高比 視頻標準中的第2個重要參數(shù)是寬高比，寬高比可以分為幀寬高比和像素寬高比。 幀寬高比指一幀圖像的寬高比?？梢杂脙蓚€整數(shù)的比來表示，也可以用小數(shù)來表示，如4:3或1.33；電影、SDTV和HDTV具有不同的寬高比。SDTV的寬高比是4:3或1.33;HDTV和擴展清晰度電視（EDTV）的寬高比是16:9或1.78；電影的寬高比從早期的1.333到寬銀幕的2.77.由于輸入圖像寬高比不同

13、，便出現(xiàn)了在某一寬高比屏幕上顯示不同寬高比圖像的問題。 某些視頻輸出使用相同的幀寬高比，但使用不同的像素寬高比。例如，某些NTSC數(shù)字化壓縮卡產生4:3的幀寬高比，使用方像素（1.0像素比）及640×480分辨率，D1 NTSC采用4:3的幀寬高比，但使用矩形像素（0.9像素比）及720×486分辨率。 如果在一個顯示方形像素的顯示器上不作處理顯示矩形像素，則會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。 4視頻制式 基帶視頻是一種簡單的模擬信號，由視頻模擬數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)構成，用于接收端正確地顯示圖像。信號的細節(jié)取決于應用的視頻標準或者“制式”，如NTSC（美國全國電視標準委員會，National

14、Television Standards Committee）， PAL（逐行倒相，Phase Alternate Line）以及SECAM（順序傳送與存儲彩色電視系統(tǒng)，法國采用的一種電視制式，Sequential Couleur Avec Memoire ）。 NTSC制是美國于1953年研制成功的兼容式彩色電視制式，在美國、日本、加拿大等國家被廣泛地采用。其特點是用兩個色差信號（R-Y）和（B-Y）分別對頻率相同而相位相差90º的兩個副載波進行正交平衡調幅，再將己調制的色差信號疊加，穿插到亮度信號的高頻端。 平衡調制采用抑制載波的方法。在兼容制的彩色電視中，用色度信號去調制彩色副

15、載波后，若不抑制彩色副載波，則用黑白電視機接收的黑白圖像上會出現(xiàn)亮點和暗點相互間隔的點狀結構，形成圖像景物失真，所以必須抑制不傳輸信息的彩色副載波。為了解調出平衡調幅波中的兩個色差信號，必須在接受機中設置副載波再生電路，以恢復失去的副載波。 正交調制把兩個色差信號調制在相位差為90º的同頻率載波上，即相互正交的兩個載波上。正交調制信號電壓的大小由兩色差信號電壓的大小決定，而相位差則由二者的比例關系決定，前者代表了彩色的飽和度，后者反映了彩色的色調。 NTSC制的主要缺點是對信號的相位失真十分敏感，色彩不太穩(wěn)定，容易產生明顯的色調失真。為了避免色調失真，要求發(fā)送端與中間傳送設備的性能指

16、標要高。 為了克服NTSC制對信號相位比較敏感的缺點，1962年原西德提出了一種改進方案，稱為逐行倒相制，簡稱為PAL。 PAL制在我國、英國和歐亞很多國家中得到廣泛應用。 PAL制和NTSC制一樣，也是同時傳送兩個色差信號（R-Y）與（B-Y）。不過（R-Y ）是逐行倒相的，它和（B-Y）信號對副載波進行正交調制。采用逐行倒相的方法，若在傳送過程中發(fā)生相位變化，則因相鄰兩行相位相反，可以起到相互補償?shù)淖饔?，從而避免了相位失真引起的色調改變。PAL制信號與色度信號相互間的干擾較小，由于梳狀濾波器的存在，亮度信號與雜波對色的干擾也比較小，因此兼容性比較好。不過，PAL制的編碼器、解碼器都比NTS

17、C制復雜，信號處理較為麻煩，所以接收機的造價相應比較高。對高密度記錄方式的錄像機來說，PAL制的這些缺點給電路設計增添了難度。 SECAM制是1956年由法國提出的，并于1966年在法國率先使用。 在SECAM制中，兩個色差信號是逐行依次傳送的，因而在同一時刻，傳輸通道內只存在一個信號，不會出現(xiàn)串色現(xiàn)象，從而克服了NTSC制對相位敏感的缺點。至于亮度信號，仍然是每行都進行傳送。另外，兩個色度信號不對副載波進行調幅，而是對兩個頻率不同的副載波進行調頻，再把兩個已調副載波逐行輪換插入亮度信號高頻端，形成彩色圖像視頻信號。這樣，在傳輸過程中引進的微分相位失真就不會對大面積的彩色造成影響，只在垂直邊界

18、上使彩色有所改變。而且調頻信號在進入頻率檢波器前還可用限幅器削平振幅，所以SECAM制的色度信號幾乎不受幅度失真的影響。此外，采用色度信號及頻率微波方式可以不必傳送副載波的相位信息。 SECAM制的兼容性不如NTSC制和PAL制，在正常傳輸條件下，傳送的圖像質量也相對較差。只有在傳輸條件較差的情況下，才能顯示出其不怕干擾的優(yōu)勢。 在個人計算機（PC）領域，由于使用的制式不同，存在不兼容的情況。拿分辨率來說，有的制式每幀有625線（50Hz），有的則每幀只有525線（60Hz）。后者是北美和日本采用的標準，統(tǒng)稱為NTSC。通常，一個視頻信號是由一個視頻源生成的，比如攝像機、VCR或者電視調諧器等

19、。為傳輸圖像，視頻源首先要生成一個垂直同步信號（VSYNC）。這個信號會重設接收端設備（PC顯示器），保證新圖像從屏幕的頂部開始顯示。發(fā)出VSYNC信號之后，視頻源接著掃描圖像的第一行。完成后，視頻源又生成一個水平同步信號，重設接收端，以便從屏幕左側開始顯示下一行，并針對圖像的每一行，分別發(fā)出一條掃描線以及一個水另外，NTSC標準還規(guī)定視頻源每秒鐘需要發(fā)送30幅完整的圖像（幀）。假如不作其他處理，閃爍現(xiàn)象會非常嚴重。為解決這個問題，每幀又被均分為兩部分，每部分262.5行。一部分全是奇數(shù)行，另一部分則全是偶數(shù)行。顯示的時候，先掃描奇數(shù)行，再掃描偶數(shù)行，就可以有效地改善圖像顯示的穩(wěn)定性，減少閃爍

20、。 由于我國的電視機采用PAL制式，因此一般情況下可將電視機的制式設為PAL或者AUTO（自動）模式，而錄像機一般產自日本，在使用錄像機特別是早期的錄像機時可能要設為NTSC制式，才能正常使用。 5信號格式 視頻標準中另一個重要問題是彩色信息的表述。視頻信號泛指圖像信號或全電視信號。彩色攝像機、錄像機中采用的視頻信號實際上就是彩色全電視信號的簡稱。 彩色電視信號既要使彩色電視機呈現(xiàn)彩色圖像，又要使黑白電視機呈現(xiàn)黑白圖像，彩色和黑白電視相兼容的要求使彩色電視的傳送方式嚴格受到黑白電視的約束。 黑白全電視信號由圖像信號（視頻信號）、消隱信號、同步信號、均衡脈沖和槽脈沖組成。 圖像信號是單級性的，只

21、能是正值或者負值，絕對不能在零值兩邊變化。如果規(guī)定曲線的相對高度12.5%以下為白電平，75%以上為黑電平，處于75%處為消隱電平，75%-100%為同步電平，則電平越高所反映的圖像越黑，電平越低所反映的圖像越亮。此種圖像信號電平的高低與圖像亮暗成反比的信號稱為負級性信號。反之，如果規(guī)定曲線相對高度的12.5%為黑電平，75%處為白電平，則圖像信號的電平高低與圖像亮暗成正比，這樣的視頻信號稱為正極性信號。我國電視發(fā)送和接收都采用負極性視頻信號。 在行掃描的逆程時間內并不傳送圖像信號，行、場掃描逆程的回掃線會對傳送圖像起干擾作用。為此，要在行、場掃描的逆程期間加入黑電平信號，使顯像管的電子束在行

22、、場回掃期間截止。這個黑電平就是消隱信號，消除行、場逆程電子束的消隱信號分別稱為行消隱和場消隱信號，二者合在一起稱為復合消隱信號。 為了保證顯像管掃描與攝像管掃描的頻率和相位完全一致，電視臺還要在消隱期間提供行同步信號與場同步信號，二者合稱為復合同步信號。每一行掃描結束時傳送一個行同步信號，每一場結束時傳送一個場同步信號。行、場同步脈沖的上沿分別作為行、場掃描逆程的起點。如果接收機掃描與發(fā)送端掃描不同步，電視機中的掃描電路按其自由振蕩周期工作，則圖像將無法重現(xiàn)。例如行掃描電路的振蕩周期發(fā)生故障時，圖像將會出現(xiàn)左右的扭曲；場掃描電路的振蕩周期發(fā)生故障時，圖像將會出現(xiàn)上下滾動。為了使同步信號既不影響消隱，又要與消隱脈沖有所區(qū)別，同步脈沖電平應比消隱電平還高。 在場同步脈沖前后各有五個窄脈沖，稱為前后均衡脈沖，寬度為行同步脈沖寬度的一半，間隔為H/2.其作用是保證隔行掃描中偶數(shù)場正好處于奇數(shù)場之間，以免產生并行現(xiàn)象。 黑白電視只傳送一個反映景物亮度的信號，即圖像信號。彩色電視除了重現(xiàn)景物的亮度信息外，還需同時重現(xiàn)景物的彩色信息。 對一種彩色進行編碼的方法統(tǒng)稱為“彩色空間”或“色域”。用最簡單的話說，世界上任何一種彩色的“彩色空間”都可定義成一個固定的數(shù)字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是眾多彩色空間的一種。采用這種編碼方法，每種彩色都可用三個