第二章___数字视频采样之二(数字视频基础)
数字视频基础知识
数字视频基础知识数字视频是现代社会中广泛应用的一种媒体形式。
它以数字信号为基础，通过图像编码、传输和解码等技术，实现对视频图像的采集、处理和展示。
数字视频的应用领域涉及电视、电影、广告、网络视频等众多领域。
本文将介绍数字视频的基础知识，包括视频编码、视频格式、视频分辨率和帧率等方面。
一、视频编码数字视频的编码技术是将连续的视频图像序列转化为数字信号的过程。
常见的视频编码标准有MPEG-2、H.264、H.265等。
这些编码标准通过对图像进行压缩，实现了视频数据的高效传输和存储。
视频编码的核心原理是空间和时间的冗余性去除，即通过图像的相似性和相邻帧之间的相关性，减少视频数据的冗余程度。
二、视频格式视频格式是指数码视频文件的存储和传输格式。
常见的视频格式包括AVI、MOV、MP4、MKV等。
这些格式不仅包含视频数据，还可以携带音频数据、字幕等相关信息。
不同的视频格式适用于不同的应用场景，选择合适的视频格式可以提高视频的传输和播放效果。
三、视频分辨率视频分辨率是指视频图像的大小和清晰度程度，通常以像素为单位来表示。
常见的视频分辨率有1080p、720p、480p等。
数字视频的分辨率决定了图像的细节和清晰度，高分辨率的视频图像能够更真实地还原真实场景，但也需要更大的存储和传输带宽。
四、帧率帧率是指视频中每秒显示的图像帧数。
常见的帧率有24fps、30fps、60fps等。
帧率的选择直接影响到视频图像的流畅度和感官效果。
较低的帧率可能导致视频卡顿和画面不连贯，而较高的帧率则能够呈现出更加细腻和流畅的动态效果。
五、视频编解码器视频编解码器是视频编码和解码的工具软件或硬件。
常见的视频编解码器有X264、X265、FFmpeg等。
视频编解码器的作用是将视频数据进行压缩编码和解码还原，实现视频文件的传输和播放。
六、数字视频的应用数字视频在现代社会中有着广泛的应用。
电视、电影、广告等传统媒体领域，数字视频成为了主流媒体形式。
数字视频基础知识
第三章数字视频基础知识3.1 视频的基础知识在人类接受的信息中，有70%来自视觉，其中视频是最直观、最具体、信息量最丰富的。
我们在日常生活中看到的电视、电影、VCD、DVD以及用摄像机、手机等拍摄的活动图像等都属于视频的范畴。
摄影机是指用胶片拍摄电影的机器，摄像机是用磁带、光盘、硬盘等作为界质记录活动影像的机器，广泛用于电视节目制作、家庭及其他各个方面。
摄影机使用胶片和机械装置记录活动影像，所采用的是光学和化学记录方式，摄象机是采用电子记录方式。
1 视频的定义⏹视频(Video)就其本质而言，是内容随时间变化的一组动态图像(25或30帧/秒)，所以视频又叫作运动图像或活动图像。
⏹一帧就是一幅静态画面，快速连续地显示帧，便能形运动的图像，每秒钟显示帧数越多，即帧频越高，所显示的动作就会越流畅。
『视觉暂留现象』⏹人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留现象”。
☐具体应用是电影的拍摄和放映。
☐根据实验人们发现要想看到连续不闪烁的画面，帧与帧之间的时间间隔最少要达到是二十四分之一秒。
⏹视频信号具有以下特点：☐内容随时间而变化☐有与画面动作同步的声音(伴音)⏹图像与视频是两个既有联系又有区别的概念：静止的图片称为图像(Image)，运动的图像称为视频(Video)。
⏹图像与视频两者的信源方式不同，图像的输入靠扫描仪、数字照相机等设备；视频的输入是电视接收机、摄象机、录象机、影碟机以及可以输出连续图像信号的设备。
2.视频的分类⏹按照处理方式的不同，视频分为模拟视频和数字视频。
⏹模拟视频（Analog Video）☐模拟视频是用于传输图像和声音的随时间连续变化的电信号。
早期视频的记录、存储和传输都采用模拟方式，如在电视上所见到的视频图像是以一种模拟电信号的形式来记录的，并依靠模拟调幅的手段在空间传播，再用盒式磁带录像机将其作为模拟信号存放在磁带上。
第二讲 数字视频知识
第二讲 数字视频知识
DV选购的重要指标 一般的数码摄像机都标明了水平清晰度的大小，普遍等于或者高于500 行线数。 而我们看到一些佳能的数码摄像机，标着PAL制电视机625行是标称垂直 分解力，其实除去逆程的50行外，实际的有效垂直分解力为575线。 水平分解力最高可达575x4/3=766线。 购买数码摄相机的时候，水平清晰度是一个很重要的参考标准。 一台数码摄像机的成像质量，由它的CCD像素、CCD尺寸、感光器件个数 和水平清晰度决定。
影视非线性编辑
ADOBE PREMIERE
第二讲 数字视频知识
一、数字视频基本概念 1、模拟信号 数字信号
二进制信息描述 通过空气、电缆传播 每复制和传播一次都会衰减 会混入噪波 以间隔的、精确的点的形式传播 可以轻易区分原始信号和噪波
第二讲 数字视频知识
一、数字视频基本概念 1、由模拟时代向数字时代全面转变 收看方式： 模拟电视 ——数字有线电视/数字卫星节目
第二讲 数字视频知识
一、数字视频基本概念 2、帧速率和场 先有场后有帧 PAL制式：分别隔一场抽掉奇数行和偶数行
被抽掉奇数场的偶数场
被抽掉偶数场的奇数场
第二讲 数字视频知识
一、数字视频基本概念 2、帧速率和场 大部分广播视频为交错扫描场
被抽掉的部分就成了黑场(局部放大显示)
第二讲 数字视频知识
编辑方式： 模拟编辑（磁带到磁带）——数字非线性编辑
第二讲 数字视频知识
一、数字视频基本概念 2、帧速率和场 每秒钟显示的图片数量—— 帧速率 传统的帧速率：24帧/秒 美/加/日/韩/台——29.97帧/秒——NTSC(525线-480可视) ——720X480 澳/中/欧/南美 ——25帧/秒 ——PAL(625线-576可视) ——720X576 法国/部分非洲 ——25帧/秒 ——SECAM(625线-576可视)——720X576 我们看到的视频画面，实际是被水平分割成625行的单个画面通过数据包在 屏幕上快速扫描出来(分为逐行扫描和隔行扫描)，形成肉眼看到的画面， 每秒50场 简单的说，就是每秒钟是50个画面，每个画面被分割成625行。
数字视频基础
1. CCIR 601号建议CCIR：Consultative Committee of International Radio（国际无线电咨询委员会）CCIR是国际无线电咨询委员会的简称。
成立于1927年，是国际电信联盟（ITU）的常设机构之一。
主要职责是研究无线电通信和技术业务问题，并对这类问题通过建议书。
从1993年3月1日起，与国际频率登记委员会（IFRB）合并，成为现今国际电信联盟（ITU）无线电通信部门，简称ITU-R。
在1982年2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第15次全会上，通过了601号建议，确定以分量编码为基础, 即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。
该标准规定:1) 不管是PAL制，还是NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。
2) 抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为10bit, 用于传输为8bit。
3) Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4:2:2。
在1983年9月召开的国际无线电咨询委员会(CCIR)中期会议上，又作了三点补充：1) 明确规定编码信号是经过γ预校正的Y、R-Y、B-Y信号；2) 相应于量化级0和255的码字专用于同步，1到254的量化级用于视频信号；3) 进一步明确了模拟与数字行的对应关系，并规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔，对525行、60场／秒制式来说为16个样点；对625行、50场/秒制式则为12 个样点。
不论625行／50场或525行／60场，其数字有效行的亮度样点数都是720，色差信号的样点数均是360，这是为了便于制式转换。
若亮度样点数被2除，就得到色差信号的数据。
601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。
它对彩色电视信号的编码方式、取样频率、取样结构都作了明确的规定。
它规定彩色电视信号采用分量编码。
数字音视频技术讲义第二章 数字视频基础
2.2 光和电磁波谱--• 人类感受到的可见光的彩色范围占电磁 波的一小部分。 • 电磁波可用波长、频率或能量来描述。
2.3 图像感知和获取
• 各类图像都是由“照射”源和形成图像 的“场景”元素对光能的反射与吸收相 结合而产生的。 • 照射可由电磁能源产生：如雷达、红外 线、X射线。---, • 照射可由非传统光源产生：如超声波、 计算机产生的照射模式。 • 把照射量变为数字图像的三种主要传感 器装置。如下图2.12。---,
• 人眼的锥状细胞是彩色视觉的传感器， 实验结果已确定人眼中的6~7百万个锥状 细胞可分别对应于红（65%，700nm ）、 绿 （ 33% ， 546.1nm ） 、 蓝 （ 2% ， 435.8nm ）3个视觉。 • CIE标准只是实验数据的近似，没有单--。 • 图2.2.6显示了人眼对红、绿、蓝光吸收 的平均试验曲线。 • 当 λ ＜ 400nm或 λ ＞760nm时，V（λ ） =0，说明了人眼已没有亮度感觉。
2.4.2 数字图像表示
• 取样和量化的结果是一个实际矩阵。 • 假如一幅图像f(x,y)被取样，则产生的数 字图像有p行q列。 • 坐标（x,y）的值是离散量，对离散坐标 量取整。 • 原点的坐标值是（x,y）=（0,0）其它依 次类推。
2.4.3 空间和灰度级分别率 • 取样值是决定一幅图形空间分辨率的主 要参数。 • 灰度级分辨率是指灰度级别中可分辨的 最小变化。 • 考虑到硬件方面的因素，灰度级数通常 是2的整数次幂，一般取8比特。 • 通常把大小为P*Q，灰度为L的数字图像 称为空间分辩率为P*Q像素、灰度级分 辩率为L的数字图像。
2.5 三基色原理
• 根据人眼的视觉特性，在彩色重现过程 中，并不要求恢复原景物辐射光的光谱 成分，重要的是应获得与原景物相同的 彩色感觉。 • 比若，某一单色光的彩色感觉，也可以 由不同光谱分布的色光的组合而成。
[图文]数字视频基础知识简介
![[图文]数字视频基础知识简介](https://img.taocdn.com/s3/m/4ca5b780bceb19e8b8f6ba7f.png)
[图文]数字视频基础知识简介一、数字视频的采样格式及数字化标准模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合的YUV信号方式，而计算机工作在RGB空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。
因此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。
模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模／数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。
（一）、数字视频的采样格式根据电视信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。
因此其数字化时可采用幅色采样法，即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。
用Y：U：V来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有4：1：1、4：2：2和4：4：4三种。
电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。
分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。
（二）、数字视频标准为了在PAL、NTSC和 SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数，国家无线电咨询委员会（CCIR）制定了广播级质量的数字电视编码标准，称为CCIR 601标准。
在该标准中，对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定，主要有：1、采样频率为f s＝13.5MHz2、分辨率与帧率3、根据f s的采样率，在不同的采样格式下计算出数字视频的数据量：这种未压缩的数字视频数据量对于目前的计算机和网络来说无论是存储或传输都是不现实的，因此在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。
（三）、视频序列的SMPTE表示单位通常用时间码来识别和记录视频数据流中的每一帧，从一段视频的起始帧到终止帧，其间的每一帧都有一个唯一的时间码地址。
《数字视频基础》课件
数字视频的应用
广告和宣传
数字视频广告可以更好地吸引 受众的视线，并且可以非常灵 活地进行投放和更改。
教育和培训
数字视频可以帮助教师更好地 展示知识点，学生可以通过视 频进行自学和巩固。
影视制作
数字视频技术已经成为影视制 作的主流工具，可以大大提高 后期处理效率。
总结
1
未来发展趋势
数字视频技术将继续优化，其中包括
意义
2
更好的压缩算法和更快的传输速度等。
数字视频已经深刻地改变了我们的生
活和工作，它使得信息传递更加方便
高效。
3
挑战和机遇
数字视频技术的发展还面临着许多挑 战，如视频质量、安全性和规范性等 问题，但这也带来了巨大的机遇。
2 采集设备
视频采集设备有摄像机、采集卡、网络摄像头等，不同设备适用于不同场景。
3 视频处理技术
视频处理技术包括去噪、增强、稳定等技术，能够提高视频的质量和美观度。
数字视频的传输
1
传输协议
2
数字视频传输协议有RTP、RTSP、
RTMP等，不同协议适用于不同场景。
3
基本原理
数字视频的传输是将数字信号通过网 络传输到目标设备的过程，需要考虑 信号质量和实时性等因素。
数字视频基础课件
数字视频已经成为我们日常生活中的重要组成部分。
介绍数字视频
定义
数字视频是指由数字方式记录、处理、存储和传输的视频信号。
优点
数字视频具有良好的压缩性能和高保真度，同时还可以方便地进行编辑和传输。
应用领域
数字视频广泛应用于电视、影视、广告、教育、医疗等各个领域。
数字视频的格式
编解码器
传输效率
《数字媒体技术概论》习题集
第一章数字媒体技术概论一、填空题1、对于媒体的含义，可以从_______和________两个范畴理解。
(传递信息的载体、存储信息的实体）2、国际电信联盟定义了五种媒体，它们分别是_______、_______、_______、_______和________。
(感觉媒体，表示媒体,显示媒体，存储媒体，传输媒体)3、计算机记录和传播的信息媒体的一个共同的重要特点就是信息的最小单元是_______.(比特）4、数字媒体的特点有_______、_______、_______、_______和________.（数字化,交互性，趣味性，集成性，技术与艺术的融合）5、数字媒体概念第二章数字音频技术基础一、单项选择1、声音的数字化过程不包括（）。
AA．解码B．采样C．编码D．量化2、下列文件格式属于音频格式的是（).BA．ASF B．W A V C．MOV D．RMVB3、下列采集的波形声音质量最好的是( )。
BA．单声道、16位量化、22.05kHz采样频率B．双声道、16位量化、44.1kHz采样频率C．单声道、8位量化、22.05kHz采样频率D．双声道、8位量化、44.1kHz采样频率4、下列软件不是音频专业处理软件的是（）。
CA．Cool Edit B．Adobe Audition C．Auto CAD D．Vegas Audio5、以下的采样频率中，（）是目前声卡所支持的.DA．100kHz B．20kHz C．22。
5kHz D．48kHz6、在PC中播放音频文件必须安装下列( ）设备。
CA．网络适配卡器B．视频卡C．声卡D．光驱7、模拟音频处理设备不包括（）。
DA．音箱B．话筒C．模拟调音台D．声卡二、填空题2、按照声音的来源及作用，可分为______、_______和________。
（人声、乐音、响音)3、人耳可感受声音频率的范围为20—20000Hz。
声音高于20000Hz为_______,低于20Hz为_______.（超声波、次声波）4、话筒的主要功能就是________。
第二章 数字视频描述
2.1
颜色感知和表示
3、彩色混合的三基色原理
三基色原理： 三基色原理：任何一种颜色可以通过三基色 按不同比例混合得到。 按不同比例混合得到。 • 照明光源的基色系包括红色、绿色和蓝色， 照明光源的基色系包括红色 绿色和蓝色， 的基色系包括红色、 称为RGB基色。 RGB基色 称为RGB基色。 • 反射光源的基色系包括青色、品色和黄色， 反射光源的基色系包括青色 品色和黄色， 的基色系包括青色、 称为CMY基色。 CMY基色 称为CMY基色。 RGB和CMY基色系是互补的 基色系是互补的， RGB和CMY基色系是互补的，也就是说混 合一个色系中的两种彩色会产生另外一个色 系中的一种彩色。 系中的一种彩色。
2.1
颜色感知和表示
三类锥状细胞其峰值分别位于红色(570nm附 三类锥状细胞其峰值分别位于红色(570nm附 (570nm 绿色(535nm附近)和蓝色(445nm附近) (535nm附近 (445nm附近 近)、绿色(535nm附近)和蓝色(445nm附近)波 它们的组合可以使人类感知任何彩色， 长，它们的组合可以使人类感知任何彩色，这 就是彩色视觉的三感光细胞原理。 就是彩色视觉的三感光细胞原理。
数字视频定义的YCbCr 数字彩色信号与模拟 数字视频定义的 YCbCr数字彩色信号与模拟 YCbCr RGB信号之间的转换关系如下 信号之间的转换关系如下： RGB信号之间的转换关系如下：
Y Cb Cr R G B = 0.257 0.504 0.098 -0.148 -0.291 0.439 0.439 -0.368 -0.071 1.164 0.000 1.596 1.164 -0.392 -0.813 1.164 2.017 0.000 R G B + 16 128 128
数字视频基础知识3——YCbCr采样格式
数字视频基础知识3——YCbCr采样格式llj1985数字视频基础知识3——YCbCr采样格式1.YUV与YCbCr的区别YUV色彩模型来源于RGB模型，该模型的特点是将亮度和色度分离开，从而适合于图像处理领域。
应用：basic color model used in analogue color TV broadcasting。
YCbCr模型来源于YUV模型。
YCbCr is a scaled and offset version of the YUV color space。
应用：数字视频，ITU-R BT.601 recommendation。
通过上面的比较可以确定，我们在h.264,mpeg等编码标准中用的YUV其实是YCbCr，大家不要被名称搞混淆了。
2.YCbCr主要的采样格式人类的视觉系统（HVS）对色度的敏感程度低于亮度，所以，色度频道的采样率可比Y频道低，同时不会明显降低视觉质量，从而达到了压缩的目的。
主要的采样格式有YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:2:0和YCbCr 4:1:1。
MPEG-4和H.264支持前三种采样格式，YCbCr 4:2:2用于高质量的彩色视频中；应用最广泛的是YCbCr 4:2:0，比如视频会议、数字电视、DVD等，用与PAL制式；YCbCr 4:1:1则多用于后者用于NTSC制的DV数据中。
（1） YUV 4:4:4 24bit/pixelYUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量通常8比特），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节。
下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3（2） YUV 4:2:2 16bit/pixel每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。
第2章 数字视频信号的获取与数字摄像机
第2章数字视频信号的获取与数字摄像机数字电视系统中，信源部分产生数字声像信号，通过对声像信号的处理、传送等过程，实现数字电视的接收。
电视信号的摄取是数字电视完整体系的基础之一，也是声像得以高质量恢复的关键。
2.1 数字视频概述2.1.1视频与模拟视频1．视频视频简单地说就是活动图像。
电影也是活动图像，电影把大量静止图像记录在胶片上，一张一张地连续显示出来，就成了我们看到的电影。
对于电视视频，每秒钟包含几十帧静止图像，每一帧静止图像由几百个行组成，每一行又由几百个像素点组成。
1秒钟包含的图像帧数为帧频，1秒钟包含的总行数为行频，1秒钟包含的总像素数实际上就是相当于视频带宽。
2．模拟视频（1）黑白视频信号我国的黑白视频信号帧频为25 Hz，就是说每秒显示25幅图像，之所以规定为25 Hz，而不是其它的某个值，主要是因为两个原因。
一个与人的视觉生理特点有关，当图像的刷新速度达到5帧/秒的时候，人开始感觉图像是活动的，而达到24帧/秒的时候，人感觉图像是完全连续和流畅的（电影所使用的帧频就是24 Hz），所以视频信号帧频应大于等于24 Hz。
理论上来说帧频越高越好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，成本也越高（现在有的电脑彩显帧频已达到200Hz）。
另一个原因是因为我国的电网频率是50Hz，当采用25 Hz帧频时，隔行扫描时的场频为50 Hz，正好与电网同频，这样，电源对图像的干扰是固定的，人眼不容易感觉出来。
“场频”，电视在显示图像的时候，把一帧分成了两场来显示，一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场，另一个场由帧中的偶数行组成，叫做偶场。
之所以要这样做，主要是因为在CRT显像管上一秒钟显示25帧图像时，人眼感觉到连续性还是不太好，而且还有明显的闪烁，一帧分成两场后，场频为50 Hz，图像更加连续。
当然还与电路设计有关。
我国的黑白视频信号规定每帧图像共625行，每场为312.5行，行频15625 Hz，视频带宽6MHz。
第二章___数字视频描述(数字视频基础)
2.1
颜色感知和表示
原图像
Y 分量图像
I 分量图像
Q 分量图像
2.1
颜色感知和表示
YCbCr（数字彩色电视）
ITU-R BT.60l数字视频标准定义了一个 YCbCr数字彩色坐标空间，Y、Cb 、Cr 分量 是模拟 Y、U 和 V 分量的伸缩和移位形式。
2.1
颜色感知和表示
RGB 颜色空间 & YUV颜色空间对照
2.2
视频捕捉和显示
二、视频摄像机 目前所有的模拟摄像机都是一帧一帧地 捕捉视频，帧与帧之间有一定的时间间隔， 摄像机镜头把场景中的图像聚焦到摄像机的 光敏表面，然后由它将光信号转换成电信号。 当前摄像机有两类基本类型： 1、基于光电管的摄像机，例如光导摄像管、 氧化铅摄像管或正析摄像管。 2、基于固态传感器的摄像机，例如电荷耦合 器件(CCD)。
2.3
模拟视频
fs, y
2、行数（行/帧 或 行/高）——
行数是指垂直方向上的采样率，它也是 影响视频质量的关键因素。
• 在模拟电视中，采用的行数大约为 500～600。 • 计 算 机 显 示 器 则 采 用 更 高 的 行 数 (例如SVGA显示器有1024行)。
2.3
① 行率（行/秒）——
数字视频技术
唐浩漾
thaoyang@
第二部分 数字视频基础
第二讲 数字视频描述
第三讲 第四讲
数字视频采集 数字视频模型
第二章
数字视频描述
• 颜色感知和表示
• 视频捕捉和显示 • 模拟视频
• 数字视频
第二章
数字视频描述
2.1 颜色感知和表示
视频信号是一个二维图像序列，它是运动的 三维场景在摄像机图像平面上的投影。我们得到 的画面中任一点的颜色是与所观察场景中特定的 三维点处发出或反射的光相关联的。
第二章___数字视频采样之二(数字视频基础)
采样的数学模型： 在时域： x p (t )
x(t ) p(t )
x(t )
x p (t )
p(t )
1 X ( j ) P( j ) 在频域: X p ( j ) 2
冲激串采样(理想采样):
p(t )
n
(t nT )
T 为采样间隔
x p (t ) x(t ) p(t ) x(t ) (t nT )
证明：
根据讲述的量化失真度量公式，得
2 q L 1 i 0 zi 1 zi
D
zi zi 1
f gi p f df
2 2
zL
L1
z1 z0
f g0 p f df
2 z2 z1 2
f gi 1 p f df z f gL1
2 1 1
o
1 2 1
视频信号采样
理想采样: 采样脉冲 sT (t )是周期为 Ts 的单位冲激序 列 T (t，即： ) T (t ) (t nTs )
n
13
视频信号采样
采样频率的选取对信号恢复的影响
fs 2 fm fs 2 fm
zi zi 1 gi gi 1
gi ( zi zi 1 ) / 2
设 f 的概率密度函数为均匀分布
1 / B, p( f ) 0,
2 q
f ( f min , f max ) other
2 1 B2 量化误差为： 12 12 L2 量化层数L越大，则量化误差越小。但编码所需比特数也越大
数字视频基础
§1. 3.1 图像质量评价标准
客观测量——相对评估和绝对评估
相对评估：将压缩或经传输的视频与原始视 频比较以获得相对评估指标值，由此评估图 像质量；一般用于视频制作时的质量评估， 准确性高；
均方根误差（MSE） 峰值信噪比（PSNR）
绝对评估：直接对压缩或经传输的视频进行 评估获得指标值，由此评估图像质量；一般 在线观看测试，准确性稍低。
1.逐行扫描
2.隔行扫描
电视扫描术语
每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫 描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称 帧频fF。ff和fF是两个不同的概念。
PAL电视制式的扫描特性
625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/ 帧)
高宽比(aspect ratio)：4:3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 颜色模型：YUV
§1. 3.2 视频传输质量评估
在通信和互联网应用中信源端和接收端对图像 质量主要影响因素：
可用带宽：衡量用户从网络取得互联网视频应用 数据的能力；
延时：延迟超出缓存能力时，会发生丢包，影响 图像质量；
丢包：导致图像质量劣化的最根本原因； 码率波动：播放视频时接收端要求稳定码流，码
固定像素（非CRT）、具有4：3宽高比的消 费类显示器通过转换后，对应于720×480p或 720×576p的有效分辨率；
对于16：9的宽高比，转换后的有效分辨率对 应于960×480p或960×576p。
§1.2.3 高清晰度
高清晰度视频通常定义为具有720逐行 （720p）或1080隔行（1080i）有效扫描线的 视频；
制式的含义
一帧图像的总行数为625，分两场扫描。行扫描频 率是15 625 Hz，周期为64μs；
[图文]数字视频基础知识简介.doc
![[图文]数字视频基础知识简介.doc](https://img.taocdn.com/s3/m/d97277a476c66137ef061929.png)
［图文］数字视频基础知识简介一、数字视频的采样格式及数字化标准模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合的YUV信号方式，而计算机工作在RGB空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器人多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。
因此,模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。
模拟视频一•般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到'TV或YIQ 分量，然后用三个模/数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。
（一）、数字视频的采样格式根据电视信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。
因此其数字化时可采用幅色采样法，即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。
用Y： U： V来表示YUV三分量的采样比例,则数字视频的采样格式分别有4： 1： 1、4： 2： 2和4： 4： 4三种。
电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。
分量采样时采到的是隔行样本点，耍把隔行样本组合成逐行样本,然后进行样本点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。
（二）、数字视频标准为了在PAL、NTSC和SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数，国家无线电咨询委员会（CCIR）制定了广播级质量的数字电视编码标准，称为CCIR 601标准。
在该标准中，对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定，主要有：1、采样频率为f < 5=13. 5MIIz2、分辨率与帧率电视制式分辨率帧率NTSC 640X480 30PAL、 SECAM 768X576 253、根据f s的采样率，在不同的采样格式下计算出数字视频的数据量: 釆样格式（Y： U： V）数据量（Mbyte / s）4： 2： 2 274： 4： 440这种未压缩的数字视频数据量对于日前的计算机和网络來说无论是存储或传输都是不现实的，因此在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。
数字视频基础知识
5 、视频压缩（1 ）数据压缩：是将一个文件的数据容量减小，而又基本保持原来文件的内容。
（2 ）数据压缩的依据空间冗余：如图像中有许多颜色相同或相近的连续像素组成的区域，像素间具有强相关性. 时间冗余：序列图像中，相邻帧间有强相关性。
视觉冗余：图像的某些信息超出人眼的接受力。
结构冗余：图像存在明显分布状态知识冗余：有些图像的结构可由先验知识或背景知识得到。
（3 ）数据压缩的类型无损压缩：解压后的数据可以完全复原。
一般利用数据之间的相关性，将相同或相似的数据特征归类，以减少数据量。
如基于空间冗余或时间冗余。
有损压缩：解压后的数据不能完全复原。
一般利用人的视觉和听觉的特性，针对性地简化不重要的信息，以减少数据。
如基于视觉冗余。
（5 ）视频压缩视频压缩：指以尽可能少的比特数代表视频中所包含信息的技术。
数字视频的来源利用计算机生成，如3Dmax 、PR 利用数码摄像机进行拍摄并获取通过视频采集卡把模拟视频转换为数字视频模拟视频的数字化：采样：每秒采多少幅画面，每幅画面采多少个点量化：编码压缩：采用一定格式记录数据、压缩回放时：解压缩－还原多媒体数据的压缩、解压缩过程：多媒体－压缩－存储－传输－解压缩－还原思考：模拟音频数字化的过程？采样：每秒采多少个点采样频率量化：编码压缩：采用一定格式记录数据、压缩回放时：解压缩－还原（6 ）常见的视频压缩方式mpg 文件压缩方式:（MPEG ：moving picture experts group ）MPEG-1 标准(1991) MPEG-2 标准(1993) MPEG-4 多媒体交互新标准：MP4 (1999) MPEG-1 与MPEG-2 标准推出后，工作组试图推出MPEG-3 标准以支持数字电视的应用。
但发现MPEG-2 已能很好地胜任这一工作，于是取消了MPEG-3 。
MP3 就是一种音频压缩技术，由于这种压缩方式的全称叫MPEG Audio Layer3 ，所以人们把它简称为MP3 。
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f
df L
zL zL1
f gL1 2 p( f )df
现在要对此多元方程求 D 的极小值，根据拉格郎日极值 定理，分别对 zi 及 gi 求偏导，并使之为 0，得：
D zi
zi
g 2 i 1
p
f
zi
gi 2
p
f
0
D 2 zi1
gi
zi
f gi
p
f
df 0
求解上述方程得：
Ts 1/ fs 称为奈奎斯特间隔
9
采样的数学模型：
x(t)
xp (t)
在时域：x p (t) x(t) p(t)
在频域:
X p ( j)
1
2
X ( j) P( j)
p(t)
冲激串采样(理想采样):
p(t) (t nT ) T 为采样间隔
n
xp(t) x(t) p(t) x(t) (t nT )
D MSQE E[( f Q( f ))2 ] min
结果：Lloyd-Max 最佳均方量化器（MMSE，Lloyd 1957; Max 1960）
L-1 个判决电平(门限)精确地位于量化电平之间的中点
zi
gi 1 gi 2
i 1, 2, ..., L 1
L 个 量化电平位于 两个连续判决电平之间的质心
设 f 的概率密度函数为均匀分布
1/ B,
p(
f
)
0,
f ( fmin, fmax) other
量化误差为：
2 q
2 12
1 12
B2 L2
量化层数L越大，则量化误差越小。但编码所需比特数也越大
Lloyd-Max 标量量化器-最佳均方量化器 MMSE
问题：信号 f 的概率密度函数为 p(f) ，设计一个 L 个输 出电平的量化器，以均方误差作为评判标准，使其最小：
视频信号采样
模拟视频信号在时空上的离散化
一维采样
在一系列离散点上对连续信号抽采样值
采样信号
原始模拟信号
周期性采样脉冲
fT (t) f (t) sT (t)
采样定理
给定一个随时间变化的模拟信号，其频率 f fm ，如
果采样频率 f s
2
f
则
m
f
(t ) 可以由采样信号唯一确定
（无失真地恢复原信号）
(a) 原信号 (b) 插入零值后的信号 (a) 原信号 (b) 插入零值后的信号
视频采样率转换
然后再对 U( f ) 信号进行低通滤波，插入滤波的目的
在于消除因填零过程中引起的“复制”。在时间域内，滤
波操作可以看作是u(n) 经过一个平滑运算使得零采样值
被非零值所代替。若低通滤波器选用理想的低通滤波器，
z0
z1 z2 z3 z4
fmin
z5 z6 z7 … zL f
fmax
zi 为判决电平
Q(f)
g L1
g i 为量化电平
g6 … g5
z0
z1 z2 z3
g4
fmin
g0
g1 g2
g3 z4 z5 z6
z7 … zL
fmax
23
视频信号量化
量化失真测度
均方误差 绝对值误差 加权绝对值误差
其他噪声 插入噪声、抖动噪声等
18
视频信号采样
❖ 基于采样定理，如果采用立方体点阵，每维上的 采样率至少应为该方向上最高频率的两倍。
❖ 另一方面，人眼不能分辨超过一定截止频率的空 间和时间变化。 因此，尽管信号的最高频率可能变化相当大，而视觉
截止频率（即可以被HVS观察到的空间和时间的最高频率） 应该是确定视频采样率的决定因素，不需要包含这些值以 外的频率成分。
zi
gi1 gi 2
fp zi1
, i 1, 2, ..., L 1
f df
gi
zi
p zi 1
zi
f
, i 1, ..., L df
Lloyd-Max 标量量化器的设计
基本思想：前面介绍的最佳量化器条件，即最小均方误 差（MMSE）量化器的中心和质心条件。
zi
gi1 gi 2
电视制作的节目。
数字视频由一种格式变换至另一种格式的工 作被称为标准变换。标准变换是三维采样结构变 换的问题，通常采用时间和空间的插值和抽取的 方法。
视频采样率转换
一、一维信号的采样速率转换 在一维信号处理中
❖ 增加采样率的过程称为信号的“插值”， 也称为上采样；
❖ 减少采样率的过程称为信号的“抽取”， 也称为下采样。
提纲
视频信号采样 视频信号量化 视频采样率转换
20
视频信号量化
采样后所得到的信号在时间-空间上是离 散的，但在幅度上仍然是连续的
量化：将无限级的信号幅度变换成有限级 的数码表示
量化器：按照一定规则对采样信号的幅度 值作近似表示有限离散值
量化误差，量化失真（噪声）
21
视频信号量化
量化的用途
33
视频采样率转换
视频采样率转换 对于多媒体信息（如语言、视频、数据等）
的传输，由于它们的频率各不相同，采样率也就 不同，所以有时需要进行采样率的相互转换。在 视频系统中经常需要把视频信号从一种格式（指 空间和时间分辨率）转换为另一种格式，即采样 率的转换。
视频采样率转换
❖ 在NTSC制系统中显示PAL视频信号； ❖ 将电影转换为NTSC制视频信号显示； ❖ 将计算机屏幕上显示的视频信号转换为
视频信号的量化
非均匀量化 在一定的比特率下，为了减少量化误差，往往
采用非均匀量化方式，通常有两种情况。 ① 基于人的视觉特性要求，由于人眼的掩
盖效应，对于亮度值急剧变化部分则不 需要进行过细的分层，只需进行粗量 化；而对亮度值变化比较平缓的部分， 就需要进行较细的分层，即需进行细量 化。
视频信号的量化
如图像和声音的相邻数据项都是相关的
矢量量化：量化时不是处理单个信源输出，而是一次处理一组符 号（矢量）
得到更好的压缩性能：码率/失真更小
矢量量化编码解码框图
矢量量化
以图像编码为例
搜索距离最近的码字 非对称编码：
编码：在输入与
码本匹配过程中 需大量计算
解码：只需查表
查表
提纲
视频信号采样 视频信号量化 视频采样率转换
gi
fp zi1 f df
zi
p zi1 f df
zi
i 0, 1, ..., L 1
证明：
根据讲述的量化失真度量公式，得
D 2
L1 zi1
q
i0 zi
f gi 2 p
f
df
z1 z0
f g0 2 p
f
df
L z2
z1
zi zi1
f gi1 2 p
n
与原信号频谱相比，S(f) 的总带宽是 (-1/2, 1/2)，填零信号 的频谱将原频率轴压缩，如下图所示。
内插滤波器的作用是消除填零信号中的重复性频谱干扰。
原始信号频谱
3倍上取样后的 信号频谱
L=3倍上取样前后 信号频谱比较
视频采样率转换
举例：
图3.11 L = 3时的插值过程
图3.12 L = 3时的两种信号的频谱
例1. 一幅新闻照片
局部放大后的图片
研究连续时间信号与离散时间信号之间的关系 主要包括 :
1. 如何对一个连续时间信号进行离散时间处理。 2. 在什么条件下，一个连续时间信号可以用它的离
散时间样本来代替而不致丢失原有的信息。 3.如何从连续时间信号的离散时间样本不失真地恢
复成原来的连续时间信号。 4. 对离散时间信号如何进行采样、抽取，及内插。
模拟信号数字化---模数转换 数据压缩
量化的分类
无记忆 vs 有记忆 均匀 vs 非均匀 对称 vs 非对称 标量量化 vs 矢量量化
标量量化：对每个采样点独立地进行量化 矢量量化：对k个采样点所组成的一组（一个矢
量）进行量化
22
视频信号量化
标量量化
g0
g1 g2 g3 g4
g 5 g6 … g L1
n
x(nT ) (t nT )
n
在频域由于 p(t) P( j) 2 ( 2 k)
T n
T
所以
X p ( j)
1
2
X ( j) P( j)
1
2
X ( j) 2
T
( ks )
k
1 T
k
X
(
j(
ks ))
s
2
T
可见，在时域对连续时间信号进行冲激串采
样，就相当于在频域将连续时间信号的频谱以 s
第三讲 视频采样（二）
视频信号的采样 与量化
提纲
视频信号采样 视频信号量化 视频采样率转换
2
数字视频信号数字化
模拟信号数字化模型
时-空采样 量化
逐行扫描的三维采样
隔行扫描的三维采样
提纲
视频信号采样 视频信号量化 视频采样率转换
4
连续时间信号采样
在日常生活中，常可以看到用离散时间信号表 示连续时间信号的例子。如传真的照片、电视屏幕 的画面、电影胶片等等，这些都表明连续时间信号 与离散时间信号之间存在着密切的联系。在一定条 件下，可以用离散时间信号代替连续时间信号而并 不丢失原来信号所包含的信息。
这也就是所谓的多速率数字信号处理。
视频采样率转换
1、插值
插值的方法：
在已知抽样序列相邻两抽样点之间等间隔地插入(L-1)个零 值点后得到信号，然后再对进行数字低通滤波，即可求得L倍 插值后的结果，从而获得增加采样率的信号。