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发表于 2006-1-28 09:50:00
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<P>大年夜还上班 无聊 不过知道YUV 与YCrCb的区别了~~</P><P>电视信号原理基础
电视信号原理基础</P><P> 1、人的视觉特性和彩色电视图像的空间变换</P><P> 要谈彩色电视的标准和清晰度，首先得从人的视觉特性谈起。人们获取信息的70%来自视觉系统，颜色是视觉系统对可见光的感知结果。人眼对不同频率的红(R)绿(G)蓝(B)光的感知度不同，例如对蓝光的感知度最弱，只有0.1左右，对绿光的感知度最强，约为0.6。人眼对亮度的感知度较大，为0.8左右。</P><P> 通常，我们看到的光不是一种波长的光，而是许多不同波长的光的组合。自然界中的任何一种颜色都可用这三种基本颜色按不同的比例混合得到，它们构成一个三维的RGB矢量空间。某一种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述：</P><P> 颜色=R(红色的百分比)+G(绿色的百分比)+B(蓝色的百分比)</P><P> 例如，电视机和计算机的显示器的阴极射线管(CRT)，就是使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色的。</P><P> 一幅彩色图像可以看成由许多点组合，这些点称为像素。电视画面也是分解成许许多多细小单元(像素)加以传输。在接收端，像素按行和列排列构成电视画面。由于每个像素反映的阴暗和色彩不一，人眼分辨细节的能力又有限，因此在人们面前就呈现出一幅幅明暗有别、色彩分明的完整图像。</P><P> 如前所述，由于人眼对红绿蓝光和亮度的感知度不同，利用人眼的这一特性，可降低电视图像传输所需要的容量。人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。若把人眼刚能分辨出的黑白相间的条纹换成不同颜色的彩色条纹，那么眼睛就不再能分辨出这些条纹来。由于这个原因，就可以把彩色分量的分辨率降低而不明显影响图像的质量，也就是可以把几个相邻像素不同的彩色值当作一个相同的彩色值来处理。</P><P> 为了将彩色图像按亮度和颜色分别处理，就要把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三种：YIQ、YUV和YCrCb。每种变换使用的参数是为了适应某种类型的显示设备。例如，YIQ用于NTSC彩色电视制式，YUV用于PAL制和SECAM彩色电视制式，而YCrCb用于计算机用的显示器。</P><P> 在YUV模型中，Y表示亮度，U、V是构成彩色的两个分量。考虑人的视觉系统和阴极射线管的非线性特性，YUV和RGB的对应关系可以近似地用下面的式子来表示：</P><P> Y=0.299R+0.587G+0.114B</P><P> U=-0.147R-0.289G+0.436B</P><P> V=0.615R-0.515G-0.100B；</P><P>NTSC制的YIQ ,它与YUV的区别与关系：
I = V Cos33 - U Sin33
Q = V Sin33 + U Cos33</P><P>
用YUV或YIQ模型来表示彩色图像的优点是亮度信号Y和色差信号UV(或IQ)是相互独立的，可对Y，U和V三种图像进行单独编辑和编码。同时，由于亮度(灰度)信号是独立传输的，我们使用的黑白电视机也能够接受彩色电视信号。</P><P> 在电视和计算机工业中，由于彩色显像管使用红、绿、蓝这三种磷光材料发光合成彩色，这就需要把用YUV或YIQ表示的图像信号转换成用RGB表示的图像信号才能显示。现在人们已经开发了一套标准转换表，用来表示在这几种彩色空间中颜色值的对应关系。</P><P> 2、图像分辨率和显示分辨率</P><P> 既然图像可以看成由许多像素组成，一幅图像包含的像素越多，图像的清晰度也就越高。图像像素的多少也称为分辨率。分辨率有两种：图像分辨率和显示分辨率。</P><P> (1)图像分辨率</P><P> 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。</P><P> 在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(DIP)表示，如果用300DIP来扫描一幅8＂×10＂的彩色图像，就职得到一幅2400×3000个像素的图像。</P><P> 像素深度是存储每个像素所用的位数，像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者是灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。如果像素深度太浅，也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然。</P><P> (2)显示分辨率</P><P> 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。在计算机上，显示分辨率可人为设定。</P><P> 显示屏上的每个彩色像点由代表R、G、B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩膜和所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为点距。因此常用点距来衡量一个显示屏的分辨率。普通电视机用的CRT的分辨率为0.76mm，而标准SVGA显示器的分辨为为0.28mm。孔眼越小，分辨率就越高。目前已有点距为0.19mm。</P><P> 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而在某一显示分辨率下，可确定显示图像的区域大小。例如显示屏的分辨率为640×480,那么一幅320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一幅完整的画面。</P><P> 3、电视制式及清晰度</P><P> 目前世界上流行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。</P><P> NTSC彩色电视制式是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。PAL称为逐行倒相正交平衡调幅制，是1962年德国制定的彩色电视广播标准，中国使用这种制式。SECAM为法国制定的彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。这三种电视制式都是兼容制制式。</P><P> 我国使用PAL彩色电视制式规定，一帧图像的总行数为625,隔行扫描。行扫描频率是15625Hz，周期为64μs；场扫描频率是50Hz，帧帧是25Hz。在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是52.2μs，其余的11.8μs是行扫描的逆程时间，不传送图像，每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回归，不传送图像，因此每帧只有575行有图像。颜色模型采用YUV。</P><P> 决定电视的清晰度的重要参数是场频率和视频系统的频带宽度。最大垂直清晰度由垂直扫描总行数所决定。由于隔行扫描会造成局部的并行，所以实际的垂直清晰度还要把有效扫描行数乘以一个Kell系数。在2:1隔行扫描方式中，Kell系数为0.7,即垂直清晰度为电视有效行数的0.7倍。</P><P> 水平清晰度定义为图像上可以分清的垂直线条数。水平清晰度与图像传感器的像素数和视频系统的频带宽度有直接关系。理论上，水平清晰度和垂直清晰度应采用统一的度量标准，所以当屏幕上的水平线条间隔和垂直线条间隔相同时，图像的垂直清晰度和水平清晰度应该是一样的。图像的宽高比系数大于1,所以，图像的水平清晰度线数应该是图像上实际能分清的黑白垂直条数除以宽高比系数。电视的水平清晰度的计算公式为：</P><P> 水平清晰度TVL/PH=有效行时间(μs)×2×频带宽度(MHz)÷宽高比系数</P><P> 按我国GB3174-82彩色电视标准，一帧电视画面由625行扫描线组成，也就是共有625条像素行，电视画面的宽高之比是4:3,由此可计算出每行应有833个像素。实际上，每帧图像的有效行数为575行，因此我国现行电视标准的垂直清晰度为575×0.7=403TVL/PH。应该指出的是，电视的垂直清晰度是由电视制式决定的，与电视信号的传输和视频带宽无关。</P><P> 我国电视标准规定行周期为64μs，有效行时间为52.2μs，标称视频带宽为6MHz，所以我国现行电视标准的水平清晰度为：</P><P> 水平清晰度(SDTV)=52(μs)×2×6(MHz)÷(4/3)=468TVL/PH。</P><P> 应该指出的是，电视图像的清晰度指的是黑白亮度(灰度)的分辨率，因为图像彩色分量的分辨率与图像扫描的格式有关，往往低于亮度的分辨率。</P><P> 4、彩色电视图像数字化标准</P><P> 由于技术上的原因，早期电视技术一直沿着模拟信号处理技术的方向发展，直到世纪70年代才开始开发数字电视。数字电视系统都用彩色分量来表示图像数据。如：RGB、YIQ和YCrCb。故又称为“分量数字化电视”。</P><P> 早在上世纪80年代，国际无线电咨询委员会(CCIR)就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准，现改为ITU-RBT.601标准。该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系等。</P><P> 1)CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。</P><P> PAL制、SECAM制：</P><P> 采样频率为：fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz，N=864</P><P> NTSC制：</P><P> 采样频率为：fs=525×29.97×N=15734×N=13.5MHz，N=858</P><P> 其中，N为每一扫描行上的采样数目。</P><P> 2)对彩色空间之间的转换，在数字域中，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：</P><P> Y=0.299R+0.587G+0.114B</P><P> Cr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128</P><P> Cb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128</P><P> 3)有效显示分辨率：对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样864个样本；对NTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样858个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720个。</P><P> 4)数字电视的数据库</P><P> 模拟电视信号经过采样和量化之后，数字电视信号的数据量大得惊人，因此要对数字电视信号进行压缩。CCIR在PAL、NTSC和SECAM彩色电视制之间确定一个共同的数字化参数，推荐使用4:2:2的采样格式(图2)，亮度信号Y的采样频率选择为13.5MHz，而色差信号Cr和Cb的采样频率选择6.75MHz/s，在传输数字电视信号通道上的数据传输率为270Mb/s(兆比特/秒)，即</P><P> 亮度(Y)：</P><P> 858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本=135兆比特/秒(NTSC)</P><P> 864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本=135兆比特/秒(PAL)</P><P> Cr和Cb：</P><P> 429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本=68兆比特/秒(NTSC)</P><P> 429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本=68兆比特/秒(PAL)</P><P> 总计：</P><P> (13.5+6.8+6.8)兆样本/秒×10比特/样本=271兆比特/秒(见图2)</P><P> 有关彩色电视图像数字化处理的另一个标准是MPEG标准：</P><P> MPEG(运动图像专家组)成立于1988年，是ISO/IEC(国际标准化组织/国际电工技术委员会)的工作组，负责开发影视图像、声音的处理、压缩、解压缩、编码和它们的组合标准。到目前为止，已经开发的标准有：</P><P> MPEG-1：低档数字电视压缩标准，1992发布。MPEG-1处理的是标准图像交换格式，压缩的输出速率定义在1.5Mb/s。</P><P> MPEG-2：数字电视压缩标准，已于1994年发布，它是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。例如，增加了隔行扫描电视的编码并提供缩放性功能。目标位速率是4-9M/s，最高达15Mb/s。</P><P> MPEG-3：已于1992年7月合并到HTDV工作组</P><P> MPEG-1和MPEG-2标准已经得到广泛应用。例如应用于CD-交互系统、在网络上的数字声音广播、数字电视广播和影视点播、VCD和DVD的压缩存储及数字电视标准上。</P><P>
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