數(shù)字視頻基本知識(shí)探討

數(shù)字視頻基本知識(shí)探討

由于工作的需要，我在數(shù)字視頻處理方面做了幾年的開(kāi)發(fā)，我所說(shuō)的開(kāi)發(fā)是指應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)，而不是底層的研究。先后開(kāi)發(fā)出了幾個(gè)產(chǎn)品，比如數(shù)字接口攝像機(jī)、嵌入式視頻捕捉卡、Video-VGA視頻轉(zhuǎn)換卡、造紙行業(yè)用的在線(xiàn)斑點(diǎn)檢測(cè)儀、數(shù)字偽彩色處理儀等，在開(kāi)發(fā)中也了解了一些關(guān)于CMOS面陣傳感器、CCD面陣傳感器、CCD線(xiàn)陣傳感器、高速攝像、高分辨率攝像、視頻編解碼、圖像壓縮等方面的知識(shí)，目前我還在繼續(xù)做類(lèi)似的開(kāi)發(fā)。前面說(shuō)的產(chǎn)品都有一定的銷(xiāo)量，所以經(jīng)常會(huì)收到用戶(hù)打來(lái)的電話(huà)，大多數(shù)是咨詢(xún)一些很基本的數(shù)字視頻知識(shí)。數(shù)字視頻無(wú)疑是復(fù)雜的，牽扯到很多方面，所以我有了寫(xiě)這篇文章的想法，我希望用盡量通俗的方式來(lái)說(shuō)明一些基本的問(wèn)題，以期能對(duì)讀者的開(kāi)發(fā)工作有一些幫助（說(shuō)明一下：為了盡量地把問(wèn)題說(shuō)得簡(jiǎn)單一點(diǎn)，敘述中我作了一些簡(jiǎn)化，比如把U和Cb都說(shuō)成U、V和Cr都說(shuō)成V等。另外還需要說(shuō)明的是，下面我所說(shuō)的模擬視頻的各個(gè)參數(shù)都是針對(duì)我國(guó)的電視標(biāo)準(zhǔn)——PAL制式而言的，而其它的電視制式則略有差別。讀者在做進(jìn)一步研究時(shí)請(qǐng)注意）。因?yàn)槲业乃绞钟邢?，錯(cuò)漏難以避免，有興趣的讀者可以寫(xiě)信和我一起來(lái)探討。
視頻簡(jiǎn)單地說(shuō)就是活動(dòng)圖像。電影也是活動(dòng)圖像，電影把大量靜止圖像記錄在膠片上，一張一張地連續(xù)顯示出來(lái)，就成了我們看到的電影。對(duì)于電視視頻，每秒鐘包含幾十幀靜止圖像，每一幀靜止圖像由幾百個(gè)行組成，每一行又由幾百個(gè)像素點(diǎn)組成。1秒鐘包含的圖像幀數(shù)為幀頻，1秒鐘包含的總行數(shù)為行頻，1秒鐘包含的總像素?cái)?shù)實(shí)際上就是相當(dāng)于視頻帶寬。
首先來(lái)說(shuō)說(shuō)模擬視頻。
遙想起來(lái)，在當(dāng)年有限的條件下，用電子管做出電視機(jī)的前輩們實(shí)在是令人佩服的，但是，用現(xiàn)在的眼光來(lái)看，當(dāng)年的電視技術(shù)又實(shí)在是很簡(jiǎn)陋的。我國(guó)的黑白視頻信號(hào)幀頻為25 Hz，就是說(shuō)每秒顯示25幅圖像，之所以規(guī)定為25 Hz，而不是其它的某個(gè)值，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)原因。一個(gè)與人的視覺(jué)生理特點(diǎn)有關(guān)，當(dāng)圖像的刷新速度達(dá)到5幀/秒的時(shí)候，人開(kāi)始感覺(jué)圖像是活動(dòng)的，而達(dá)到24幀/秒的時(shí)候，人感覺(jué)圖像是完全連續(xù)和流暢的（電影所使用的幀頻就是24 Hz），所以視頻信號(hào)幀頻應(yīng)大于等于24 Hz。理論上來(lái)說(shuō)幀頻越高越好，但是幀頻越高，對(duì)電路的要求也越高，技術(shù)越復(fù)雜，成本也越高（現(xiàn)在有的電腦彩顯幀頻已達(dá)到200Hz），在當(dāng)時(shí)的條件下，只能選擇一個(gè)大于24的盡量小的值。另一個(gè)原因是因?yàn)槲覈?guó)的電網(wǎng)頻率是50Hz，當(dāng)采用25 Hz幀頻時(shí)，隔行掃描時(shí)的場(chǎng)頻為50 Hz，正好與電網(wǎng)同頻，這樣，電源對(duì)圖像的干擾是固定的，人眼不容易感覺(jué)出來(lái)，或者換個(gè)角度說(shuō)：電源就可以不必做得那么精密（那個(gè)時(shí)候開(kāi)關(guān)電源還很少使用，整流電源缺乏穩(wěn)壓措施，紋波很大）。所以選擇了25 Hz幀頻。說(shuō)到這里，又要說(shuō)說(shuō)“場(chǎng)頻”。電視在顯示圖像的時(shí)候，把一幀分成了兩場(chǎng)來(lái)顯示，一個(gè)場(chǎng)由幀中的奇數(shù)行組成，叫做奇場(chǎng)，另一個(gè)場(chǎng)由幀中的偶數(shù)行組成，叫做偶場(chǎng)。之所以要這樣做，主要是因?yàn)樵贑RT顯象管上一秒鐘顯示25幀圖像時(shí)，人眼感覺(jué)到連續(xù)性還是不太好，而且還有明顯的閃爍，一幀分成兩場(chǎng)后，場(chǎng)頻為50 Hz，圖像更加連續(xù)一些。當(dāng)然還有一些別的原因，與電路設(shè)計(jì)方面有關(guān)。
我國(guó)的黑白視頻信號(hào)規(guī)定每幀圖像共625行，每場(chǎng)為312.5行，行頻15625 Hz，視頻帶寬6MHz。在每場(chǎng)的312.5行中，有一些行要用作場(chǎng)消隱，是不包含視頻信號(hào)的，按照CCIR656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行編號(hào)方法，奇場(chǎng)的行號(hào)為第1至312.5行，偶場(chǎng)的行號(hào)為第312.5至625行，其中，奇場(chǎng)的第23.5至310行包含有效的視頻信號(hào)，共287.5行，偶場(chǎng)的第336至622.5行包含有效的視頻信號(hào)，共287.5行。所以一幀中有效的總行數(shù)為576行，由最上面的半行加上中間的574行加上最下面的半行組成。（說(shuō)到這里又要順便說(shuō)個(gè)問(wèn)題，有經(jīng)驗(yàn)的讀者在PC機(jī)上用視頻捕捉卡捕捉圖像的時(shí)候，如果分辨率設(shè)定為720點(diǎn)*576行，會(huì)發(fā)現(xiàn)最上面的行左邊半邊是黑色的，或者最下面的行右邊半邊是黑色的，就是因?yàn)橐粓?chǎng)中包含有半行的無(wú)效行的原因。）
上面說(shuō)的是黑白視頻信號(hào)，那么彩色視頻信號(hào)又是怎么回事呢？當(dāng)科學(xué)家們開(kāi)始研究彩色電視的時(shí)候，黑白電視已經(jīng)大量使用了，所以

最好彩色電視信號(hào)能夠與黑白電視信號(hào)保持兼容，以便彩色電視信號(hào)在黑白電視機(jī)上能播放出黑白的圖像。這個(gè)問(wèn)題是很困難的，因?yàn)樯刃盘?hào)也要占用較大的帶寬，而在電視射頻頻帶上，一個(gè)頻道挨著一個(gè)頻道，亮度信號(hào)（實(shí)際上還有調(diào)頻的伴音信號(hào)）已經(jīng)把頻帶給塞滿(mǎn)了，幸運(yùn)的是，后來(lái)終于運(yùn)用壓縮亮度信號(hào)帶寬、大面積著色等技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。從頻域的角度來(lái)看，色度信號(hào)（UV色差信號(hào)）是插在亮度信號(hào)的頻譜的間隙之中的，具體的位置是插在4.43MHz的地方，帶寬1.3MHz。在接收機(jī)中，簡(jiǎn)單地說(shuō)，把收到的信號(hào)中的4.43MHz處的帶寬1.3MHz的信號(hào)取出來(lái)就成了色度信號(hào)，而把收到的信號(hào)中的4.43MHz處的這個(gè)信號(hào)濾掉剩下的就是亮度信號(hào)。很多硬件工程師可能不容易理解這是什么意思，不過(guò)沒(méi)關(guān)系。下面我們從時(shí)域的角度來(lái)看看它們的一行的波形，如圖所示，黑白視頻的亮度信號(hào)采用了調(diào)幅制，一行的周期是64μs，其中顯示在屏幕上的信號(hào)占52μs，其余部分為行消隱、行同步頭。對(duì)于彩色信號(hào)，還在行同步頭上疊加了一小段4.43MHz的副載波信號(hào)，用作接收機(jī)中的4.43MHz信號(hào)的頻率和相位基準(zhǔn)。
上面說(shuō)的是彩色視頻信號(hào)怎么加到原來(lái)的黑白視頻信號(hào)中。那么彩色圖像是怎么還原和顯示出來(lái)的呢？我們知道，黑白圖像的像素只能用亮度（灰度）來(lái)描述。而彩色圖像的像素的描述要復(fù)雜一些，有很多不同的方法，比如在印刷行業(yè)中用的是CMYK（青、品紅、黃、黑）四色合成的方法，而在計(jì)算機(jī)或電視機(jī)的CRT顯象管中都是用的RGB（紅、綠、藍(lán)）三基色合成的方法，我也不明白為什么要選這三種顏色，而沒(méi)選別的顏色，我猜想可能是因?yàn)槿搜郯琑GB三種色感細(xì)胞，所以用這三種基色能合成比較多的人眼能識(shí)別的彩色出來(lái)，或者因?yàn)檫@三種基色的熒光粉比較容易制造。通過(guò)RGB三基色來(lái)合成某種彩色，或者某種彩色怎樣分解為三基色，這個(gè)是大家都熟悉的。用RGB三基色來(lái)表示彩色的確很直觀(guān)，但是如果把這種方法用作圖像傳輸則絕不是一個(gè)好的方法。第一個(gè)缺點(diǎn)是與黑白圖像不兼容，把RGB三基色轉(zhuǎn)換為灰度的方法是：灰度=R*0.3+G*0.59+B*0.11,這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程顯然是比較復(fù)雜的。對(duì)于電視機(jī)而言，就意味著必須解碼出RGB信號(hào)才有可能得到黑白圖像，而黑白電視機(jī)沒(méi)有解碼功能，所以不能實(shí)現(xiàn)兼容。第二個(gè)缺點(diǎn)是占用太多帶寬，用RGB三基色表示圖像，每個(gè)分量的帶寬是均等的，都約等于亮度信號(hào)的帶寬，所以對(duì)于每個(gè)分量，都要用較大的帶寬來(lái)描述。第三個(gè)缺點(diǎn)是抗干擾能力差。由于G分量占有亮度值的59%，所以當(dāng)G受到干擾的時(shí)候，像素的亮度值會(huì)受到很大的影響，而人眼對(duì)亮度值的變化是十分敏感的，所以圖像主觀(guān)質(zhì)量會(huì)明顯下降?；谶@些原因，在視頻信號(hào)傳輸中采用的是YUV合成的方法。Y代表亮度信息，U代表藍(lán)色色差（就是藍(lán)色信號(hào)與亮度信號(hào)之間的差值），V代表紅色色差。我們來(lái)看看使用這種表示方法的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與黑白圖像兼容。假定一個(gè)像素是用YUV表示的，我們只要忽略UV分量，取出Y分量，就可以得到像素的