第一章 數(shù)字視頻基礎(chǔ)課件

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.1概述

1.1.1什么是視頻

一、視頻信息：自然景物（物體）在人眼視覺器官（人類視覺系統(tǒng)）中感知（重現(xiàn)）的信息稱為視覺信息，常以圖像形式來表示，故也稱為圖像信息，如照片、電影、電視、圖畫等第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)二、圖像分類1、按亮度等級分類①

二值圖像（只有黑白兩種亮度）②

灰度圖像2、按色調(diào)分①

黑白圖像②

彩色圖像3、按內(nèi)容變化性質(zhì)①

靜止圖像②

活動圖像。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)4、按占空間維數(shù)（1）平面圖像（二維圖像）（2）立體圖像（三維圖像）（3）多維圖像三、視頻1、通過成像傳感器將自然界圖像轉(zhuǎn)變成為的電信號稱作圖像信號2、視頻通常指活動圖像。又稱序列圖像，由一幅幅按時間順序構(gòu)成的靜止圖像組成，每幅圖像稱為一幀。幀是構(gòu)成視頻信息的最小和最基本單元。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.1.2為什么需要數(shù)字視頻一、視頻信息特點

1、為人類接收的主要信息。人類接受信息約有70%來自視覺。

2、視頻信息具有一系列的優(yōu)點：確切、直觀、具體生動、真實和效率高、應(yīng)用廣等。

3、視頻信息信息量大。通過視覺獲得的視頻信息往往比聽覺所獲得的音頻信息具有更大的信息量。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)二、數(shù)字視頻的優(yōu)點具有數(shù)字技術(shù)的一切優(yōu)點1、多次中繼不引起噪聲積累。2、可采用糾錯編碼，提高抗干擾能力。3、易于實現(xiàn)保密通信。4、易于計算機技術(shù)相結(jié)合（處理、網(wǎng)絡(luò)、交互）5、可采用超大規(guī)模電路（VLSL）實現(xiàn)各種處理。6、有利于壓縮編碼。7、擴大應(yīng)用范圍。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)三、應(yīng)用范圍廣

1、視頻技術(shù)在廣播電視中的應(yīng)用l

數(shù)字視頻地面廣播；l

數(shù)字視頻衛(wèi)星廣播；l

數(shù)字視頻有線電視；l

交互式電視；

l

常規(guī)電視和高清晰度電視2、視頻技術(shù)在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

l

電視電話l

會議電視l

多媒體通信l

視頻點播l

交互式電視第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)3、視頻技術(shù)在娛樂領(lǐng)域中的應(yīng)用

電視機及其相關(guān)產(chǎn)品長久不衰的原因在于它是大眾娛樂消費產(chǎn)品，電視是目前人類最重要的信息傳播媒體，它對人類生活的影響之大，簡直難以用語言表達，它已成為人們生活的重要組成部分。視頻技術(shù)賴以生存和迅速發(fā)展的基礎(chǔ)在于娛樂領(lǐng)域，其主要應(yīng)用包括：l

常規(guī)電視和高清晰度電視；l

記錄、存儲和顯示設(shè)備，例如攝象機、錄象機、光盤和大屏幕顯示器等；l

V-CD和DVD；l

交互式電視；l

視頻點播；l

視頻游戲。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)4、視頻技術(shù)在計算機領(lǐng)域中的應(yīng)用

l

多媒體計算機；l

CD-ROM和VCD；l

視頻數(shù)據(jù)庫；l

多媒體通信；l

交互式電視；l

三維圖形圖像；

l

動畫設(shè)計與制作；l

視頻制作；l

虛擬現(xiàn)實（VR）第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)5、視頻技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用：l

監(jiān)視控制；l

天氣預報；l

衛(wèi)星遙感；l

軍事；l

電子圖書館；l

電子新聞。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.1.3視頻技術(shù)涉及的主要內(nèi)容數(shù)字視頻通信系統(tǒng)模型第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)噪聲源信源編碼信道編碼解調(diào)信道解碼預處理圖像數(shù)字化調(diào)制信源解碼后理理顯示器圖像源信道存儲第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)一、視頻信號的獲取與顯示解決如何從光圖像獲得視頻電信號以及視頻信號的顯示問題。以及所涉及到的攝像、顯像設(shè)備、技術(shù)

二、視頻信號數(shù)字化為用數(shù)字處理、存儲、傳輸視頻信息，首先要解決的問題是將模擬視頻信號數(shù)字化，這包括以下幾個方面的內(nèi)容：1、空間位置離散化（抽樣）

2、幅度離散化

（量化）數(shù)字化

3、數(shù)字化（量化值的數(shù)字編碼）第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)視頻信號數(shù)字化主要研究和解決數(shù)字化參數(shù)的合理選擇及實現(xiàn)問題。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)三、視頻信號處理

根據(jù)人的某種要求對視頻圖像信號進行處理，主要包括

1、消除失真和干擾，使視頻信號盡可能逼真地重現(xiàn)景物。→圖像恢復、濾波。

2、根據(jù)某些準則，突出視頻圖像中某些信息。增強、直方圖技術(shù)。

3、特征提取，以使對其進行描述、分類、識別等。

4、視頻壓縮，在保證圖像一定質(zhì)量要求的前提下盡可能減少圖像的數(shù)據(jù)量。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)四、視頻信號壓縮為實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的有效傳輸、存儲，解決數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量大的問題，必須對數(shù)字視頻信號進行壓縮，是目前IT業(yè)的熱門話題，已發(fā)展成為一種技術(shù)學科。

1、圖像壓縮編碼理論，方法研究。

2、圖像視頻信號和人類視覺特性研究。

3、視頻壓縮編碼標準。

4、視頻壓縮專用芯片的開發(fā)。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)五、視頻信號的傳輸為了有效而高質(zhì)量的傳輸視頻信號，需要解決以下幾個問題：

1、消除信息干擾，提高傳輸可靠性。

1）采用糾錯編碼

2）自適應(yīng)均衡和自適應(yīng)濾波2、提高傳輸效率使用先進的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，例如殘留邊帶調(diào)制（VSB）、正交幅度調(diào)制（QAM）和格狀編碼調(diào)制（TCM）等第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)3、適應(yīng)不同的傳輸方式視頻信號除可通過廣播（衛(wèi)星廣播、地面廣播）傳輸外，還可通過有線電視、光纖、微波和各種網(wǎng)絡(luò)以及各種用戶線進行傳輸。上述各種傳輸信道其特性不盡相同，視頻信號傳輸時必須適應(yīng)各種傳輸信道的不同特性第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)六、視頻信號的存儲1、光盤

V-CD、D-VD2、硬盤，尤其是塔式結(jié)構(gòu)硬盤

3、FLASHMEMORY第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.2視頻信息獲取與顯示基本原理1.2.1人眼視覺特性1.亮度適應(yīng)性2.人眼覺察亮度變化的能力人眼察覺亮度變化的能力是有限的

可見度閥值：人眼可分辨的最小亮度差別△Lmin。低于可見度閥值的干擾是覺察不出來的。景物和圖像的背景亮度的變化對可見度閥值有影響，階躍變化處對比度越大，可見度閥值越大，這種現(xiàn)象稱為視覺掩蓋效益。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)3、馬赫效應(yīng)

人眼對景物和圖像上不同空間的頻率成分具有不同的靈敏度。人眼對中頻成分的響應(yīng)較高，對高、低頻率成分的響應(yīng)較低。觀察亮度發(fā)生階躍時，感覺到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗。4、視覺惰性

也稱為視覺暫留。人眼的亮度感覺有一個短暫的過渡過程。電視和電影充分利用了人眼的這一特性，例如，采用多幀連續(xù)視頻序列在一定時間內(nèi)的連續(xù)播放，則給人以較好的連續(xù)運動景物的感覺。

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)5、閃爍感覺

臨界閃爍頻率：不引起閃爍感覺的光脈沖最低的重復頻率。有很多因素影響臨界閃爍頻率，對于一般電視屏幕，其臨界閃爍頻率約為45.8Hz。人眼的閃爍感覺特性是設(shè)計電視系統(tǒng)的重要依據(jù)。6、人眼的分辨力

是指在觀察景物時人眼對景物細節(jié)的分辨能力。人眼對被觀察物體上能分辨的相鄰最近兩點的視角θ的倒數(shù)，稱為人眼的分辨力。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

通常,具有正常視力的人,在中等亮度和中等相對對比度下觀察靜止景物時,視角θ約為1ˊ～1.5ˊ。這說明人眼的分辨力是有限的，該特性對電視系統(tǒng)的設(shè)計有重要指導意義，對于人眼不能分辨的圖像細節(jié)沒有必要進行傳送影響人眼分辨力的主要因素有:環(huán)境照度﹑景物的相對對比度﹑被觀察物體的距離及運動狀態(tài)等。

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)環(huán)境照度太小、太大，分辨力下降；相對對比度大，分辨力高；被觀察景物的位置越近，其分辨力就越高。人眼對于靜止物體的分辨力高，對運動物體的分辨力低。運動速度越快，分辨力就越低。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)7.人眼的彩色分辨力

1）人眼對彩色細節(jié)的分辨力要遠比對黑白細節(jié)的分辨力低。

2）人眼對不同彩色細節(jié)的分辨力也不相同。彩色細節(jié)黑白黑綠黑紅綠紅黑藍紅藍綠藍分辨力100％94％90％40%26%23%19%第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.2.2圖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)(色調(diào))S=fs（x,y,z,t）(飽和度)對黑白、平面圖像，此時上述方程組只留下了亮度方程：B=fB（x,y,t）對于任何一時刻t0,B=fB（x,y,t0）,它代表活動圖像在該時刻的一幅靜止平面圖像，它為無窮點的集合，即擁有無限大的信息量。如何將這個含有無限大的信息量的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫矛F(xiàn)有通信技術(shù)傳輸?shù)碾娦盘枺ㄒ曨l信號）？。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.2.3黑白視頻信息獲取與顯示1、圖像分解順序傳送基本原理利用人眼分辨力有限和人眼視覺惰性這一特性，我們可以采用時間和空間抽樣方法。對圖像分解和順序傳送，將含有無限大的信息量的活動圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫矛F(xiàn)有通信技術(shù)傳輸?shù)碾娦盘枺ㄒ曨l信號）。

1）利用人眼視覺惰性，對活動圖像進行時間抽樣，將活動圖像變?yōu)橛梢环磿r間順序構(gòu)成的靜止圖像－－序列圖像。例如,25幅/每秒，30幅/每秒。這樣可將任何有限時間內(nèi)包含無窮多幅圖像變?yōu)橛邢薹鶊D像。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)2）利用人眼分辨力有限性，對圖像在空間上抽樣。任何一幅圖都可以看作由許多密集的小點子組成。這些小點子是構(gòu)成一幅圖像的基本單元，稱為像素。像素越小，單位面積上的像素數(shù)目越多，圖像就越清晰。

3）利用人眼視覺惰性，順序傳送這些像素。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

圖1－4順序傳送電視系統(tǒng)示意圖

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)2、掃描上述將圖像轉(zhuǎn)變成順序傳送的電信號以及反之將順序傳送的電信號轉(zhuǎn)換成圖像的過程，在電視技術(shù)中稱為掃描。通過掃描和光電轉(zhuǎn)換，就可以把反映圖像亮度的空間、時間函數(shù)B=fB（x,y,t），轉(zhuǎn)變?yōu)橛脮r間表示的電信號u=f(t)。電視技術(shù)中掃描的規(guī)律是從左到右，從上到下。（1）行掃描（水平掃描）：從左→右（稱為行掃描正程），從右→左（稱為行掃描逆程，約18%TH）；從左→右，再從右→左掃描一行所需時間，稱為行周期，用TH表示。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（2）場（幀）掃描（垂直掃描）：從上→下（稱為場掃描正程），從下→上（稱為掃描正程，約6%TV）；從上→下,再從下→上掃描一場（幀）所需時間，稱為場（幀）周期，用TV（TP）表示。（3）逐行掃描與隔行掃描從上到下一行接一行掃描，至到掃描完整幅圖像，這稱為逐行掃描。所有逐行掃描行的集合成稱之為幀。顧名思義，隔行掃描是隔一行后再掃描下行，即先掃1，3，5…行，再掃2，4，6…行。從上到下隔行掃描行的集合稱之為場，因此一幀由兩場組成。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（4）我國電視標準掃描參數(shù)（2︰1隔行掃描）行掃描頻率：fH=15625Hz，行掃描周期：TH=1/fH=64μS

場掃描頻率：fV=50Hz，場掃描周期：TV=1/fV=20mS

幀掃描頻率：fp=1/2fV=25Hz，幀掃描周期：TP=1/fp=40mS（5）掃描同步收、發(fā)端掃描必須同步。在圖1.4中的K1,K2,

運動速度應(yīng)相同，接通位置要一一對應(yīng)，這種關(guān)系稱作發(fā)端與收端的掃描同步。方法：發(fā)送端將代表掃描定時（同步）信息（行、場同步信號）與圖像信號一起發(fā)送，接收端利用它，產(chǎn)生與發(fā)端同步的掃描。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)3、簡單黑白電視系統(tǒng)簡單黑白電視系統(tǒng)如圖1－5所示。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)4、黑白電視信號（1）組成：圖像信號：掃描正程復合消隱信號：（消除回歸：逆程）行消隱，場消隱復合同步信號：起同步作用,行同步，場同步由圖像信號、復合消隱信號、復合同步信號組成的黑白電視信號稱作黑白全電視信號，常用符號VBS表示。圖1.6為一行黑白電視信號。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

圖1－6一行黑白電視信號波形

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)(2)特點：（a）

單極性（b）

脈沖性（c）

周期性：有明顯行，場周期性或準周期性（3）電視信號的頻譜結(jié)構(gòu)（a)離散頻譜

(b)結(jié)構(gòu)垂直掃描角頻率水平掃描角頻率第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)圖1－7黑白電視信號頻譜

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)a)電視信號的頻譜是由行頻的基波、諧波為主譜線和分布于它們兩側(cè)以場（幀）的基、諧波為副頻譜成的離散頻譜。b)在整個電視信號的頻帶中，沒有頻譜能量的區(qū)域大于有能量區(qū)域c)彩色電視就是利用電視信頻譜的這種結(jié)構(gòu)特性，將色度信號插入到其頻譜空隙，實現(xiàn)彩色電視與黑白電視的兼容第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（4）電視信號的頻帶寬度上限頻率fmax估算，即電視信號的帶寬。圖1－8一幅圖像像素示意圖第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)設(shè)一幅圖像如圖1－8所示，高為h，寬為b，垂直像素為N為掃描行，fp為幀頻，要求水平分解力和水平分辨相同。則一幅總像素為：P=N2(b/h)則fmax=1/2Pfp=1/2fpN2(b/h)b/h,稱作寬高比。當考慮18%行消隱和6%的場消隱，不分解圖像，及隔行掃描所帶來的影響時：

△fmax=fmax*(0.94/0.82)*0.7=0.8fmax

對于我國普通電視電視標準：

N=625，b/h=4/3,fp=25,得△fmax=5.2MHz

通常視頻信號的帶寬取作6MHz第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)1.2.4彩色視頻信息的獲取與顯示（一）三基色原理自然界的任何彩色光都可分解為紅（R），綠（G），藍（B）三基色光，反之，R，G，B三種基色光按一定比例相加混合可得到自然界的任何彩色光。將三種基色光按不同比例相加而獲得不同彩色光的方法，稱為相加混色法，它們的基本規(guī)律是：紅（R）+綠（G）+藍（B）=白（W）紅（R）+綠（G）=黃（Ye）綠（G）+藍（B）=青（Cy）紅（R）+藍（B）=品紅（Mg）第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)(二)彩色圖像的攝取與重現(xiàn)彩色電視是在黑白電視的基礎(chǔ)上，利用了三基色原理與人眼的彩色視覺的一些特性發(fā)展起來的。1、彩色圖像的攝取第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

圖1－9彩色電視傳送示意圖彩色光→鏡頭→分光系統(tǒng)→各自攝像管（與黑白電視相同）→……

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)2、彩色圖像重現(xiàn)（1）同時混色法圖1－10同時混色法示意圖第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（2）空間混色法目前常用的彩色顯像管顯像法。以三槍三束陰罩式彩色顯像管為例。如圖1－11（a),1-11(b)第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)三槍三束陰罩式彩色顯像管和陰罩板、熒光屏作用示意圖簡圖

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)A)

三個電子槍：發(fā)出三束電子束，它們分別受ER,EG，EB信號激勵。B)

熒光屏：由大量紅、綠、藍三色熒光點組組成。C)

金屬陰罩板：在熒光屏前，布滿小孔。每個小孔對應(yīng)一組三色熒光點。D)

紅、綠、藍三個電子槍發(fā)出的三束電子束會聚于陰罩板的小孔，穿過小孔分別轟擊同組的紅、綠、藍三個熒光點，使它們發(fā)出相應(yīng)顏色的光，由于紅、綠、藍三個熒光點距離很近，人眼分辯力有限，所以每組光點發(fā)出的光給人三點混色光的感覺。

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（3）時間混色法

將紅、綠、藍三色光圖像以一定頻率順序地輸出，由于人眼的視覺惰性，紅、綠、藍三色光將在視覺上形成三色光相加的混色視覺。

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)(三)、亮度信號和色差信號在彩色廣播電視系統(tǒng)中選用三個傳輸信號，代替三個基色信號，它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

VY=0.30VR+0.59VG+0.11VBVR-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。另一種表示的色差信號：

V=0.877(R-Y)U=0.493(B-Y)第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)(四)、色度信號頻帶壓縮與頻譜交錯原理：

1、大面積著色原理：由于人眼對彩色細節(jié)分辨力比黑白細節(jié)分辨力低，傳送彩色景物時，只傳送景物中的粗線條、大面積的彩色部分，而彩色細節(jié)則用亮度（黑白）細節(jié)代替，其重現(xiàn)彩色圖像的主觀感覺仍然是清晰、逼真的，這一原理稱之為大面積著色原理。根據(jù)這一原理，用寬帶傳送亮度信號，以保證圖像的清晰度，用窄帶傳送色度信號，進行大面積著色。

VR-YVB-Y→1.3MHzVY→6MHz第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)2、高頻混合原理：高頻混合原理是大面積著色原理在電信號域的具體實現(xiàn)。根據(jù)大面積著色原理，用寬、窄帶分別傳送亮、色信號，在接收端，亮、色信號相加復原為三基色信號時，將同一個亮度信號的高頻分量分別加入到三個基色信號中去，這就是高頻混合原理。如圖1-12所示第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)

圖1-12高頻混合原理框圖

第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)3、頻譜交錯原理為解決在黑白電視頻帶帶寬內(nèi)（6MHz）傳送彩色電視信號，解決彩色電視兼容問題。將色差信號調(diào)制到一載波上（為于圖像載波區(qū)別，稱為－副載波），插入到黑白電視信號頻鐠的空白處。（1）VR-YVB-Y正交平衡調(diào)幅一載波調(diào)制兩個信號，提高頻譜利用率。將VR-YVB-Y兩個色差信號分別調(diào)制到同一個載波的兩個正交分量上第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)fs為副載波頻率兩者之和稱為色度信號。形成色度信號的不同方法，構(gòu)成了不同的電視制式。如NTSC制,PAL制,SECAM制。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（2）正確選擇副載波（相對于圖像載波稱調(diào)制色差信號的載波為副載波）——為將色度信號有效地插入到黑白電視信號頻鐠空白處。通常選副載波為半行頻的奇數(shù)倍。如下式

fS=(n-1/2)fHfS為副載波，fH為行頻在PAL制中，由于（R-Y）分量采用逐行倒相，為了保證亮度信號頻鐠與（R-Y）和(B-Y)分量頻譜都能交錯，其副載波頻率選1/4行頻偏置，考慮到附加的1/2場頻偏置，其副載波頻率為：

fS=(n-1/4)fH＋1/2fv

其中fv=50Hz,為場頻；n取284,fS=4433618.75Hz。第一章數(shù)字視頻基礎(chǔ)（3）亮度信號與色度信號相加得到