数字音视频技术 (4)

色饱和度是颜色的鲜艳程度，反映颜色 被白光冲淡的情况，也称为纯度；色光中含 的白光越少饱和度就越高，色饱和度取决于 色光的各分光偏离色调波长的性质。
非彩色只有亮度的差别，没有色调和饱 和度的概念。
人类眼睛可以分辨出约128种不同的色 调。
以谱色光刺激时，一般情况下一定的 波长会呈现一定的颜色，但是除了572nm、 503nm、478nm三种波长的颜色不随光强发 生变化外，其他的波长随着光强度的增大， 颜色的感觉会略向红色或蓝色方向变化。
DV摄录机是将微小型摄像机和录像机 机芯组合在一起，制成摄像、录像一体的 轻小型高档精密家用电子产品。
图4-1 DV机外观
它的基本功能是将图像和声音信号记录到 磁带上，即拍即录，还可重复摄录，使用非常 方便。
摄录一体机具有使用的磁带小巧，记录容 量极大，便于更换，即录即放，反复记录的特 点。
摄录后还可以进行编辑合成（配音，添加 字幕等），综合成本比照相机还低。
2．数字图像的类型
图形（矢量图）和图像（位图）又称为 静图，这是相对于动画和视频图像来说的， 是两个既有区别又有密切联系的概念，它们 有各自的特点和适用范围，并在一定的条件 下可以互相转化。
将模拟图像转化成由一系列离散数据 （二进制数）来表示的图像称为数字图像。
（1）位图图像 （2）矢量图形
3．数字图像的质量
视觉对不同波长光的灵敏度称为光谱灵 敏度。
在可见光谱范围内杆状体和锥状体的光 谱灵敏度是不同的，它们分别对应于光谱光 效率函数的暗视觉曲线和明视觉曲线。
进入人眼的光需要有一定数量才会产
生感觉（即光亮感和颜色感），此外，人 眼的灵敏度能适应完全不同的光照情况， 称为人眼的适应性。
1．亮度与对比度
视觉的基本功能是感受外界的光刺激，
表现为对光波的感受性以及对亮和暗的适应 性；还具有分辨两个在空间上有一定距离的 刺激物的能力（即空间分辨率）；同时还能 觉察光刺激在时间上的起伏（即时间分辨 率）。
此外，人眼接受外界的光刺激并不是 固定的、被动的，而是动态的。
光线作用于人眼，人眼也能主动地对 准和扫描刺激物，从而在这个过程中形成 清晰的视觉，接受外界丰富的信息，并在 此基础上形成更复杂的图形和空间知觉。
人眼所能感觉的亮度范围很宽，但眼 睛并不能同时感受这样大的范围。
在眼睛适应了某一环境亮度后，引起 黑与白的感觉所对应的亮度范围就有了一 定的限度。
人眼的主观感觉并不由绝对亮度决定， 这种视觉特性给图像技术的实现带来了方便 和可能性。
一方面无需重现原始景物的真实亮度分 布而只要保持其亮度对比的正确，这样就可 以选择容易实现的显示器件，特别是解决了 显示高温和高亮度物体的困难。
第4章 数字视频编码基础
4.1
光与色
4.2
视觉与图像
4.3
视频
4.4
视频信号的数字化
4.5
视频编码
学习目标
➢知识目标：了解光与色、视觉与图像的基 本概念，掌握视频信息和视频信号的特点 以及视频信号的数字化方法，熟悉视频编 码的方案体系和分类，为学习视频压缩编 码技术打好基础。
➢技能目标：了解数字摄录机的结构组成和 工作原理，掌握将素材从DV转录至电脑上 的方法。
图4-2 数字摄录机方框图
摄像机部分主要由镜头、滤光器、CCD 图像传感器、取样保持电路、信号处理电路、 编码电路、同步信号发生器、自动控制电路、 CCD驱动脉冲发生器的寻像器等部分构成。
录像机部分由音频、视频信号处理电 路、伺服电路、系统控制电路等部分构成。
此外，还有为摄像和录像两部分供电 的稳压电源，为寻像器和视频电路提供显 示信息和叠加字幕的字符信号发生器，为 使用交流电及用普通彩电作监视器而配备 的交流适配器。
本书所提及的DV就是指数码摄像机。
目前，社会上流行的家用摄像机按规格 来划分可以分为三类，一类是VHS方式的摄 录一体机，这一类中的VHS-C、S-VHS、SVHS-C等具有一定的互换性。
第二类是8mm摄录一体机，高带8mm 摄录一体机也属于这一类。
第三类是数字式摄录一体机，即DV格 式的摄录机，如图4-1所示。
例如：若图像的颜色深度为1，表明位 图中每个像素只有一个颜色位，也就是只 能表示两种颜色，即黑或白，这种图像称 为单色图像。
若图像的颜色深度为4，则每个像素有4个颜 色位，可以表示16种颜色。
若图像的颜色深度为24，位图中每个像素有 24个颜色位，可包含1 677万（224=16 777 216） 种不同的颜色，这种图像称为真彩色图像。
颜色
波长范围/nm
颜色
波长范围/nm
红
620～780
绿
500～530
橙
590～620
青
470～500
黄
560～590
蓝
430～470
黄绿
530～560
紫
380～430
4.1.2 色彩
色彩（colorfulness）是光的属性，是光 投射在物体上的结果，没有光就没有颜色。
物体包含与光谱中某个波长的光相对应 的原子，这些原子吸收或削减了光谱中相应 波长的光，而反射或传送了其他部分，被反 射出的光的颜色就是人们所看到的物体的颜 色。
色彩的属性主要包括亮度、色调和色饱 和度。
亮度（luminance）也叫光亮度，是光作 用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是色 彩明暗深浅的程度，又叫亮值或色阶。
它代表光的能量强弱，由色光光波的振 幅（辐射功率）及人眼视敏度特性决定，是 指物体表面色彩反射出的光量。
色调（hue）也叫色相或色品，形容色 彩本身，如红、黄、蓝、绿等，都是色调。
5．数字图像格式
（1）JPEG （2）GIF （3）BMP （4）TIFF （5）PNG
6．数字图像格式的选择
储存各种不同的图像时，可以根据图 像本身的应用情况，选择不同的文件存储 格式，以达到既保证图像质量，又不浪费 计算机存储空间的目的。
下面，给出几种数字图像格式的应用 情况，如表4-4所示。
人眼能分辨的色调数目随着颜色的亮度 和饱和度的变化而改变，饱和度减小以及亮 度过大或过小都会使色调分辨力下降。
实验结果表明黄色的饱和度可以区分4 级，而红色则多达25级。
人眼可以分辨的颜色约有一万多种，
而在美术和印刷上经常使用的颜色才不过 几千种。
4.2.2 图像
1．图像的三要素
（1）像素（Pixel） （2）图像分辨率（Image Resolution）
假设有一张分辨率为1 024×768像素、 色彩数为16M的图片，若以85Hz的屏幕刷新 速度完美地显示出来，至少得要有一台行频 在70kHz或以上、视频宽度在95MHz左右的 显示器和一块显存在4MB以上的显示卡。
如果显示器或显示卡不能满足以上要
求，这幅图像只能在降低视频或低色彩的 情况下显示。
表4-4 数字图像格式推荐表
应用情况
推荐使用格 式
可以使用格式
幻灯片
JPEG
JPEG BMP
推荐分辨率 /dpi
800×600/72
视频显 示
计算机桌面 网络传播
印刷表 现
个人数字相 册
专业印刷输 出
BMP GIF JPEG TIFF
BMP JPEG
1 024×768/72
GIF JPEG PDF PNG 640×480/72
它是指颜色的外观，用于区别颜色的 名称或颜色的种类，是视觉系统对一个区 域呈现的颜色的感觉。
色调由作用到人眼的入射光波长（频 率）成分决定。
色饱和度（saturation）又称色纯度， 是色彩的纯洁性，即色彩的纯粹程度。
它可以用来区别颜色明暗的程度。
完全饱和的颜色是指没有掺入白光所 呈现的颜色，掺入其他色光的颜色不仅饱 和度下降，而且连色调也会改变。
越接近标准色，其纯度越高，饱和度 越高。
饱和度（纯度）在视觉上表现为色彩 的鲜艳、鲜明。
4.2 视觉与图像
4.2.1 视觉现象
光线是人们能看到物体的必要条件。 在光线到达视网膜的视觉细胞之前， 光线要通过角膜、水状体、虹膜、水晶体、 玻璃体。
光线到达视网膜后，大脑依据色彩、 形式、纵深和位移4种基本视觉信号以极快 的速度对光线进行理解并作出相应反应， 我们称之为视觉现象。
典型设备：DV（数字摄录机）
随着生活水平的提高，越来越多的家 庭拥有了DV机。
“DV”是英文“Digital Video”的缩写， 直译为“数字视频”。
它包含两层含义。
一是指消费类数字视频的一种标准。
除了DV格式之外还有MICROMV格 式以及专业级的DVCAM和DVCPRO格式。
另一方面是指用数字信号来记录影像 数据的摄录机—数码摄像机，简称DV机。
JPEG BMP
800×600/72
TIFF JPEG PSD
300以上
4.3 视频
在了解了图像以及图像的一些特点之后， 我们就比较容易理解视频以及视频信号的特 点了。
视频是由许多幅按时间序列构成的连续 图像，每一幅图像称为一帧（Frame）。
视频记录的是来自光源辐射光或场景 中的反射光经平面投影后的光强度随时间 变化的信号，可以认为是一个图像序列， 由于每一帧的图像内容可能不同，故这个 图像序列看起来就是活动图像了。
4.1 光与色
4.1.1 光的特性与度量
眼睛感知的图像是通过光波传递的， 人眼所看到的颜色是“色源”的一定光谱 成分作用于人眼的视觉刺激效果，可分为 来自发光体的色（光源色）和非发光体的 物体色（表面色）两种。
大部分自然景物的颜色取决于它在特定
光源照射下不透明物体所反射或者透明、半 透明物体透射的光谱成分，也就是说取决于 照明光源的光谱以及景物的反射或透射的物 理性质。
除光源外，自然界各种物体的亮度取 决于它所反射的光的强弱，在相同的光照 下则决定于它所具有的反射系数。
大部分景物的对比度不超过100。
2．颜色的辨别
颜色分为非彩色和彩色两类。 非彩色指黑色、白色以及黑白之间深 浅不同的灰色，也称为黑白系列。 颜色有亮度或明度、色调、色饱和度 三个心理属性。 色调是彩色最重要的特征，以色光中 占优势的主波长（即色调波长）光的颜色 决定。
对于大多数图像信息系统来说，成像 设备将物体的光像转变成相应的电信号， 系统在对电信号经过某些处理和传输后再 由显像设备重现光像。
因此光的特性直接影响到图像的质量 和视觉效果，这里有必要首先简要介绍光 和光源的一些基本特性和光的度量。
图4-3 电磁波波谱与适用的传感器
表4-1 光谱颜色的波长范围
显示器（显像管）的分辨率是指显示器屏 幕上的像素量，表示显示器分辨率的方法两种。
① 信息总量法 ② 计点数/线数法
（3）颜色深度
位图中各像素的颜色信息用若干数据 位来表示，这些数据的个数称为图像的颜 色深度（或图像深度）。
颜色深度决定了位图中出现的最大颜 色数。
目前图像的颜色深度有以下几种，即1、 4、8、16、24、32。
4．数字图像的基本指标
（1）DPI
DPI（Dot Per Inch）：是指各类输出 设备每英寸上所产生的像素数，一般用来 表示输出设备（如打印机、绘图仪等）的 分辨率，即设备分辨率。
一台激光打印机的设备分辨率在600～ 1 200dpi之间，数值越高Biblioteka Baidu效果越好。
（2）PPI
PPI（Pixel Per Inch）：指每英寸的 像素数，它一般用于衡量图像输入设备 （如数码相机）的分辨率的高低，反映了 图像中储存信息量的多少，它决定了图像 的根本质量。
另一方面可以忽略人眼不能觉察的亮度 差别，减少传输和处理它们的代价。
通常把“从黑到白”的对比范围，即景 物或图像的最大亮度与最小亮度的比值（即 反差）称为对比度C（contrast）。
它是图像特征的重要参数之一，常用来 衡量被观察物体或图像的清晰程度。
人眼可感受的对比度在适当的平均亮度 下为1 000∶1，平均亮度很低时只有10∶1。
数字图像质量的高低，主要取决于图 像输入、输出设备的状况。
其中输入设备性能的高低，如数码相 机的CCD、镜头质量、分辨率、色位数、 存储媒体大小等，是影响图像信息源质量 的最根本因素。
输出设备（如显示器、打印机等）性 能的高低直接决定图像输出质量的好坏。
此外，显示设备的状况，直接影响图像 的显示质量。
（3）位（Bit）与颜色（Color）
在图像处理过程中，颜色由数字“位 （Bit）”来实现，它们之间的关系是：颜 色数=2n，其中n为所占的位数。
人们平常所说的真彩色，即为16位显示模 式，65 536（64k）种颜色（216=65 536）；真 彩色图像为24位显示模式下能处理1 677万 （16M）种颜色 （224=16 777 216）。