數(shù)字視頻基本知識(shí)探討
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在電視機(jī)中，彩色視頻信號(hào)首先分解為亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)，色度信號(hào)再分解為U色差信號(hào)和V色差信號(hào)，最后由YUV三個(gè)分量經(jīng)過(guò)矩陣運(yùn)算變換為RGB信號(hào)，以便在顯像管上顯示。那么YUV具體是怎樣變換為RGB呢？這個(gè)問(wèn)題又叫做“彩色空間變換”，我將在本文的后面詳細(xì)地討論這個(gè)問(wèn)題。
通過(guò)前面的討論，我們已經(jīng)知道：黑白視頻信號(hào)帶寬6 MHz，由幀、場(chǎng)、行、像素等組成，像素用亮度值Y來(lái)描述。彩色視頻信號(hào)在黑白視頻信號(hào)中插入了一個(gè)帶寬1.3 MHz的色度信號(hào)，由這個(gè)信號(hào)來(lái)得到UV色差信號(hào)，最后把YUV變換為RGB來(lái)描述像素。
現(xiàn)在我們來(lái)分析一下視頻信號(hào)的缺點(diǎn)。1、幀頻低。視頻信號(hào)的幀頻只有25 Hz，必然導(dǎo)致圖像閃爍。2、分辨率低。在一幀中有效的行只有576行。由于采用了隔行掃描，一幀圖像要由連續(xù)的兩場(chǎng)來(lái)拼合而成，而實(shí)際上很難保證兩場(chǎng)中的行準(zhǔn)確地錯(cuò)開(kāi)（對(duì)準(zhǔn)間隙），這進(jìn)一步導(dǎo)致垂直方向的分辨能力損失。3、亮色串?dāng)_。亮度信號(hào)和色度信號(hào)混合在一起，解碼的時(shí)候不能很好地分開(kāi)，導(dǎo)致亮度信號(hào)和色度信號(hào)互相干擾。4、缺乏改進(jìn)余地。除非重新制定新的標(biāo)準(zhǔn)，否則前面提到的三個(gè)問(wèn)題在現(xiàn)有基礎(chǔ)上都很難改進(jìn)。視頻信號(hào)格式有這么多缺點(diǎn)，是因?yàn)槭墚?dāng)年制定這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的技術(shù)條件制約造成的，而近年來(lái)通過(guò)在電視中加入一些數(shù)字處理的手段，比如倍頻掃描（100 Hz場(chǎng)頻）、使用數(shù)字梳狀濾波器等方法，電視的圖像質(zhì)量也得到一些提高。而現(xiàn)在正在研究的數(shù)字電視，是重新制定的全新的標(biāo)準(zhǔn)，用以獲得膠片質(zhì)量的圖像，可能會(huì)徹底淘汰現(xiàn)在的視頻標(biāo)準(zhǔn)和電視設(shè)備，當(dāng)然這是將來(lái)的事情，也不是我討論的主題。
我想討論的是“數(shù)字視頻”，而前面說(shuō)的都是模擬視頻，這是因?yàn)槲宜f(shuō)的數(shù)字視頻是現(xiàn)有的模擬視頻的數(shù)字表示，先搞清楚了模擬視頻，下面的討論就很簡(jiǎn)單了。
視頻信號(hào)起初是以模擬信號(hào)的形式保存在錄像磁帶上的，而現(xiàn)在隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，可以變成數(shù)字信號(hào)保存在光盤或計(jì)算機(jī)硬盤中，當(dāng)然這些離不開(kāi)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，實(shí)際上，在嵌入式領(lǐng)域，數(shù)字視頻也是可以應(yīng)用的，比如用單片機(jī)或DSP來(lái)處理數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。下面，我們就來(lái)討論數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的格式、轉(zhuǎn)換、保存、顯示等方面的問(wèn)題。
從哪個(gè)問(wèn)題開(kāi)始呢？我們先來(lái)討論一下模擬視頻信號(hào)解碼并量化成連續(xù)的數(shù)字視頻流后所包含的一些信號(hào)元素。前面我們已經(jīng)討論了，模擬視頻信號(hào)每秒25幀，每幀周期40ms，而每幀又分為2場(chǎng)，每場(chǎng)20ms，先輸出的是奇場(chǎng)，然后是偶場(chǎng)，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)，偶場(chǎng)的第336至622.5行包含有效的視頻信號(hào)。把模擬視頻信號(hào)解碼為YUV分量后，分別進(jìn)行A/D量化采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻流，時(shí)間上也應(yīng)該是按上面的順序依次輸出。有幾個(gè)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此作了一些約定。比如1994年國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)出臺(tái)了CCIR601標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)演播室的要求制定的，其中規(guī)定亮度信號(hào)的采樣頻率是13.5 MHz，色度信號(hào)的采樣頻率是6.75 MHz，采用8位PCM編碼。這樣，每行的Y采樣數(shù)為864個(gè)，其中有效的Y采樣數(shù)為720個(gè)。而每行的U或V采樣數(shù)為432個(gè)，有效的U或V采樣數(shù)為360個(gè)。平均描述每個(gè)像素的YUV的位數(shù)分別為8bit、4bit、4bit，又叫做YUV422編碼方案（當(dāng)然還有很多別的方案，如YUV411等）。國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)還出臺(tái)了CCIR656建議，其中規(guī)定視頻數(shù)據(jù)的量化值中的0和255保留不用，而量化數(shù)據(jù)串行輸出的順序是：U0、Y0、V0、Y1，U2，Y2，V2，Y3，U4，Y5，V4，Y6，如此循環(huán)。通過(guò)上面的討論，我們可以看出，數(shù)字視頻流應(yīng)包含的元素有：奇偶場(chǎng)指示信號(hào)FI（有的稱為ODD）、場(chǎng)同步信號(hào)、行同步信號(hào)、像素時(shí)鐘、YUV數(shù)據(jù)輸出。在此我們順便計(jì)算一下數(shù)字視頻流的數(shù)據(jù)量，每秒的數(shù)據(jù)量=（720像素*576行*25幀）*2字節(jié)=20736000字節(jié)，數(shù)據(jù)率約165Mbps，由此可見(jiàn)數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量之大，數(shù)據(jù)率之高！
可以想象，保存和描述數(shù)字視頻流的最簡(jiǎn)單辦法當(dāng)然就是記錄和描述連續(xù)的一幀幀的靜止圖像。保存靜止圖像的最簡(jiǎn)單格式是BMP格式，就是位圖。我們現(xiàn)在就來(lái)分析一下BMP文件格式。BMP文件記錄圖像的方式實(shí)際上有很多種，甚至可以直接在其中記錄YUV分量，但是我不準(zhǔn)備討論那么多。BMP文件由文件頭、圖像特征描述、顏色表、圖像數(shù)據(jù)四部分構(gòu)成。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面用的是VB的語(yǔ)法，下面用到的數(shù)字沒(méi)特別說(shuō)明的都是十進(jìn)制表示。
BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
Type BitMapFileHeader ‘共14字節(jié)
bfType As Integer ‘2個(gè)字節(jié),填入字符”BM”,即 4D42（16進(jìn)制）
bfSize As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入整個(gè)BMP文件的字節(jié)數(shù)大小
bfReserverd1 As Integer ‘2個(gè)字節(jié),保留,填入0
bfReserverd2 As Integer ‘2個(gè)字節(jié),保留,填入0
bfOffBits As Long ‘4個(gè)字節(jié),表示圖像數(shù)據(jù)在整個(gè)BMP文件中的起始位置
End Type
圖像特征描述塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
Type BitMapInfoHeader ‘共40字節(jié)
biSize As Long ‘4個(gè)字節(jié),表示本結(jié)構(gòu)的字節(jié)數(shù)大小,填入固定的值40
biWidth As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入圖像水平方向像素?cái)?shù)，其值必須是4的整數(shù)倍
biHeight As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入圖像垂直方向像素?cái)?shù)
biPlanes As Integer ‘2個(gè)字節(jié),填入固定的值1
biBitCount As Integer ‘2個(gè)字節(jié),表示每個(gè)像素的位數(shù),灰度圖填8,24位真彩圖填24
biCompression As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入0表示不壓縮
biXSizeImage As Long ‘4個(gè)字節(jié),表示圖像的像素總數(shù)
biXPelsPerMeter As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入固定值3780
biYPelsPerMeter As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入固定值3780
biClrUsed As Long ‘4個(gè)字節(jié),填入固定值0
biClrlmportant As Long&
評(píng)論