第三章：視頻信號的獲取和處理
學(xué)習(xí)內(nèi)容
一、彩色空間表示及其轉(zhuǎn)換
1、多媒體計算機(jī)處理圖像和視頻，首先必須把連續(xù)的圖像函數(shù)
[1] 采樣
對連續(xù)圖像彩色函數(shù)
[2] 量化
采樣是對圖像函數(shù)
2、顏色的基本概念
彩色可用亮度、色調(diào)和飽和度來描述，人眼看到任意彩色光都是這三個特性的綜合效果。
亮度是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)。
色調(diào)是當(dāng)人眼看一種或多種波長的光時所產(chǎn)生的彩色感覺，它反映顏色的種類，是決定顏色的基本特性。
飽和度是指顏色的純度，即摻入白光的程度，或者說是指顏色的深淺程度，對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越深顏色越鮮明或說越純。
通常把色調(diào)和飽和度通稱為色度，上述內(nèi)容總結(jié)為：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度則表示顏色的類別與深淺程度。
3、三基色（ RGB ）原理 ：
自然界常見的各種彩色光，都可由紅（ R ）、綠（ G ）、藍(lán)（ B ）三種顏色光按不同比例相配而成。同樣，絕大多數(shù)顏色也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光，這就是色度學(xué)中最基本原理 -- 三基色原理。
當(dāng)然三基色的選擇不是唯一的，也可以選擇其它三種顏色為三基色，但是，三種顏色必須是相互獨立的，即任何一種顏色都不能由其它兩種顏色合成。由于人眼對紅、綠、藍(lán)三種色光最敏感，因此由這三種顏色相配所得的彩色范圍也最廣，所以一般都選這三種顏色作為基色。
把三種基色光按不同比例相加，稱之為相加混色，由紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行相加混色的情況如下：
紅色 + 綠色 = 黃色
紅色 + 藍(lán)色 = 品紅
綠色 + 藍(lán)色 = 青色
紅色 + 綠色 + 藍(lán)色 = 白色
稱黃、品紅和青色為相加二次色，此外還可以看出：
紅色 + 青色 = 綠色 + 品紅 = 藍(lán)色 + 黃色 = 白色
我們稱青色、品紅和黃色分別是紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色。
顯示彩色圖像用 RGB 三基色，我們稱為 相加混色模型 ：
打印彩色圖像時，我們用 CMYK 相減混色模型 。在相減混色中，當(dāng)三種基本顏色等量相減時得到黑色；等量黃色（ Y ）和品紅（ M ）相減而青色（ C ）為 0 時，得到紅色（ R ）；等量青色（ C ）和品紅（ M ）相減而黃色（ Y ）為 0 時，得到藍(lán)色（ B ）；等量黃色（ Y ）和青色（ C ）相減而品紅（ M ）為 0 時，得到綠色（ G ）。彩色打印機(jī)采用的就是這種原理，印刷彩色圖片也是采用這種原理。
由于人眼對于相同亮度單色光的主觀亮度感覺不同，所以，用相同亮度的三基色混色時，如果把混色后所得單色光亮度定為 100% 的話，那么人的主觀感覺是綠光僅次于白光是三基色中最亮的。紅光次之，亮度約占綠光的一半；藍(lán)光最弱，亮度約占紅光的 1/3 。當(dāng)白光的亮度用 Y 來表示時，它和紅、綠、藍(lán)三色的關(guān)系可用如下的方程描述：
Y = 0.299R+0.587G+0.114B
這就是常用的亮度公式，它是根據(jù)美國國家電視制式委員會的 NTSC 制式 推導(dǎo)得到的，如果采用 PAL 電視制式 時，白光的亮度公式將作如下改動：
Y = 0.222R+0.707G+0.071B
兩個公式不同的原因，是由于所選取的顯示三基色不同。
4、彩色空間表示
（1） RGB 彩色空間
在多媒體計算機(jī)技術(shù)中，用的最多的是 RGB 彩色空間表示，因為計算機(jī)彩色監(jiān)視器的輸入需要 RGB 三個彩色分量，通過三個分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色。所以不管在多媒體系統(tǒng)中采用什么形式的彩色空間表示，最后的輸出一定要轉(zhuǎn)換成 RGB 彩色空間表示。
在 RGB 彩色空間，任意彩色光 F ，其配色方程可寫成：
F = r[R]+g[G]+b[B]
其中 r 、 g 、 b 為三色系數(shù) r[R] ， g[G] ， b[B] 為 F 色光的三色分量。任意一種色光，其色度可由相對色系數(shù)中的任意兩個唯一的確定。因此，各種彩色的色度可以用二維函數(shù)表示。用 r 和 g 作為直角坐標(biāo)系中兩個直角坐標(biāo)所畫的各種色度的平面圖形，就叫 RGB 色度圖，如下圖所示。
（2） YUV 和 YIQ 彩色空間
在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色 CCD 攝像機(jī)，它把攝得的彩色圖像信號，經(jīng)分色棱鏡分成 R0G0B0 三個分量的信號，分別經(jīng)放大和γ校正得到 RGB ，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號 Y 、色差信號 R-Y 和 B-Y ，最后發(fā)送端將 Y 、 R-Y 及 B-Y 三個信號進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這就是我們常用的 YUV 彩色空間，采用 YUV 彩色空間的好處如下：
(1) 亮度信號 Y 解決了彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題；
(2) 大量實驗表明，人眼對彩色圖像細(xì)節(jié)的分辨本領(lǐng)比對黑白的低得多，因此對色度信號 U 、 V ，可以采用 " 大面積著色原理 " 。用亮度信號 Y 傳送細(xì)節(jié)，用色差信號 UV 進(jìn)行大面積涂色。因此彩色圖像的清晰度由亮度信號的帶寬保證（ PAL 制亮度信號 Y 的帶寬采用 4.43MHz ），而把色度信號的帶寬變窄（ PAL 制色度信號帶寬限制在 1.3MHz ）。
正是由于這個原因，在多媒體計算機(jī)中采用了 YUV 彩色空間，數(shù)字化后通常為 Y ： U ： V = 8 ： 4 ： 4 或者是 Y ： U ： V = 8 ： 2 ： 2 ，后者具體的作法是把亮度信號 Y 的每個像素都數(shù)字化為 8bit （ 256 級亮度），而 U ， V 色差信號每四個像素用一個 8bit 數(shù)據(jù)表示，即粒度變大。將一個像素用 24bit 表示壓縮為用 12bit 表示，而人的眼睛卻感覺不出來。
美國、日本等國采用的 NTSC 制，選用了 YIQ 彩色空間， Y 仍為亮度信號， I 、 Q 仍為色差信號，但它們與 U 、 V 是不同的，其區(qū)別是色度矢量圖中的位置不同，如下圖所示， Q 、 I 為互相正交的坐標(biāo)軸，它與 U 、 V 正交軸之間有 33 °夾角。
由圖可知 I 、 Q 與 V 、 U 之間的關(guān)系可以表示成：
選擇 YIQ 彩色空間的好處是，人眼的彩色視覺特性表明，人眼分辨紅、黃之間顏色變化的能力最強(qiáng)，而分辨藍(lán)與紫之間顏色變化的能力最弱。在色度矢量圖中，人眼對于處在紅、黃之間，相角為 123 °的橙色及其相反方向相角為 303 °的青色，具有最大的彩色分辨力，因此把通過 123 °至 303 °線即 IO 線的色度信號稱為 I 軸，它表示人眼最敏感的色軸。與 I 正交的色度信號軸稱為 Q 軸，表示人眼最不敏感的色軸。在傳送分辨力弱的 Q 信號時，可用較窄的頻帶，而傳送分辨力較強(qiáng)的 I 信號時，可用較寬的頻帶。在 NTSC 制中， I 的帶寬取 1.3 ～ 1.5MHz 和 PAL 制的 U 、 V 帶寬差不多，而 Q 的傳送帶寬只是 0.5MHz ，僅是 I 帶寬的 1/3 。
PAL 制 25 幀 / 秒 NTSC 制 30 幀 / 秒
5、彩色空間的轉(zhuǎn)換及其實現(xiàn)技術(shù)
⊙ RGB 與 YUV 和 YIQ 之間的轉(zhuǎn)換
彩色攝像機(jī)最初得到的是經(jīng)過 g 校正的 RGB 信號，為了和黑白電視機(jī)兼容及壓縮編碼，在傳送過程中包含亮度信號和色差信號，亮度方程簡化如下：
6、全電視信號
（1）黑白全電視信號
電視攝像機(jī)把一幅圖像信號轉(zhuǎn)變成的輸出信號就是全電視信號。全電視信號主要由圖像信號（視頻信號）、復(fù)合消隱信號和復(fù)合同步信號組成。這兩種信號加在一起稱為全電視信號。
全電視信號的幅度是：以同步信號作為 100% ，黑電平和消隱電平為 70% ，白電平為 0% ，圖像信號介于白電平和黑電平之間，根據(jù)圖像的灰度而變化。在標(biāo)準(zhǔn)的 1V 全電視信號中，同步信號為 0.3V ± 9mV ，圖像信號為 0.7V ± 20mV 。
從幅度上看全電視信號
峰 -- 峰值為 1 伏
以同步信號為 100% ，黑電平和消隱電平為 70% ，白電平為 0% ，圖像信號介于白平和黑電平之間根據(jù)圖像的灰度而變化。
在標(biāo)準(zhǔn)的 1V 黑電信號中：
同步信號： 0.7v~1v 0.3v ± 9mv
圖像信號： 0v~0.7v 0.7v ± 2.mv
如下圖所示：
從時間上看，每一行的周期為 64 μ s ，其中，圖像占 52.2 μ s ，行消隱占 11.8 μ s ± 250ns 。行同步信號的帶寬為 4.7 μ s ± 100ns ，它比行消隱信號延遲 1.3 μ s ± 250ns 。每一場的周期為 312.5H=20ms ，其中，場消隱信號占 25H+1 行消隱信號，即等于 1600 μ s+11.8 μ s 。均衡脈沖的寬度是 2.35 μ s ± 100ns ，周期為半行，共 12 個（前六個，后六個）。場同步脈沖有 6 個槽脈沖，其寬度為 4.7 μ s ± 100ns 。
從時間上看全電視信號：
每行時間為 64 μ s ，正程 52.2 μ s ，逆程 11.8 μ s ，行同步為 4.7 μ s ，行延遲為 1.3 μ s
一幀 = 奇數(shù)場 + 偶數(shù)場 =40ms
626 行 =312.5 行 +312.5 行 =29ms+20ms
場消隱 =25 × 64+11.8 =1611.8 μ s
場同步 =3 × 64=192 μ s
場延遲 =192 μ s
如下圖所示：
在全電視信號中，把奇數(shù)場同步信號的前沿作為一場的起點，第 1 、 2 、 3 行是場同步信號，第 4 、 5 、 6 行是后均衡脈沖， 7~22 行還是場消隱信號，該場消隱信號從前場 623 行開始，因此，整個消隱信號是 25 行加一個行消隱時間。圖像信號從 23 行起到 309.5 行止，共 287.5 行，這就是第一場或稱奇數(shù)場。從 309.5 行開始又是下一場的場消隱信號及前均衡脈沖，在 312.5 行出現(xiàn)下一個偶數(shù)場的場同步脈沖，奇數(shù)場到此結(jié)束。偶數(shù)場開始，圖像信號及偶數(shù)場結(jié)束，如下圖所示。奇數(shù)場加上偶數(shù)場稱為一幀。
（2） 彩色全電視信號
在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用 YUV 彩色空間或 YIQ 彩色空間， Y 為亮度信號，它可以與黑白全電視信號兼容， U 和 V 用載波頻率ω SC 調(diào)制加到亮度 Y 上，最后形成彩色全電視信號，如下式所示：
CVBS = Y + Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.15 ）
在 NTSC 制系統(tǒng)中， U 信號調(diào)制在副載波的零相位上，而 V 信號是固定地調(diào)制在 90 。的相位上的。在 PAL 制系統(tǒng)中，調(diào)制情況略有差別。 U 信號的調(diào)制與 NTSC 制相同，而 V 信號的調(diào)制是：第一行調(diào)制在 90 。的相位上（與 NTSC 制相同，稱為 NTSC 行）；下一行（同隔行掃描是下面的第三行）調(diào)制在 270 。的相位上（稱為 PAL 行）；再下一行又回到 90 。的相位上。按此順序， V 信號調(diào)制相位逐行倒相 180 。。圖 2.8 示出了 PAL 制的平衡正交調(diào)制的倒相原理。
根據(jù)圖 2.8 的矢量圖，可寫出 PAL 制色度信號 Ch 的表達(dá)式
Ch = Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.16 ）
式中， S(t) 稱為 PAL 開關(guān)函數(shù)，它是雙極性矩形脈沖，其重復(fù)周期為行周期 Th 的兩倍，幅度為 +1 和 -1 。 PAL 開關(guān)函數(shù) S(t) 代表 PAL 制系統(tǒng)的根本特征，它的引入相當(dāng)有效地克服了 NTSC 制系統(tǒng)中對信道微分相位敏感的缺點，這是 PAL 制取得成功的原因。
最后將亮度、復(fù)合消隱信號與色度信號、復(fù)合同步信號混合放大，形成 PAL 制彩色全電視信號。以 100% 幅度和 100% 飽和度（簡寫為 100/100 ）的彩條信號為例的彩色全電視信號如圖 2.9 所示，圖中標(biāo)出了各部分的標(biāo)準(zhǔn)電平數(shù)值。
圖 2.9 在 75 Ω負(fù)載上， 100/100 彩條的彩色全電視信號各部分的電平標(biāo)準(zhǔn)（輸入信號 R 、 G 、 B 幅度為 0.7V 時）
