視頻標準介紹課件

視頻標準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

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

視頻是由一幅幅靜止圖像構成的，每一幅單獨的圖像稱為一幀，視頻既包括靜止圖像又包括運動圖像。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，隨著各種電子技術的發(fā)展，視頻的采集設備和采集方式有了很大的進展，直接采集數(shù)字視頻的設備得到了廣泛的開發(fā)和應用。1、視頻概述1、模擬視頻模擬視頻指的是視頻的記錄、存儲和傳輸以模擬的形式進行，通常在電視上看到的、攝像機錄制的、錄像機播放的信號都是模擬視頻信號。

模擬視頻圖像可由電子攝像機獲得，并記錄在錄像帶上；也可用電影攝像機采集，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)字信號方式處理的視頻信號，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的機會，因此每一個畫面都可以得到精確的編輯并且達到較為完美的效果。1、視頻概述3、模擬視頻信號轉換為數(shù)字視頻信號普通的視頻信號如標準PAL和NTSC制式的電視視頻信號都是模擬的，而計算機只能處理和顯示數(shù)字信號，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進行采樣、量化與編碼。1、視頻概述

視頻信號采集的任務是將模擬信號轉換成數(shù)字視頻信號，并將其送入計算機系統(tǒng)。主要步驟如下：①視頻信號的捕捉：即借助攝像機、錄像機等設備將自然界的景物轉換成電信號。②A/D轉換：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，對輸入的信號進行編碼，從而得到數(shù)字視頻信號。③將得到的數(shù)字視頻存儲到幀存儲器：由視頻窗口控制器對采集到的信息經(jīng)剪裁、改變比例后，存入幀存儲器。④D/A轉換及彩色空間轉換：經(jīng)D/A轉換彩色空間變換矩陣得到相應的控制信號，送入數(shù)字視頻編碼器進行編碼，最后輸出到VGA顯示器、電視機、錄像機等視頻輸出設備。1、視頻概述4、數(shù)字視頻的優(yōu)越性

針對模擬視頻，數(shù)字視頻具有：存儲便利、圖像質量好、便于提供新業(yè)務、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、光的基礎知識光是電磁波的一部分，人眼可以感覺的光其波長在380～780納米（nm）范圍內。光的彩色感知決定于其光譜成分(即它的波長組成)。2.1顏色感知和表示2、HVS(人類視覺系統(tǒng))對彩色的感知光有兩個屬性：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，依賴于光的波長成分。

HVS(人類視覺系統(tǒng))

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

含有三種類型的錐狀細胞。桿狀細胞:在暗一些的光強下工作，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基色系是互補的，也就是說混合一個色系中的兩種彩色會產生另外一個色系中的一種彩色。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、綠色和藍色，顯示系統(tǒng)）（青色、品色和黃色，打印機）基于亮度與色度的顏色模型（亮度、色調、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、彩色空間的相互轉換

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

亮度和色度信號分離解決了彩色電視機與黑白電視機的兼容問題。

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

現(xiàn)在的模擬電視系統(tǒng)使用光柵掃描進行視頻攝取和顯示，在這種光柵掃描機制中，又包括逐行和隔行掃描。1、逐行掃描按次序對各行進行掃描，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進行掃描，第一場掃奇數(shù)行，第二場掃偶數(shù)行，并把掃奇數(shù)行的場稱為奇數(shù)場，掃偶數(shù)行的場稱為偶數(shù)場，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，一幀中兩個相鄰的行在時間上是以場間隔分開的。

采用隔行掃描的目的是在給定時間內，給定總行數(shù)的條件下，用犧牲垂直分辨率來提高時間分辨率。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，它也是影響視頻質量的關鍵因素。在模擬電視中，采用的行數(shù)大約為

500～600。計算機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，世界范圍內有三個不同的電視系統(tǒng)：

NTSC系統(tǒng)用于北美和包括日本在內的部

分亞洲國家和地區(qū)。

PAL系統(tǒng)用于大多數(shù)西歐國家和包括中國

以及中東的亞洲國家。

SECAM系統(tǒng)用于前蘇聯(lián)、東歐、法國以及

一些中東國家。2.2模擬視頻三個模擬彩色電視系統(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性，單獨傳遞會有冗

余，不能有效地利用帶寬。②將RGB變換成YCbCr分量后，YCbCr各分量

之間不存在相關性，且亮度信號Y解決了彩色

電視機與黑白電視機的兼容問題，傳送Cb和

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

制（QAM）組合成一個色度信號；其次，選定顏色副載波頻率，將亮度信號和

色度信號復合到一起；最后，音頻信號用的音頻副載波進行頻率調

制(FM),并把它加到復合視頻信號中，

形成最終的多路復用信號。2.2模擬視頻7、模擬視頻信號格式1、分量視頻信號對三個彩色分量分別進行存儲/傳輸可采用RGB、YUV、YIQ或YCbCr彩色分量一般只用于專業(yè)的視頻設備2、復合視頻信號（也稱為全電視信號）將RGB轉換為YUV或YIQ彩色空間將YUV或YIQ三個彩色分量復用為一個信號用于大多數(shù)模擬視頻系統(tǒng)（現(xiàn)有模擬電視系統(tǒng)均采用復合視頻格式）3、分離視頻信號（S-video）對Y和C（正交幅度調制I和Q分量）分量分別進行存儲/傳輸用于許多高級消費類視頻攝像機和顯示設備2.3數(shù)字視頻一、數(shù)字視頻基礎1、數(shù)字化方法數(shù)字視頻可以通過采樣光柵掃描（對模擬視頻信號的數(shù)字化）或直接用數(shù)字攝像機獲得。所有數(shù)字攝像機都使用CCD傳感器，數(shù)字攝像

機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)采用彩色信號的分量表示

方法，對模擬彩色電視圖像的數(shù)字化常采用

“分量數(shù)字化”法，即對彩色空間的每一個

分量進行數(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每行樣點數(shù)x樣點比特數(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)字演播室標準

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

2.3數(shù)字視頻①ITU-601信號的空間分辨率

ITU-601數(shù)字視頻標準指定了幅型比為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的采樣率對于NTSC系統(tǒng)，每行的像素數(shù)為858，

其視頻格式為525/60信號對于PAL/SECAM系統(tǒng)，每行的像素數(shù)為864，

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

ITU-60l數(shù)字視頻標準定義了一個YCbCr數(shù)字彩色坐標空間。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)字視頻格式和應用

ITU-RBT601-5的數(shù)據(jù)碼率是216Mpbs，這個速率對大多數(shù)應用太高，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）。實際上，在壓縮或傳輸之前，通常將視頻信號轉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信號的一半(352x288)，采用逐行掃描。它是為視頻會議應用而開發(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用場

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信號的四分之一，大致與CIF相當。這種格式定位在中等質量的視頻應用，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)字視頻計算機視頻顯示分辨率的標準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標準考慮到抽樣頻率對525行制和625行制的兼容，ITU-RBT.601標準規(guī)定Y/Cr/Cb的抽樣頻率為13.5MHz/6.75MHz/6.75MHz。因為色度信號的抽樣頻率均為亮度信號的2/4，這個標準又稱為4:2:2標準。Y像素Cb和Cr像素每2x2個Y像素對應2個Cb和2個Cr像素（只水平2：1采樣）3.1抽樣頻率525行制亮度信號的每行采樣點為858，625行制為864，每個色差信號的每行采樣數(shù)均為亮度信號的一半。無論525行還是626行，數(shù)字有效行的亮度信號采樣點都是720，色差信號采樣點都是360。4:2:2標準規(guī)定亮度和色差信號的每幀有效抽樣行數(shù)，對于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標準：在某些場合可以使用較低采樣率的編碼標準，比較常用的是4:2:0和4:1:1。在4:2:0標準中，亮度信號與色差信號的抽樣頻率同4:2:2標準一樣，但兩個色差信號每兩行取一行，即在水平和垂直方向上分解力均為亮度信號的一半。Y像素Cb和Cr像素4:2:0每2x2個Y像素對應1個Cb和1個Cr像素（水平和垂直都4：1采樣）3.1抽樣頻率4:1:1標準：在4:1:1標準中，Y/Cb/Cr的抽樣頻率為13.5MHz/3.375MHz/3.375MHz,即兩個色差信號在垂直方向分解力與亮度信號相同，在水平方向上為亮度信號的1/4。Y像素Cb和Cr像素4：1：1每2x2個Y像素對應1個Cb和1個Cr像素（只水平4：1采樣）3.1抽樣頻率分量編碼抽樣標準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)字分量視頻信號接口ITU-RBT656對于按4:2:2標準編碼的分量數(shù)字信號，規(guī)定了并行多工傳輸?shù)慕涌跇藴省Ｃ總€抽樣的8Bit（也可為10bit）字是在8根導線對上并行傳輸?shù)模?個數(shù)字分量信號組成時分復用碼流，其傳送時序是：Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，……第9根線傳輸27MHz的時鐘信號8bit字的00和FF作為專用標識，其余254個字用于表示信號值。

在有效行的開始和結束分別有四字節(jié)的定時基準信號：有效視頻開始（SAV）和有效視頻結束（EAV）。F=0/1第l/2場時,V=0/1其它處/場消隱時。H=0/1有效視頻開始處(SAV)/有效視頻結束處(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)。在接收機中，這種安排容許糾正l比特誤碼和檢出2比特誤碼。場間隔定義PAL13.5MHz4:2:2標準3.3附屬數(shù)據(jù)數(shù)字視頻信號的數(shù)字消隱期間可以傳輸附屬數(shù)據(jù)信號，附屬數(shù)據(jù)以包的形式運載，且每個包都有其自身標識，每個包內含有：-固定前置碼-包長指示-連續(xù)性指示-每個包最多容納255個字的附屬數(shù)據(jù)-校驗和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只使用一個字作為數(shù)據(jù)標識，類型2使用兩個字作為數(shù)據(jù)標識。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)標志ADF-數(shù)據(jù)標識DID-數(shù)據(jù)塊序號