视频图象技术纵谈

视频图象技术纵谈

近年来，随着多媒体技术的飞速发展，利用多媒体计算机处理视频影象已成为现实。本毕业设计就是利用视频/图象采集卡与CCD摄像机所构成的实时视频采集系统实现实时监控的设计。因此有必要先介绍一下

有关视频的基本知识和视频/图象采集卡的情况。

有关视频的基本知识

根据三基色原理，在视频领域利用R（红）、G（绿）、B（蓝）三色不同比例的混合来表现丰富多采的现实世界。首先，通过摄像机的光敏器件像CCD（电荷耦合器件），将光信号转换成RGB三路电信号；其次，在电视机或监视器内部也使用RGB信号分别控制三支电子枪轰击荧光屏以产生影象。这样，由于摄像机中原始信号和电视机、监视器中的最终信号都是RGB信号，因此直接使用RGB信号作为视频信号的传输和记录方式会获得极高的信号质量。但这样做会极大地加宽视频带宽从而增加设备成本，且这也与现行黑白电视不兼容，因此，在实际应用中不这样做，而是按亮度方程Y=0.39R+0.5G+0.11B（PAL制）RGB信号转换成亮度信号Y和两个色差信号U（B-Y）、V（R-Y），形成YUV分量信号。此种信号利用人眼对亮度细节分辨率高而对色度细节分辨率低的特点，对U、V信号带宽压缩。U、V信号还可进一步合成一个色度信号C，进而形成Y/C记录方式。由于记录时对C信号采取降频处理，因此也称彩色降频方式。Y和C又可进一步形成复合视频（Composite），即彩色全电视信号，这种方式便于传输和电视信号的发射。将RGB信号转换成YUV信号、Y/C信号直至composite信号的过程称为编码，逆过程则为解码。由此可看出，由于转换步骤的多少，视频输出质量由YUV端口到Y/C端口到Composite端口依次降低。因此，在视频捕捉或输出时选择合适的输入、输出端口可提高视频质量。另外，还应提供同步信号以保证传送图象稳定再现。

视频影像是由一系列被称为帧的单个静止画面组成。一般帧率在24-30帧/秒时，视频运动非常平滑，而低于15帧/秒时就会有停顿感。在PAL制中，规定25帧/秒，每帧水平625扫描行（分奇数行、偶数行，即奇、偶两场，因采用隔行扫描方式）。在每一帧中，电子束由左上角隔行扫至右下角后再跳回至左上角有一个逆程期，约占整个扫描时间的8%，因此625行中有效行只有576行，即垂直分辨率576点。按现行4: 3电视标准，则水平分辨率为768点，这就是常见的一种分辨率768*576。另外，还有一种遵循CCIR601标准的PAL制，其分辨率为720*576。对于NTSC制，规定30帧/秒，525行/帧，隔行扫描，分奇、偶两场，图像大小720*486。由于PAL制与NTSC制处理方式不同，因此互不兼容。确定视频每一帧时间位置及视频片段持续时间，使用的是专门的标准时间编码格式SMPTE时间码，表示为“H：M：S：F”，即“时：分：秒：帧”。

PAL制与NTSC制一般都是模拟信号，视频捕捉卡可完成对它的A/D转换。视频捕捉卡先对输入视频信号以4:2:2格式进行采样，然后进行量化，一般对YUV（也即对RGB）各8bit量化，因而产生24位真彩。由于一帧图象数字化后数据量很大，为节省存储空间，还要对其进行压缩处理。压缩处理可分为有损压缩和无损压缩，而前者是以牺牲图象细节为代价的。压缩可由软、硬件实现，后者可实现实时压缩，而前者往往要在分辨率、颜色深度、帧率等方面做出一些牺牲。选择压缩比时，压缩比越高，图象质量越差。经过上述过程，模拟视频即变成数字视频，而这一过程的逆过程即可实现数字视频的解压缩与回放。另外，利用某些视频捕捉卡的输入、输出设置，能简单地实现PAL制与NTSC制的转换。

数字视频经解压缩后，可送入显示卡并在计算机的显示器上显示出来。为在计算机的显示器上精确显示数字视频，必须使视频显示模式与数字视频的类型相匹配。由于显象管存在着显示亮度信号的非线形，因此送入的图象信号必须预先补偿，这就是^ 校正，它只对中间色调产生影响。计算机显示器的^ 一般为1.8，而PAL制图象的^ 值大约也是1.8，影响不大；但NTSC制图象的^ 值为2.2，如果不经调整，显示图象就会发白。

视频/图象处理硬件的发展、分类与特点

视频/图象处理硬件的发展历史图象与视频是两个既有联系又有区别的概念：静止的图片称为图象（Imag e），运动的图象称为视频（Video）。图象的输入要靠扫描仪、数字照相机或摄象机；而视频的输入只能是摄象机、录象机、影碟机以及电视接收机等可以输出连续图象信号的设备。

图象与视频处理系统包括：图象与视频的输入、输出设备，通用的计算机和附加的专用处理硬件卡。不同的应用环境，所需要的硬件设备、软件环境也不同。

数字图象处理技术与图象处理系统是七十年代末期形成的一个独立学科，当时只能处理静止图象，主要用于军事、科研医学等领域。图象处理系统是为了加快处理速度而设计的专用系统，在中小型计算机控制下运行。这些系统的规模大，价格昂贵。

面向PC机的图象处理系统是八十年代中后期开始出现的。它价格便宜，易于扩充，软件丰富，因此很快得到推广，带动了图象处理技术的普及。近年来多媒体技术又使视频处理有了新的用武之地。由于现代的视频处理系统也具有图象处理功能，因此有时就不再严格区分视频与图象处理硬件了。

概括起来，面向PC机的图象、视频处理系统的发展历史已经历了三个阶段：

第一代产品（1990年之前）：专用图象处理系统。八十年代中期，PC机上开始有图象卡。但由于当时主机和总线主频低，磁盘速度、容量有限，因而限制了图象卡的发展。这一时期的图象卡功能单一，基本上只有图象采集和简单的处理功能。主要用于科学和实验研究。这一代图象系统的突出特点是一定要有一个专用的图象显示器与图象卡相连，用于显示图象，而图形是通过显示卡输出到图形显示器的，因此不便实现图形/图象的同屏显示。这一时期图象处理硬件价格昂贵，性能又不能满足多媒体系统的要求（主要是没有压缩功能），因此不能为多媒体系统所用。

第二代产品（1991—1995年）：图形/图象显示合一的多媒体系统。在理论上，从位图角度看，图形与图象是统一的，完全可以采用同一个显示器；而在多媒体中包含视频媒体也是多媒体系统设计的最初目标。在技术上，推动这一进程的动力有两个：一方面由于各种增强型VGA显示控制器和显示卡的性能提高，使得PC机有了较高显示分辨率，可以直接处理视频信息了；同时，显示存储器容量增加，价格下降，使得高分辨率图形显示卡迅速普及。另一方面是各种可编程的视频控制芯片使视频信号与图形叠加变得非常容易。这些芯片有效地解决了多制式彩色全电视信号的数字式锁相和解码技术，以及视频信号与图形信号的窗口控制，从而使视频信号的输入/输出变得简单，设计和调试变得容易。利用这些芯片推出的视频卡，实现了VGA图形与视频信号的叠加。另外，这类卡上一般都有声音输入/输出功能，没必要再单独配置声卡了。这一时期是多媒体视频硬件发展最迅速的阶段，图形与图象叠加问题的解决使图象系统真正为多媒体系统所用。各种采集卡、字幕叠加卡、压缩/解压缩卡、电影卡、电视卡层出不穷，迅速普及；各类标准如Video for Windows、MPEG-1、VCD1.1和VCD2.0的出台，使得在PC机上看影音文件甚至电影成为现实；还有通过计算机收看电视节目的电视调谐卡（TV Tuner）、将VGA输出信号编码为电视信号的TV Coder等。

第三代产品（1996年之后）：多种功能集成化的多媒体系统。系统集成是现代技术的主要趋势，多媒体本身就是技术集成的产物。近年来，多媒体视频硬件主要在两个领域发展。第一是与网络通信技术结合，由视频采集卡附加网络通信卡构成的多媒体视频会议、S可视电话、视频邮件、多媒体通信终端等。到本世纪末和下世纪初，基于宽带多媒体通信网络的交互式电视（ITV）、点播电视（VOD）以及远程教育系统、远程医疗诊断系统、远程电子图书馆等新技术将付诸实施，通过交互电视的机顶盒（STB）实现网络浏览、电视购物、收看VOD节目等，最终走向电视、电脑与电信的三电合一的目的。第二方面是与影视制作技术