第3章 視頻信號(hào)的獲取和處理課件

第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1彩色空間的表示及其轉(zhuǎn)換3.2視頻信號(hào)的獲取3.3圖像文件格式及其相互轉(zhuǎn)換第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1彩色空間的表示及其轉(zhuǎn)換（1）3.1.1顏色與顏色空間

光波：光是一種按波長(zhǎng)輻射的電磁波。光的物理性質(zhì)：波長(zhǎng)（光速，頻率）和幅度顏色：視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光的感知人眼對(duì)色彩的感覺(jué)：色調(diào)、飽和度和亮度第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1彩色空間的表示及其轉(zhuǎn)換（2）可見(jiàn)光譜第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1彩色空間的表示及其轉(zhuǎn)換（3）3.1.2色彩的三要素色調(diào)（hue）人眼感覺(jué)到物體反射或發(fā)射光波的波長(zhǎng)。物體在白光照射下所呈現(xiàn)出的顏色叫物體的顏色。色調(diào)就是顏色的分類。如七色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫在色譜中，色調(diào)連續(xù)變化第3章視頻信號(hào)的獲取和處理亮度（Intensity

）

人眼感受到的顏色的光的強(qiáng)度(明暗程度)，它與光的幅度（決定光的功率）有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，彩色光輻射的功率越大，亮度越高；反之，亮度越低。對(duì)于不發(fā)光的物體，其亮度取決于反射光功率的大小。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理同一種色塊，在不同強(qiáng)度的白光照射下，反射的光波波長(zhǎng)一樣（色調(diào)相同），但眼感覺(jué)到的顏色不同。某一顏色的光，亮度很弱，趨于黑色，反之，趨于白色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理飽和度（Saturation

）

指顏色的深淺程度(或顏色的濃度、純度)。亮度與飽和度第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1.3三基色原理（primarycolor）基色是指互為獨(dú)立的單色，任一基色都不能由其他兩種基色混合產(chǎn)生。人眼的彩色視覺(jué)有這樣一種特性，即某一單色光的彩色視覺(jué)可以由不同光譜的光組合而獲得，并與該單色光產(chǎn)生相同的彩色感覺(jué)。三基色是根據(jù)人眼對(duì)彩色視覺(jué)的大量實(shí)驗(yàn)而做出的選擇（紅色、綠色和藍(lán)色）。三基色的選擇不唯一，也可選擇另外三種顏色為三基色（青、品紅、黃）。

第3章視頻信號(hào)的獲取和處理三基色主要內(nèi)容

(1)自然界幾乎所有的顏色都可以用紅、綠、藍(lán)三種互為獨(dú)立的基色按一定比例混合而得到。

(2)自然界中絕大多數(shù)顏色可以分解成紅、綠、藍(lán)三種基色。

(3)混合色的亮度等于各個(gè)基色亮度之和。在彩色電視中之所以選用紅、綠、藍(lán)作為三基色，其原因如下：人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色比較敏感;紅、綠、藍(lán)三基色彼此互為獨(dú)立;紅、藍(lán)色分布在可見(jiàn)光譜的兩端，綠色處在中間，它們?cè)诠庾V位置上相隔較遠(yuǎn)，因而由紅、綠、藍(lán)三基色混合而成的彩色較為豐富，幾乎能重現(xiàn)自然界的各種彩色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理

三基色光的等量混合構(gòu)成無(wú)色光，稱為白光，即:

紅色+綠色+藍(lán)色=白色

紅色+青色=綠色+品紅=藍(lán)色+黃色=白色我們稱青色、品紅和黃色分別為紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理

彩色電視就是基于三基色原理，對(duì)自然景物及其色彩進(jìn)行錄入、處理、傳輸并重現(xiàn)彩色圖像的。彩色顯像管選擇R、G、B三基色顯示彩色信號(hào)，如圖下圖所示。彩色電視圖像的攝取第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1.4顏色的相加與相減混色

由三基色原理可知，適當(dāng)選擇三種基色，按不同比例混合，就可引起不同的色彩感覺(jué)。 合成彩色的亮度是三個(gè)基色的亮度之和，而色度(色調(diào)和飽和度)則由三個(gè)基色的比例決定。對(duì)人眼的混色可分為兩類，即相加混色和相減混色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理顏色的相加混色（RGB型顏色空間）將三種基色光按不同比例相混而獲得不同彩色光的方法稱為相加混色。適用于顯示器這類發(fā)光物體，即用在所有使用光線形成色彩的設(shè)備上。這些設(shè)備包括電視、顯示器、電影、投影機(jī)和掃描儀等。

本質(zhì)：發(fā)光物體發(fā)出某些波長(zhǎng)的光波，這些波長(zhǎng)的光波疊加在一起。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理顏色的相減混色（CMY型顏色空間）

當(dāng)白光照射到半透明的油墨上時(shí)，某些可見(jiàn)光波長(zhǎng)被吸收（減去），而其他波長(zhǎng)則被反射回眼睛。這些顏色因此稱為減色。

CMY模型主要用于彩色打印機(jī)和彩色圖片印刷這類吸光物體上。以打印在紙上的油墨的光線吸收特性為基礎(chǔ)。

本質(zhì)：白光照在某種顏色的物體上。部分波長(zhǎng)的光波被吸收，剩下波長(zhǎng)的光波進(jìn)入人的眼睛。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理RGB彩色空間和CMY彩色空間的表示法第3章視頻信號(hào)的獲取和處理RGB相加混色與CMY相減混色的關(guān)系相加混色相減混色生成色關(guān)系R(紅)G(綠)B(藍(lán))C(青)M(品紅)Y(黃)顏色互為反碼000111黑001110藍(lán)010101綠011100青100011紅101010品紅110001黃111000白第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.1.5顏色空間的表示(1)RGB顏色空間理論上，任何一種顏色都可用紅、綠、藍(lán)三種基本顏色按不同比例混合得到，稱為相加混色。對(duì)于能發(fā)出光波的有源物體，它的顏色由該物體發(fā)出的光波決定，使用RGB相加混色模型。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理在RGB彩色空間，任意彩色光F，其配色方程可以寫(xiě)成：F=r[R]+g[G]+b[B]

其中r、g、b為三基色的比例系數(shù)，r[R]、g[G]、b[B]為F色光的三色分量。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理計(jì)算機(jī)顯示器用紅R、綠G、藍(lán)B的組合產(chǎn)生顏色，（R,G,B)的值唯一地確定在顯示器上的顯示顏色.將紅、綠、藍(lán)三種顏色分別按光強(qiáng)度的不同分為256個(gè)級(jí)別，分別用8位二進(jìn)制數(shù)表示，每個(gè)像素占24位；0級(jí)實(shí)際上是黑色，255級(jí)是純色；3種顏色值的不同比例表示不同顏色；3種顏色不同強(qiáng)度級(jí)別的組合可以得到256*256*256=167777216種顏色。如RGB色彩空間藍(lán)(0,0,255)青(0,255,255)品紅(255,0,255)白(255,255,255)黑(0,0,0)綠(0,255,0)紅(255,0,0)黃(255,255,0)第3章視頻信號(hào)的獲取和處理第3章視頻信號(hào)的獲取和處理(2)YUV色彩空間（亦稱YCrCb

）在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中的圖像信號(hào)是用YUV彩色空間表示的。YUV是PAL制式的電視系統(tǒng)中常用的顏色模型。其中：Y表示亮度信號(hào)（Luminance），可構(gòu)成灰色圖像；U、V表示色度信號(hào)(Chrominance

)，是構(gòu)成色彩的兩個(gè)分量。U=B-Y，V=R-Y。

注釋：PAL制式是電視廣播中色彩編碼的一種方法。全名為PhaseAlternatingLine（逐行倒相）。除了北美，東亞部分地區(qū)使用NTSC，中東、法國(guó)及東歐采用SECAM以外，世界上大部份地區(qū)都是采用PAL。PAL常定義為625線，每秒25幀，隔行掃瞄,PAL色彩編碼的電視制式。

第3章視頻信號(hào)的獲取和處理在彩色與黑白電視信號(hào)中，顏色的表示是使用亮度公式是來(lái)描述的。假如白光的亮度用Y來(lái)表示，則它和紅、綠、藍(lán)三色的關(guān)系可以用如下方程來(lái)描述:(用于彩色與黑白電視信號(hào)的轉(zhuǎn)換)

Y=0.299R+0.587G+0.114BYUV色彩空間與RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：第3章視頻信號(hào)的獲取和處理采用YUV彩色空間的好處:亮度Y和色度U、V分離，很好的解決了黑白和彩色電視機(jī)的兼容問(wèn)題。人眼對(duì)彩色圖像細(xì)節(jié)的分辨能力比對(duì)黑白的低很多，因此對(duì)色度信號(hào)U、V，可以采用“大面積著色原理”。用亮度信號(hào)Y傳送細(xì)節(jié)，用色差信號(hào)UV進(jìn)行大面積涂色。因此彩色圖像的清晰度由亮度信號(hào)的帶寬保證。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理（3）YIQ彩色空間YIQ是NTSC制式的電視系統(tǒng)中常用的顏色模型。其中：

Y表示亮度信號(hào)，可構(gòu)成灰色圖像；

I、Q表示色度信號(hào)，是構(gòu)成色彩的兩個(gè)分量。

I、Q與U、V不同：

I=Vcos33°-Usin33°Q=Vsin33°-Ucos33°第3章視頻信號(hào)的獲取和處理采用YIQ彩色空間的好處

人眼的視覺(jué)特性表明，人眼分辨紅黃之間顏色變化的能力最強(qiáng)，而分辨藍(lán)與紫色之間顏色變化的能力最弱。在傳送I、Q信號(hào)時(shí)，I表示人眼最敏感的色軸，Q表示人眼最不敏感的色軸。傳送信號(hào)時(shí)，分別分配不同的帶寬。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理(4)HSI顏色空間

(Hue,Saturation/Chroma,Brightness/Intensity)HSI(HSB)色彩模型是從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，直接使用顏色三要素色調(diào)H、飽和度S和亮度I來(lái)描述色彩。能減少彩色圖像處理的復(fù)雜性。合乎人對(duì)彩色的認(rèn)識(shí)：色彩：色調(diào)、飽和度亮度：非彩色屬性，對(duì)應(yīng)黑白圖像的灰度。HSI顏色空間是基于人對(duì)顏色心里感受的一種顏色模式。適合從事藝術(shù)繪畫(huà)的人描述色彩的方法。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理色調(diào)和飽和度通稱為色度，表示顏色類別與深淺程度。HSI色彩空間和RGB色彩空間轉(zhuǎn)換公式：第3章視頻信號(hào)的獲取和處理(5)CMY彩色空間(相減混色模型)一個(gè)不發(fā)光的物體稱為無(wú)源物體，它的顏色由該物體吸收或者反射哪些光波決定。用彩色墨水或顏料進(jìn)行混合，繪制的圖畫(huà)就是一種無(wú)源物體，用這種方法生成的顏色稱為相減混色。是通過(guò)在白光中減去某些顏色得到新的顏色。（彩色打印機(jī)、印刷彩色圖片）。在理論上說(shuō)，任何一種由顏料表現(xiàn)的色彩都可以用青色（Cyan）、品紅（Magenta）和黃色（Yellow）三種基本顏料按一定比例混合得到，通常寫(xiě)成CMY，稱為CMY模型，是一種相減混色模型。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理CMYK:(四分色：Cyan青,Magenta品紅,Yellow黃,black黑)在CMY三色的基礎(chǔ)上，增加黑色。彩色打印機(jī)和印刷彩色圖片以及畫(huà)家的顏料色彩都利用了相減混色原理。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2視頻信號(hào)的獲取國(guó)際上采用三種兼容制彩色電視制式：正交平衡調(diào)幅制NTSC(NationalTelevisionSystemsCommittee，國(guó)家電視制式委員會(huì))。這種制式在美國(guó)、加拿大、大部分西半球國(guó)家、臺(tái)灣、日本、韓國(guó)、菲律賓采用，線路解碼簡(jiǎn)單、成本低。逐行倒相正交平衡調(diào)制PAL(Phase-AlternativeLine)。這種制式在我國(guó)、西德、英國(guó)、朝鮮采用，對(duì)象相位偏差不敏感。順序傳送彩色與存儲(chǔ)制SECAM(SequentialCouleuràMémorire(法文))。這種制式在法、俄、東歐等國(guó)家使用。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理NTSC彩色電視制的主要特性是：

(1)525行/幀,30幀/秒

(2)高寬比：電視畫(huà)面的長(zhǎng)寬比為4:3(3)隔行掃描，一幀分成2場(chǎng)(field)，262.5線/場(chǎng)

(4)在每場(chǎng)的開(kāi)始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)

(5)每行63.5微秒，水平回掃時(shí)間10微秒(包含5微秒的水平同步脈沖)，所以顯示時(shí)間是53.5微秒

(6)顏色模型：YIQ第3章視頻信號(hào)的獲取和處理倒相正交平衡調(diào)幅制PAL制式電視信號(hào)的特征：

(1)625行(掃描線)/幀，25幀/秒（40ms/幀）

(2)每場(chǎng)中有25行作為場(chǎng)回掃，所以每幀中只有575行是有效行。

(3)高寬比(aspectratio)：4:3(4)隔行掃描，2場(chǎng)/幀，312.5行/場(chǎng)

(5)顏色模型：YUV(6)西歐、中國(guó)和朝鮮等國(guó)家采用這種制式第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.1兼容制彩色電視兼容的含義

因?yàn)楹诎纂娨暜a(chǎn)生和發(fā)展在先，彩色電視推廣在后，所以必須在制式上使黑白電視與彩色電視兼容，以避免資源的浪費(fèi)。

兼容的含義是：

黑白電視機(jī)能接收彩色電視廣播、顯示黑白圖像，稱正兼容;

彩色電視機(jī)能接收黑白電視廣播，稱為逆兼容。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理兼容措施將攝像機(jī)輸出的三基色信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色度信號(hào)，并組合成彩色全電視信號(hào)發(fā)送(圖像信號(hào)、伴音信號(hào)、行消隱、場(chǎng)消隱、行同步和場(chǎng)同步等信號(hào)的組合)，接收端恢復(fù)成三基色信號(hào)，顯示彩色。彩色電視信號(hào)

由YUV顏色空的介紹可知，為了傳送彩色電視信號(hào)，該信號(hào)必須包括亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理

將亮度信號(hào)Y與色差信號(hào)U、V調(diào)制后發(fā)送，接收端解調(diào)后還原成三基色。即從而顯示彩色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理彩色電視信號(hào)的類型復(fù)合電視信號(hào)：包含亮度信號(hào)、色差信號(hào)和所有定時(shí)信號(hào)的單一電視信號(hào)。分離電視信號(hào)（S－Video信號(hào)）：是亮度和色差分離的一種電視信號(hào)，它可以（1）減少亮度信號(hào)和色差信號(hào)之間的交叉干擾。（2）不須要使用梳狀濾波器來(lái)分離亮度信號(hào)和色差信號(hào)，這樣可提高亮度信號(hào)的帶寬。分量電視信號(hào)：是指每個(gè)基色分量作為獨(dú)立的電視信號(hào)，使用分量電視信號(hào)是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號(hào)。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.2電視信號(hào)傳送過(guò)程

原始彩色圖像的R、G、B信號(hào)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)空間變換，轉(zhuǎn)換成亮度信號(hào)和色差信號(hào)(Y、U、V)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換(采樣，量化)得到數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送。若Y、U、V各取8位，則每個(gè)像素需24位數(shù)據(jù)量，這種編碼方式就是PCM編碼。 接收端恢復(fù)R、G、B信號(hào)顯示彩色圖像。 發(fā)送端的“映射變換”以及量化器和編碼器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，減少原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性和數(shù)據(jù)冗余度，如JPEG標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行的處理。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理彩色電視信號(hào)的編碼解碼框圖第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.3電視圖像數(shù)字化由于電視和計(jì)算機(jī)的顯示機(jī)制不同，因此要在計(jì)算機(jī)上顯示動(dòng)態(tài)視頻圖像需要作許多技術(shù)處理。例如，電視是隔行掃描，計(jì)算機(jī)的顯示器通常是非隔行掃描；電視是亮度(Y)和色度(C)的復(fù)合編碼，而計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器工作在RGB空間；電視圖像的分辨率和顯示屏的分辨率也各不相同等等。這些問(wèn)題在電視圖像數(shù)字化過(guò)程中都需考慮。

第3章視頻信號(hào)的獲取和處理在大多數(shù)情況下，數(shù)字電視系統(tǒng)都希望用彩色分量來(lái)表示圖像數(shù)據(jù)，如RGB、YUV、YIQ彩色空間分量。電視圖像數(shù)字化常用的方法有兩種：

(1)先從復(fù)合彩色電視圖像中分離出彩色分量，然后數(shù)字化。我們現(xiàn)在接觸到的大多數(shù)電視信號(hào)都是復(fù)合的彩色全電視信號(hào)，如錄像帶、激光視盤、攝像機(jī)等。對(duì)這類信號(hào)的數(shù)字化，通常是先將其分離成YUV、YIQ或RGB彩色空間中的分量信號(hào)，然后用3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器分別進(jìn)行數(shù)字化。

(2)先對(duì)彩色電視信號(hào)數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行分離，以獲得所希望的YUV、YIQ或RGB分量信號(hào)。用這種方法對(duì)電視圖像數(shù)字化時(shí)，只需一個(gè)高速A/D轉(zhuǎn)換器。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.4電視圖像的采樣格式計(jì)算機(jī)中的彩色圖像一般都用R、G、B分量表示，而電視圖像一般都用一個(gè)亮度(Y)分量和兩個(gè)色差(U和V)分量表示，YUV組成一個(gè)復(fù)合的電視信號(hào)。亮度分量的帶寬是色差分量帶寬的兩倍。過(guò)去，電視圖像數(shù)字化系統(tǒng)一般都使用分量數(shù)字化，對(duì)亮度和色差分別進(jìn)行數(shù)字化，原因是復(fù)合電視信號(hào)和分量信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換比較容易。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理電視圖像的采樣格式主要有三種，通常用“Y∶U∶V”的形式表示，Y、U、V分別代表亮度Y、色差U、色差V的樣本數(shù)。電視圖像的采樣格式第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.5電視圖像數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)為了在PAL制、NTSC制和SECAM制之間確定共同的數(shù)字化參數(shù)，國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR)制定了演播室質(zhì)量的數(shù)字電視編碼標(biāo)準(zhǔn)，稱為CCIR601標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)稱為D1標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多媒體的開(kāi)發(fā)應(yīng)用相當(dāng)重要，目前開(kāi)發(fā)的許多多媒體硬件都以CCIR601作為基礎(chǔ)。下表給出了CCIR601推薦的采樣頻率與其他頻率之間的關(guān)系。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理電視數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)(CCIR601)摘要第3章視頻信號(hào)的獲取和處理表中的CR和CB為CCIR601標(biāo)準(zhǔn)中的V和U色差信號(hào)。在數(shù)字電視信號(hào)值一欄中，亮度為220級(jí)，而色度為225級(jí)，因?yàn)槊總€(gè)Y、CR、CB采樣后都量化為8位二進(jìn)制數(shù)，即256個(gè)等級(jí)?？紤]到系統(tǒng)的需要，亮度和色差均留出了一些量化值，以備它用。

CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個(gè)采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的圖像信號(hào)采樣，如ISDN、電視會(huì)議、CCITT-H.261及光纖通信等。對(duì)PAL制和SECAM制，采樣頻率fs為

fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz

N=864(N為每行的采樣點(diǎn)數(shù))第3章視頻信號(hào)的獲取和處理對(duì)NTSC制，采樣頻率fs為

fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz

N=858對(duì)4∶2∶2的電視圖像采樣格式，Y用13.5MHz的采樣頻率，CR和CB用6.75MHz的采樣頻率。采樣時(shí)，采樣頻率信號(hào)要和行同步信號(hào)同步。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理對(duì)PAL制和SECAM制的亮度信號(hào)，每一條掃描行采樣864個(gè)樣本；對(duì)NTSC制的亮度信號(hào)，每一條掃描行采樣858個(gè)樣本。對(duì)所有的制式，每一掃描行的有效采樣樣本均為720個(gè)。每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)如圖所示。CCIR601的亮度采樣結(jié)構(gòu)第3章視頻信號(hào)的獲取和處理按照每一采樣點(diǎn)為8bit計(jì)算，那么每個(gè)像素點(diǎn)數(shù)字化后的數(shù)字率應(yīng)為

(13.5+6.75+6.75)×8=216Mb/s

即數(shù)據(jù)采樣速率為每秒216Mb。 雖然CCIR601對(duì)每行的有效樣本作了規(guī)定，但在實(shí)際顯示圖像時(shí)也有例外。例如在計(jì)算機(jī)中顯示電視圖像時(shí)通常采用下列分辨率：

NTSC制：640×480; PAL制和SECAM制：768×576。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理電視圖像既是空間的函數(shù)，又是時(shí)間的函數(shù)，而且又是隔行掃描，因而它的采樣是按照掃描線的順序?qū)Ω飨袼攸c(diǎn)的值進(jìn)行的，掃描完一幀，依次再掃描下一幀，從而得到連續(xù)視頻圖像。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.2.6數(shù)字電視

數(shù)字電視（DTV），是指從電視節(jié)目采集、錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)的新一代電視技術(shù)。它可以劃分為3大部分：信源部分（發(fā)送端）、信道部分（傳輸/存儲(chǔ)過(guò)程）和信宿部分（接收端）。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理數(shù)字電視分類

數(shù)字電視系統(tǒng)業(yè)務(wù)可以按照其活動(dòng)的圖像比特率的大小，粗略劃分為標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視（SDTV）和高清晰度數(shù)字電視（HDTV）。SDTV和HDTV的數(shù)字電視業(yè)務(wù)都可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合，以滿足廣大消費(fèi)者多層次的需求，它們兩者將長(zhǎng)期共存。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理數(shù)字電視比原來(lái)的模擬電視，有以下優(yōu)點(diǎn):（1）高清晰度的電視畫(huà)面：可以與DVD相媲美（最低：1280×720，最高：1920×1080）。（2）優(yōu)質(zhì)的音響效果：伴音可以達(dá)到CD質(zhì)量。（3）豐富的節(jié)目?jī)?nèi)容，有線網(wǎng)的帶寬利用率更高。（4）抗干擾功能力強(qiáng)，畫(huà)面更穩(wěn)定。（5）擴(kuò)展功能多：機(jī)頂盒除了一些基本功能外，還有許多擴(kuò)展功能如上網(wǎng)、點(diǎn)播、股票查詢、在線交易、遠(yuǎn)程教育等。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理原則上講，HDTV是由它所能提供的畫(huà)面質(zhì)量定義的。分辨率:HDTV畫(huà)面水平和垂直的像素目都差不多是常規(guī)系統(tǒng)的2倍。垂直方向的高清晰度是由1000多行的掃描線獲得的。大約為傳統(tǒng)5倍的視頻帶寬使灰度層次更加豐富，再加上有一些帶寬用于單獨(dú)傳輸色彩值，使得總帶寬就是現(xiàn)有彩色電視系統(tǒng)的5～8倍。寬高比:HDTV畫(huà)面的指定寬高比為16:9=1.777采用高清晰顯像管，點(diǎn)節(jié)距（即熒光點(diǎn)的大?。?，應(yīng)小于0.7毫米；觀看距離:由于人眼分辨細(xì)節(jié)的能力是有限的，所以觀看細(xì)節(jié)更豐富的HDTV畫(huà)面，觀看距離要更近一些。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3圖像文件格式及其相互轉(zhuǎn)換3.3.1圖像的數(shù)字化圖像：一般指位圖圖像。是指在空間和亮度上已經(jīng)離散化的圖像，通常把它考慮為一個(gè)矩陣，矩陣中的一個(gè)元素（像素）對(duì)應(yīng)圖像的一個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)的值表示該點(diǎn)的灰度或顏色等級(jí)由輸入設(shè)備捕捉的實(shí)際場(chǎng)景畫(huà)面或以數(shù)字化形式存儲(chǔ)的畫(huà)面，畫(huà)面相對(duì)復(fù)雜。計(jì)算機(jī)是用數(shù)字記錄信息的，不能記錄這無(wú)窮的點(diǎn)和無(wú)窮的顏色。所以計(jì)算機(jī)處理圖像的第一步，就是要把無(wú)窮用有限來(lái)近似，這就是圖像的數(shù)字化。圖像的數(shù)字化過(guò)程：（1）采樣（2）灰度級(jí)的量化（3）編碼與壓縮第3章視頻信號(hào)的獲取和處理采樣采樣就是把一幅連續(xù)圖像在空間上分割成M×N個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格用一個(gè)亮度值來(lái)表示。量化把采樣點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的連續(xù)亮度值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)特定數(shù)值的過(guò)程，稱之為量化。編碼與壓縮數(shù)字化后得到的圖像數(shù)據(jù)量十分巨大，必須采用編碼技術(shù)來(lái)壓縮信息。在一定意義上編碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)與傳輸?shù)年P(guān)鍵。圖像的壓縮算法很多。我們將在后續(xù)章節(jié)講解。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理圖像的采樣第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.2圖像的屬性分辨率由圖像中每個(gè)像素的顏色、亮度等信息按照矩陣的形似緊密排列構(gòu)成。顯示分辨率：屏幕在橫向與縱向上顯示的點(diǎn)數(shù)圖像分辨率：圖像分辨率是指組成一幅圖像的像素點(diǎn)數(shù)。用組成圖像的“行數(shù)×列數(shù)”表示。分辨率越高，像素就越多。位圖顯示時(shí)，圖中一個(gè)像素，對(duì)應(yīng)顯示器中一個(gè)像素。像素分辨率：指在顯示器上一個(gè)像素點(diǎn)的寬和高之比，在像素分辨率不同的機(jī)器間傳輸圖像時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理圖像分辨率與顯示分辨率是兩個(gè)不同的概念。它們之間的關(guān)系是：

(1)圖像分辨率大于屏幕分辨率時(shí)，在屏幕上只能顯示部分圖像。例如，當(dāng)圖像分辨率為800×600，屏幕分辨率為640×480時(shí)，屏幕上只能顯示一幅圖像的64%左右。

(2)圖像分辨率小于屏幕分辨率時(shí)，圖像只占屏幕的一部分。例如，當(dāng)圖像分辨率為320×240，屏幕分辨率為640×480時(shí)，圖像只占屏幕的四分之一。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理圖像深度是指存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的二進(jìn)制位數(shù)像素深度決定彩色圖像的每個(gè)像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個(gè)像素可能有的灰度級(jí)數(shù)。通常把圖像深度（imagedepth）說(shuō)成是像素深度。表示一個(gè)像素的位數(shù)越多，它能表達(dá)的顏色數(shù)目就越多，而它的深度就越深。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理圖像深度為3，表示8種顏色第3章視頻信號(hào)的獲取和處理雖然像素深度或圖像深度可以很深，但由于設(shè)備的限制，加上人眼分辨率的限制，一般情況下，不一定要追求特別深的像素深度。此外，像素深度越深，所占用的存儲(chǔ)空間越大。相反，如果像素深度太淺，也會(huì)影響圖像的質(zhì)量，圖像看起來(lái)就很粗糙，很不自然。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.3顯示器與顏色顯示數(shù)據(jù)容量＝水平分辨率×垂直分辨率×顯示深第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.4真彩色、偽彩色與直接色真色彩真彩色圖通常是指RGB8:8:8，即圖像的顏色數(shù)等于224，也常稱為全彩色圖像。人的眼睛是很難分辨出這么多種顏色的，因此在許多場(chǎng)合真彩色往往用RGB5∶5∶5來(lái)表示，每個(gè)彩色分量占5個(gè)位，再加1個(gè)顯示屬性控制位，共2個(gè)字節(jié)，生成的真顏色數(shù)目為215＝32K。 顯示器上顯示的顏色就不一定是真彩色，要得到真彩色圖像需要有真彩色顯示適配器，目前在PC上用的VGA適配器是很難得到真彩色圖像的。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理偽彩色像素的顏色不是由RGB直接確定，而是根據(jù)像素索引直接到彩色查找表（colorlookuptable）查找，用查找出的R、G、B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色稱為偽彩色。使用查找表得到的數(shù)值顯示的彩色不是圖像本身真正的顏色，它沒(méi)有完全反映原圖的彩色，所以稱之為偽彩色。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理真彩色和偽彩色圖像之間的差別(a)真彩色示意圖；(b)偽彩色示意圖第3章視頻信號(hào)的獲取和處理直接色直接色的獲取是通過(guò)每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B三個(gè)分量分別作為單獨(dú)的索引值對(duì)像素值作變換，也就是通過(guò)相應(yīng)的彩色變換表找出基色強(qiáng)度。用變換后得到的R、G、B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色直接色與偽彩色相比，相同之處是都采用查找表，不同之處是前者對(duì)R、G、B分量分別進(jìn)行查找變換，后者是把整個(gè)像素當(dāng)作查找的索引進(jìn)行查找變換，因此，直接色的效果一般比偽彩色好。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.5數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量圖像數(shù)據(jù)量，是指磁盤上存儲(chǔ)整幅圖像所需的字節(jié)數(shù)。圖像的分辨率越高、顏色深度越深，則數(shù)字化后的圖像效果越逼真、圖像數(shù)據(jù)量也越大。

未壓縮圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算公式為：圖像數(shù)據(jù)量=圖像分辨率×顏色深度/8第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.6數(shù)字圖像的分類矢量圖與位圖矢量圖:用一系列計(jì)算機(jī)指令來(lái)表示一幅圖，如畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)曲線、畫(huà)圓、畫(huà)矩形等。矢量圖適合于線形的圖畫(huà)、美術(shù)字和工程制圖等圖，矢量圖又稱為圖形,AutoCAD、CoreDraw等繪圖軟件都是基于矢量的系統(tǒng)。。矢量屬性可以調(diào)整。如:顏色、大小、位置文件的大小則主要取決圖的復(fù)雜程度矢量圖優(yōu)點(diǎn):存儲(chǔ)空間小、旋轉(zhuǎn)縮放圖像時(shí)失真小矢量圖缺點(diǎn):不易表示復(fù)雜的圖形第3章視頻信號(hào)的獲取和處理

位圖：是把一幅圖像離散化，即分成許許多多的像素點(diǎn)來(lái)表示。由圖中每個(gè)像素的數(shù)據(jù)組成。每個(gè)像素的數(shù)據(jù)包括：顏色、亮度、屬性。影響文件大小的因素主要有：圖像分辨率和像素深度。

第3章視頻信號(hào)的獲取和處理第3章視頻信號(hào)的獲取和處理矢量圖與位圖比較矢量圖形數(shù)據(jù)量與圖的復(fù)雜程度有關(guān)，位圖圖像數(shù)據(jù)量與圖的尺寸、顏色有關(guān)。矢量圖形縮放后失真小，位圖圖像縮放失真大

選擇使用：簡(jiǎn)單的圖使用矢量圖描述好一些，復(fù)雜的圖使用位圖好一些。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理灰度圖與彩色圖灰度圖：灰度圖按照灰度等級(jí)的數(shù)目劃分。只有黑白兩種顏色的圖像稱為單色圖像，也稱二值圖?；叶葓D像可以表示層次。如果每個(gè)像素的像素值用一個(gè)字節(jié)表示，灰度值級(jí)數(shù)就等于256級(jí)，每個(gè)像素值可以是0～255之間的任何一個(gè)值，一幅640×480的灰度圖像就需要占據(jù)300KB的存儲(chǔ)空間。

標(biāo)準(zhǔn)二值圖標(biāo)準(zhǔn)灰度圖第3章視頻信號(hào)的獲取和處理彩色圖：按照顏色的數(shù)目來(lái)劃分。例如，有256色圖像和真彩色(224＝16777216種顏色)等。彩色圖像需要更大的存儲(chǔ)空間。許多24位彩色圖像是用32位來(lái)存儲(chǔ)的，這附加的8位叫做α通道（alpha通道），它的值叫做α值，它用來(lái)表示該像素如何產(chǎn)生特技效果。彩色圖像和灰度圖像之間的轉(zhuǎn)換第3章視頻信號(hào)的獲取和處理3.3.7圖像的文件格式

為了讓圖像處理軟件能夠識(shí)別這些數(shù)據(jù)，圖像文件中還必須包含一些控制數(shù)據(jù)以解釋圖像數(shù)據(jù)的格式和特征。這樣，圖像處理軟件才能對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、解碼、編碼、顯示等處理。

不同的圖像文件，有不同的格式、不同的優(yōu)缺點(diǎn)及不同的用途。幾乎所有的圖像文件都采用各自簡(jiǎn)化的格式名作為文件擴(kuò)展名。第3章視頻信號(hào)的獲取和處理幾種常見(jiàn)圖像文件格式位圖文件格式（用像素點(diǎn)值來(lái)存放圖）BMP(BitMap)GIF(GraphicInterchangeFormat)JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)PNG(PortableNetworkGraphic)TIFF(TaggedImage):……………矢量圖形文件格式（用一系列計(jì)算機(jī)指令來(lái)表示一幅圖）AdobeIllstrator(.ai)、AutoCAD(.dxf)、IBMPIF(.pif),SVG(ScalableVectorGraphic)第3章視頻信號(hào)的獲取和處理（1）

BMP文件

BMP:BitmapBMP圖像文件格式是Windows窗口系統(tǒng)交換圖形、圖像數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)，因此在Windows環(huán)境中運(yùn)行的圖形、圖像軟件都支持BMP圖像文件。它是一種與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)的圖像文件格式。它采用位映射存儲(chǔ)的格式。除了顏色深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，他的特點(diǎn)是包含的圖像信息較豐富，幾乎不進(jìn)行壓縮，但由此導(dǎo)致了磁盤空間過(guò)大。

BMP文件目前在單機(jī)上比較流行，不受網(wǎng)絡(luò)的歡迎。該圖像顏色深度可表現(xiàn)為2-24位的色彩，在計(jì)算機(jī)上具有很好的兼容性。第3章視頻信號(hào)的獲取和處