第五节 视频技术基础知识

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第五节 视频技术基础知识

5.5.1、彩色电视制式

１、兼容制式FSC认证

（１）why,行场等全面一致。FSC认证

（２）要求：

传送彩色时由亮度方程y=0.3R+0.59G+0.11B可知Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ仅要传送三个要素，要兼容则务必是：在彩色信号中传送：一个Ｙ信号带宽与黑白一致；２个色度信号带宽了必须在Ｙ带宽之内传送。且要求颜色混合分离 方便可靠互不影响。

2、NTSC制

目前世界上有三种彩色电视制式：NTSC、PAL、和SECAM。当然现亦已发展到高清晰度的HDTV不包含在内，1952年美国世界上第一种彩色电视制式叫NTSC制式。

由于黑白电视早于彩色，所以在研制彩色电视制式最主要考虑的问题就是兼容性，因在考虑传送彩色信号，必定要传送一个与黑白信号一致的亮度Y信号。经研究表明，亮度与色度信号满足亮度方程：Y=0.3R+0.59G+0.11B。因此在NTSC制采用正交平衡调幅的方法在亮度信号Y中插入两个色差信号，R—Y、B—Y，并用一个副载波正交平衡调幅后加入到Y信号中，以确保亮色相互不干扰。据Y的频谱与要求副载波fsc是半行间量即，fsc=（n+1/2）fH是行频n=283时，fsc =4.43MHZ，n=229，fsc =3.58MHZ，对于NTSC制式有两种副载波选择，其信号的形式如下图 所示。

3、PAL制

NTSC制式不仅具有兼容性好，结构简单的特点，且相干扰较小，但是其色度信号的相位易失真，为改进此不足，1962年西德制造了PAL彩色电视制：其传送两个色差是U和V。

U=0.493（B-Y）

V=0.877（R-Y）

两个色差信号的副载波：fsc=1/2（2n-1/2）fH+25

n=284，fsc =4.43MHZ，正交平衡调幅后，1/4行频间置在亮度信号之中，其色度信号为：

G（t）叫PAL开关：

G(t)= 1 2nTH<t<(2n+1) TH (NTSC行)

G(t)= -1 (2n+1) TH <t<(2n+2) TH

不难看出其中有一个色差信号是逐行倒相的，以自动消除色相位的变化。如下图所示。

4。 SECAM制

NTSC和PAL制都是每行信号传送了两个色差信号，而SECAM制式则不能，它是一行传送Y之时同时传送一个色差信号，在接收机这段显然仅有一个Y和一个色差信号。显然，接收端不能恢复原来的彩色信号，要恢复采用的办法是存储复用，即将上一行的色差信号存储一行时间与下一行传送的另一个色差信号及Y混合使用，称之为顺序传送存储复用制式是由法国定义的一种彩色电视制式，其特点由于色度信号调频，频谱连续，亮色干扰最小，彩色不易失真，但彩色清晰度下降一些。

5．5.2 电视图像的数字化

1、计算机与电视

计算机是20世纪40年代的伟大发明，一直沿着数字信号处理技术的方向发展，开始是沿着数值计算和金融管理的道路而发展起来的，所以名叫“计算机”。60年代文字进入计算机，70年代图像、声音进入计算机，80年代电视进入计算机，进入90年代，个人计算机已经能够实时处理数据量很大的声音和影视图像信息。

电视发展较计算机还早，1884年德国年仅23岁的青年工程师保罗.尼普科夫（paul Nipkow）利用硒光电池，发明了最原始机械园盘扫描电视，提出了象素及扫描的重要思想概念，所以又称保罗为电视的“鼻祖”，20世纪20年代完成化，电视是20世纪20年代的伟大而重要的发明，在50年代就完成]彩色电视技术，此时用任何一种数字技术来传输和再现真实世界的图像和声音都是极其困难的，因此，电视技术一直沿着模拟信号处理技术方面发展，直到70年代才开始开发数字电视，一直处于困难时期，到了90年代由于计算机技术和数字压缩技术的发展，目前正在逐步向数字电视方向发展，由于数字技术具有许多的优点，计算机与电视开始融合在一起，像现在的非线性编辑系统，电视台的数字电视、计算机实时网络系统等，现在已不难理解把计算机、电视和通讯“混为一谈”的现象了。

电视的数字化前提是计算机的处理速度和存储量要求达到要求，除此之外，就是（1）将现有的模拟电视数字化，（2）直接创建新的数字电视如HDTV等，由于考虑到兼容性，包括新的HDTV也应考虑这个问题，将现行的模拟中的数字化是非常现实的问题，也是电视和计算机“联姻”基本现实思路。

在这个过程中，几个世界著名的标准值得在此提出：

（1）CCIR601彩色电视数字化标准，现改为ITU-R BT.601

（2）JPEG彩色图像压缩标准ISO/IEC11172

（3）MPEG影视图像压缩标准ISO/IEC13818

2、 电视图像的采样格式

在计算机中彩色图像一般都用RGB分量来表示，在摄像机CCD信号耙面上及CRT显示器上都使用RGB分量，在电视图像中则不使用RGB，而是用YUV原因是兼容性的要求和调节方便，电视图像的采样格式就是指对YUV象素点的取样方式，又称子采样（压缩）技术或称子采样。一般用“Y：U：V”象素点采样个数之比值表示。

3 电视图像数字化标准

（1）标准制定：

1979年美国电影电视工程师学会（SMPTE）和欧洲广播联盟（EBU）都分别对立了专门的工作组研究数字录相机的标准问题，首要解决的问题就是电视图像的数字化标准。1982年2月17日，国际无线电咨询委员会（CCIR）第十五届全体会议正式通过了电视演播室视频信号数字编码参数的建议（通常叫601号建议）之后，1983年9月CCIR建立了专门的工作班子编写数字录相机的统一标准。SMPTE和EBU的工作组也按照601号建议的4：2：2分量编码方式进行数字录相机的标准工作。

经过它们长期专注的工作，1985年底，由CCIR汇编了广播用数字录相机标准建议书，并于1986年5月在CCIR第十六次会议上通过，这就是657号建议书。称之为CCIR601标准，现CCIR改为国际广播联盟ITU，CCIR601标准亦即为ITU-R BT601标准。Sony公司按4：2：2分量编码标准研制出一种叫D1格式的数字化录像机，所以在美国又把CCIR601标准称之为D1标准，按该标准生产D1录像机，质量非常高，记录码率达277Mbit/see，价格也极贵，后来又提出了将复合视频信号直接数字化的数字电视标准，但质量比D1差，价格却便宜很多，因此把此格式的录相机叫D2格式，在电视信号数字领域叫D2标准。D2格式使用的3/4英寸磁带，为节约磁带将D2格式的磁带改为1/2英寸，称之为D3格式，在此不多评述。

按照CCIR601标准，每个样本是8位量化，共有256个量化级，相当于10进制0-255级，对于亮度Y信号，该标准并没有把256级整个范围用于数字的电视Y信号，0和255这两级作为同步数据,1-254用于数字电视信号。此外还要考虑到为编码和滤波等留有余地，所以指定Y信号只占据220个量化级，黑电平为最低级，指定为16，因此数字信号Y为：

Y=int(219Ey)+16 (16-235级)

Ey为归一化的亮度信号电平值，Ey ∈（1.0，0）

同样，该标准指定两个色差的数字信号占据225个量化级，并且指定色差电平0时，对应的数字信号值为128，于是数字CR，CB分别为：

CR=int(160 ECR)+128 色差ECR电平范围（+0.5,-0.5）

CB=int(126 ECB)+128 色差ECB电平范围（+0.5,-0.5）

(2)．数字域中彩色空间的转换

R=int(219 ER)+16

G=int(219EG)+16

B=int(219EB)+16

(3)．采样频率与采样结构

CCIR为NTSC和SECAM制式规定了电视图像共同的采样频率，这个采样频率也用于远程图像通讯网络中的图像信号采样，如ISDN、ADSL、HDSL、B-ISDN，电视会议，CCITT-H261及光纤通信等。

对PAL制和SECAM制fs：

fs=625×25×Np=13.5MHZ

Np =864

对NTSC制求fs

fs =525×29.97×NN=13.5MHZ

NN =858

由此可知，对于PAL和SECAM制式的Y信号，每一条扫描行要采样864个样本，对于NTSC制式则要采858个样本，这个从清晰度概念上讲就是一行Y信号对PAL制式有864个采样的象素点，对于NTSC制式有858个象素点。对于所有制式，每个扫描行的有效样本数均为720个，采样结构如图所示

CCIR规定计算机显示电视信号分辩率：NTSC640*480PAL768*576

5.5.3 视频卡

1.视频卡的种类

● 视频叠加卡：是将标准视频信号与VGA信号叠加，将叠加后的信号显示在显示屏上。

●视频捕捉卡：是实现视频模拟信号数字化。

●电视编码卡：它的功能是将计算机显示器的VGA信号转换成标准视频的信号，从而可在电视上观看计算机显示器上的画面。

● 视频压缩、解压缩卡：主要针对数据压缩标准JPEG、MPEG等而开发对视频信号进行压缩与解压缩。

●电视接收卡：用于使用电脑接收PAL或NTSC制电视节目，实际就是一个与电视机或录像机功能类似的高频头。

2.显示卡工作原理

早期电脑中，显示卡的主芯片只不过是CPU和标准的EGA或VGA显示器之间的中介，起到数据传递的作用，它不断地从总线上将CPU计算好的需要显示的信息取到显存当中来，早期的显示卡中的显存大都用作帧缓存，然后由RAMDAC芯片不断地从帧缓存中取出数据进行数据信号向模拟信号地转换，并送给显示器显示。

图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存，这些都是专门用来执行图形加速任务的，因此将CPU复杂的图形运算任务减轻了许多。通常所说的加速卡性能，是指加速卡上的芯片集能够提供的图形函数计算能力。一般来说在芯片集的内部会有一个时钟发生器、VGA核心和硬件加速函数，很多新的芯片集在内部还集成了RAMDAC。

（1）接口技术：AGP总线是目前PC机中最普遍使用的显示接口。这是由于随着显卡和CPU及内存中的数据交换量越来越大（特别是3D图形），要求与CPU和内存间有极宽的带宽进行数据交换，局部总线已经无法满足要求，而特别设计的接口标准。

（2）显存：用来存储处理的图形数据信息。在屏幕上所显现出的每一个像素，都由4至32位数据来控制它的颜色和亮度，加速芯片和CPU对这些数据进行运算，RAMDAC读入这些数据、转换成模拟信号屏把它们输出到显示器。

（3）API（应用程序接口）：当某一个应用程序提出一个制图请求时，这个请求首先要被送到操作系统中（以Windows操作系统为例），然后通过GDI（图形设备接口）和DCI（显示显示控制接口）对所要使用得函数进行选择。

3. 3D加速卡

加速，是在图形处理芯片中，固化了图形处理操作，如画线、画圆、画多边形等。基主要特点如下：

（1）NVIDIA公司的GeForce3图形芯片的晶体管数目多达5700万个（我们使用的Intel的P4处理器为4200万个晶体管）

（2）GeForce 3采用了目前先进的0.15mm制造工艺，使得芯片可能在更高的运行频率下有较低的电压消耗。

（3）在内存方面，GeForce 3芯片配备了128bits 64MB DDR SDRAM.

（4） GeForce 3采用了一种名为光速内存架构的交错式内存控制器，解决显存带宽方面的瓶颈问题，有望将显存带宽利用效率提升3倍。

（5）从规格上来看， GeForce 3采用4条像素渲染管线（Pixel Pipelines），每个管线可实现双纹理贴图，内存接口仍然是128bits,230MHz的显存（460 MHz DDR），其芯片核心频率是200MHz。

（6） GeForce 3对GPU做了更彻底的改进，使nfiniteFX引擎真正可以完全编程，nfiniteFX引擎的顶点描绘单元（Vertex Shad-er）可在不牺牲效能的情况下实现动态角色、环境效果、程序变形效果、环境凹凸映射、阴影贴图等向BRDF照明和真实反射凹凸贴图等。

（7） GeForce 3采用的HRAA高分辨率反锯齿技术，反锯齿效果更好。

下面是对3D技术中的常用术语的一些解释：

1.多边形、材质贴图（Polygon 、Texture Mapping）：就象用细竹子编起来的灯笼骨架，然后再将画有图案的纸贴上去。

2.双、三线性插补处理，材质柔化效果（Bilinear、Trilinear texture filtering）：由于材质贴图的2D图形需要占用内存，所以游戏中的2D材质图形大都较为精简，显示出来就是颗粒状的马赛克效果。而插补处理就是将图点与图点之间经过多次的插入与补偿计算，让图形看起来非常柔和漂亮，大大增加场景画面的美观度。

3.Z轴坐标值计算（Z Buffer、Z-Buffering）：Z Buffer负责3D场景、物体中的景深处理，来分清处于不同景深位置的前面与后面的材质贴图。而Z-Buffering则是将镜头看不见的3D物件表面，不给予着色或贴材质处理，这样可以加快3D场景的处理速度。

4.阶层式贴图处理（MIP Mapping）：距离镜头较远的3D物件就贴上较简单的材质图形，距离较近的物件就贴上较复杂精致的材质图形，这种方式可以加快3D场景的处理速度。

5.凹凸立体贴图处理（Bump Mapping）：当材质受光时，针对光源与材质之间的角度距离，对材质上明暗点再加以处理计算，让才质看起来更有立体感，像岩石、恐龙皮肤和树皮等粗糙凹凸的表面会看起来更逼真。

6.OpenGL：由专业3D绘图工作站SGI公司开发的开放式3D图形应用程序接口，发展成熟且稳定。

7.Direct 3D：由微软公司所制定的3D图形应用程序接口，受到多数3D游戏支持，但是效率较慢。

4 视频卡的发展趋势

v 经过2002年市场的洗礼，视频卡继续为NVIDIA和ALI两分天下的局面，Intel的整合芯片组I845G也凭借其不俗的性能抢占了部分市场分额，在高端，NVIDIA有GeForce4Ti系列，而ALI有镭9700等，镭9700凭借优越的性能，并率先支持Direct X9.0击败GeForce4Ti4600蚕食高端市场， NVIDIA为对付ALI发布了NV30（集成1.2亿个晶体管），真正支持Direct X9.0，但市场反映不强。

v ALI 继续 成胜追击于2003.3.5顺利发布了R350系列抢占高中低端市场，在这场残酷的竞争中， ALI与Direct X9.0的结合无疑为ALI赢得了市场的主动权， NVIDIA和ALI预期在明年发布支持Direct X 10的显示芯片，届时视频卡性能将更加强大，多媒体技术也更上一个台阶，谁主沉浮，我们试目以待。

5.5.4视频编辑软件——Adobe Premiere

它可完成对视频和音频数字信号的非线性编辑，可十分方便地添加各种场景的切换、数字特技、字幕叠加和增配音乐等。

5.5.5三维动画制作软件——Maya

是当今世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业影视广告、角色动画和电影特技等。其功能完善、操作灵活、易学易用、制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。

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