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第二章视频入门1视频入门尽管视频信号有很多变种和不同的实现技术，但它仅仅只是将视觉信号从一个地点传输到另外一个地点的一种方法。这种信息可以来源于录像机，DVD播放器，无线广播、有线电视、卫星广播的一个频道，因特网或者其它各式各样的信源。视频信号总是从一个设备转移到另一个设备，它可能是从卫星电视机顶盒或者DVD播放器转移到电视机，或者它还可能是从一块芯片转移到另外一块处在卫星电视机顶盒或电视机里的芯片。尽管这看起来很简单，但有很多不同的要求，所以就有很多不同的实现方法。模拟vs.数字一直到几年前，大部分视频设备还主要为模拟视频而设计，数字视频仅限于专业应用领域，如视频编辑。由于价格的持续下跌，现在，大众消费者日常生活中都在使用数字视频。这种趋势促进了DVD播放器、录像机、数字机顶盒、数字电视（DTV）、便携式视频播放器的发展，使我们能够通过因特网来传输视频数据。视频数据一开始，视频只包括灰阶信号（黑白信号）。彩色电视广播开发过程中，人们试图使用模拟RGB来传送彩色电视视频信号，但是，这种技术所占的带宽比当时的黑白电视方案所占带宽的三倍还多。所以人们采用了另外一种方法，使用Y、R-Y和B-Y来描述彩色电视视频信号。同时还发明一种技术，只需通过一个信号，而不是三个独立的信号来传送Y、R-Y、B-Y。这样，彩色电视视频信号和黑白电视视频信号就占用相同的带宽。NTSC，PAL和SECAM视频标准现在仍以这种复合视频信号为基础。我们将在8、9章更详细的探讨这种技术。如今，尽管有各种各样的描述视频的方法，但它们都和RGB有一定的算术关系。在第三章中，我们将详细讨论这些视频信号变体。S-VIDEO（分离视频）用来连接消费类设备（不用于广播系统中）。它由两个模拟信号组成。一个是黑白信号（Y），另一个是色度信号（C），它由特定格式的模拟R-Y，B-Y构成。以前它只用在家用录像系统（S-VHS）中，现在，大部分消费类视频产品都支持。我们将在第9章更深入地进行探讨。模拟RGB通常用在专业视频市场，有时也会用来连接高端设备。和S-VIDEO（分离视频）一样，它也不用于广播系统中。Y、R-Y、B-Y视频信号的一个变体是YPbPr，它通常用来连接消费类视频产品，它的主要优点是能够在消费类产品之间传递高清视频信号。一些设备生产商错误的将YPbPr连接器标成YUV，YCbCr或者Y(B-Y)(R-Y)。第5章将详细的讨论各种模拟互连设计。数字视频最常用的数字信号是RGB和YCbCr，RGB是模拟RGB视频信号的数字化形式，2第二章视频入门而YCbCr是模拟YPbPr视频信号的数字化形式，DVD和数字电视用的就是这种格式。第6章将进一步探讨各种数字互连设计。最好的连接方式我们通常会有这样的问题：“什么是设备间的最好连接方式呢？”对于DVD播放器，数字有线/卫星/地面机顶盒来说，按图象质量递减，典型的排序如下：1.HDMI（数字YCbCr）2.DVI（数字RGB）3.模拟YPbPr4.模拟RGB5.模拟S-VIDEO（分离视频）6.模拟复合视频一些人可能不会同意这种排序。然而大部分消费类产品都在YCbCr颜色空间内作数字视频处理。所以，使用YCbCr作为设备间的互连减小了颜色空间的转化次数。比起先做一次A/D（数字到模拟）转换，再做一次D/A（数字到模拟）转换来，数字信号颜色空间转换的失真更小，所以将DVI排在模拟YPbPr的上面。在计算机领域中，连接到电脑显示器的模拟，数字RGB都已经标准化了。视频同步视频信号看上去好像是持续运动的，但实质上它有一系列的静止图像构成，它们变化很快，看上去就像是持续运动一样，正如图2.1描述的一样。在消费类视频中，图像的变化速度为每秒50或60次，电脑显示器上则为70-90次/秒。特定的同步信息（场同步）用来指示一幅新图像的开始。图2.1视频由一系列静止图像构成。每一幅图像由单独的数据线组成第二章视频入门3每一幅静止图像都由扫描行组成，一行一行的数据按顺序显示在显示器上，如图2.1描述，另外的同步信息（行同步）用来指示一个新的扫描行的开始。行，场同步信息通常由下面三种方法的一种来传送：1.单独的行和场同步信号2.单独的复合同步信号3.嵌入视频信号的复合同步信号复合同步信号由行和场同步信号组成。计算机和使用模拟RGB视频信号的消费类仪器一般使用技术1或2。使用复合视频信号或模拟YPbPr视频信号的消费类仪器通常采用技术3。对数字视频，或者使用技术1，或者将同步码字嵌入数字视频流中，这将在第六章讨论。隔行vs.逐行由于视频信号由一系列的静止图像组成，所以仅仅需要简单的一幅接着一幅的显示完整的图像就行了。这是逐行或非隔行显示的基本方法。逐行显示将一幅图像“画”在屏上（如CRT），每幅图像都从左上角开始显示，然后扫描，向下移动一行，一直重复从左到右扫描，直到刷新整个屏幕。见图2.2。图2.2逐行显示连续的“画”一幅图像的行，一行接着一行早期电视系统中，采用了一种“隔行”的技术，传送一幅图像所需的信息相应的减少。通过先传送奇数行，然后偶数行（见图2.3），传送一幅图像所需的信息减半。4第二章视频入门图2.3隔行显示先画一半图像（奇数行），然后再画另一半（偶数行）隔行有这些优点，为什么还要使用逐行？隔行显示的每一条扫描线的刷新频率仅仅是逐行显示的一半。图像边沿剧变的地方，如果刷新频率不够快，会产生行间闪烁，为了避免这种情况，应该限制行间的变化。本质上就是在场方向上对图像进行低通滤波。逐行显示对行间的变化没有限制，所以在场方向上，它能提供不闪的更高分辨力的图像。如今，大部分广播电视（包括高清电视）还采用隔行传送。CRT类显示器还是隔行显示，而LCD，等离子，电脑则是逐行显示。视频分辨力日常生活中，大多数人对视频分辨力仅仅有一个模糊的概念。我们经常能看到视频分辨力720×480或1920×1080。然而这仅仅代表了行的采样点数目和场扫描线数，并不能反映有用信息的数量。举个例子，一个模拟视频信号在13.5MHz的采样速率下每行产生720个采样点，同一信号在27MHz的采样速率下每行能产生1440个采样点。然而，仅仅是每行的采样点数目变了，而视频内容的分辨力并没有变化。所以，视频信号通常用“可分辨的线数”来衡量。本质上，从显示器上看，我们能辨清的场方向上的黑白线数的数目到底有多少呢？这一数目然后标准化到1:1显示模式（用该数目除以3/4：4:3显示模，或者除以9/16：16/9模式）。很显然，宽屏显示得出的结果更小，这和我们的直觉不同。标清标清信号通常定义成拥有480或576隔行有效扫描线，通常被分别成为“576i”和“480i”。对于定点（非CRT）消费类显示器，当幅型比为4：3时，就转变为720×480i或720×576i有效分辨力。当幅型比为16：9时，转变为960×480i或960×576i有效分辨力。第二章视频入门5增强型标清增强型标清视频通常被定义成拥有480或576逐行有效扫描行，一般称之为“480p”和“576p”。对于定点（非CRT）消费类显示器，当幅型比为4：3时，就转变为720×480p或720×576p有效分辨力。当幅型比为16：9时，转变为960×480p或960×576p有效分辨力。标清和增强型标清的区别是：标清视隔行的，而增强型标清则是逐行的。高清高清通常被定义成拥有720逐行（720p）或1080隔行（1080i）有效扫描行。对于幅型比为16：9的定点（非CRT）消费类显示器，转换为有效分辨力为1280×720p或1920×1080i。尽管高清显示技术上定义成至少能显示720p或1080i有效扫描行，在显示16：9图像内容时，它也必须能够显示540逐行（540p）或810隔行（810i）有效扫描行。这样，幅型比为4：3的CRT类和幅型比为16：9的LCD/PDP高清电视制造商只要使他们的设备能显示1024×1024p,1280×768p,1024×768p就行，从而降低了成本。音频和视频压缩音频和视频压缩（它们大部分基于带杜比数字，数字影院系统的MPEG-2视频，MPEG-1，MPEG-2音频）使得消费类电子迈向数字电视，DVD播放录像器，数字视频录像器时代。具有相同音视频质量情况下，新音视频编解码器（如：MPEG-4，HE-AAC，H.264和SMPTEVC-9）比之前的编解码器拥有更大的压缩量。这些优点使我们能以新的方式将内容分发给消费者和家庭用户，使我们拥有更多的消费类产品（如：便携式视频播放器，移动视频/蜂窝手机），是我们拥有更多的有线/卫星频道。应用方框图看一些简单的方框图对于我们了解视频工作流程是很有帮助的。DVD播放器图2.4是一个基本DVD视频播放器的一个简化方框图，它展示了DVD的公共模块。如今，所有的这些都能包含在一个廉价的芯片内。除了能播放DVD（基于MPEG-2视频压缩）以外，人们还希望它能处理MP3和WMA音频，MPEG-4视频（如：DivX视频），JPEG图片„希望它有特殊的重放模式如不同速度的慢速/快速，前进/后退，希望它能支持DVD音频并且增加SACD。最近，DVD的一大改进就是它能连接家庭网络而播放PC上的音乐，视频，图片内容。这些联网的DVD播放器可能还能播放因特网上的电影，将影片下载到内部磁盘驱动（HDD），以便以后欣赏。支持从各式各样的flash记忆卡中播放音频，视频和图片的DVD也在增长。为了能引起顾客的注意，生产商都尽量使他们的DVD“看上去”与众不同，一些厂商会“扭曲”视频频率响应。时间久了，这种特性有时会令人很恼火，所以应当去除6第二章视频入门这种特性或者正确的调整它。对于电影视频狂热者来说，频率响应要越平越好。图2.4DVD播放器的简化方框图另外一个是模拟视频信号的输出幅度问题。虽然产生精确的视频幅度很简单，但还是有很大的不同的。通过反复观看，人们指出一个问题，切换信源意味着亮度和黑电平的改变，这就使电视标准和用户所做的调整无效。数字媒体适配器连接到家庭网络上的播放音乐，视频图片¨的数字媒体适配器都处在个人电脑（PC）上。这些小小的，廉价的盒子使得基于PC的内容能在家庭里任意一台电视上欣赏。很多支持无线网络，简化了安装。除了不具备DVD重放功能，它们和联网DVD播放器的功能大体一致。图2.5是基本数字媒体适配器的一个简化方框图，它展示了适配器的公共模块。如今，所有的这些都能包含在一个廉价的芯片内。图2.5数字媒体适配器的简化方框图数字电视机顶盒数字电视标准分为以下六大类：ATSC（AdvancedTelevisionSystemsCommittee：高级电视制式委员会）DVB（数字视频广播：DigitalVideoBroadcast）第二章视频入门7ARIB（无线电工商业协会：AssociationofRadioIndustriesandBusinesses）开放式有线标准，如OpenCable数字有线专利标准（Proprietarydigitalcablestandards）数字卫星专利标准（Proprietarydigitalsatellitestandards）以上标准现在都以带杜比数字或MPEG音频压缩的MPEG-2视频压缩为基础，人们也在做大量的工作使之支持新的先进的音视频编解码器，如HE-AAC，H.264,和VC-9。图2.6是数字电视机顶盒的简单方框图，它展示了公共的音视频处理块。它用来接收来自于陆地（通过大气），电缆或卫星的数字电视广播。数字电视在电视机内部可能包含此电路。现在许多机顶盒包含两个高频头和数字视频录像机（DVR）。这使我们能向内部硬盘（HDD）录制节目的同时观看另外的节目。为了支持画中画（PIP）功能，数字电视使用两个高频头也很常见。图2.6数字电视机顶盒的简化方框图第三章颜色空间1颜色空间颜色空间是一系列颜色的数学表现形式。三种最流行的颜色模型是RGB（用于计算机图形）；YIQ，YUV或YCbCr（用于视频系统）和CMYK（用于彩色打印）。但是，这三种颜色空间没有一种和我们直觉概念上的色调，饱和度，亮度有直接的联系。这