视频处理技术.ppt
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1、第4章 视频处理技术(一),计算机教学实验中心2007,多媒体技术及应用基础,第2/80页,问题的提出,电视如何成像(原理)?什么是视频?视频和动画的关系视频表现的特点视频处理涉及哪些技术问题除了音频和图像处理技术外还有什么?,第3/80页,作品欣赏,学生作品1、2、3、4动画作品1、2、3、4视频作品1、2、3、4其他作品1、2、3、4、5,第4/80页,什么是动画,动画由多幅画面组成,当画面快速、连续地播放时,由于人类眼睛 存在“视觉滞留效应”而产生动感。,动画的本质,Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 Frame5 Frame6 Frame7,第5/80页,视频,视频
2、和动画没有本质区别,只是表现内容和使用场合稍有不同,视频处理功能,视频剪辑根据需要剪除不需要的视频片段,连接多段视频信息 视频叠加根据需要把多个视频影像叠加在一起 视频和声音同步在单纯的视频信息上添加声音,并精确定位 添加特殊效果使用滤镜加工视频影像,使影像具有各种特殊效果,第6/80页,视频处理技术,视频是运动的图像既可提供高速信息传送,也可显示瞬间的相互关系。视频是由相继拍摄并存储的图像组成的 除了有图像的高速信息传送特性外,由于加入了随同图像的时间因素,因而有视频更多的信息 视频也是动态的 视频可以完整再现事件的全过程,第7/80页,4.1 电视技术基础,电视广播在我国开始于1958年7
3、月1日。当时及以后的约20年时间内,播出的是黑白电视,采用的都是直播方式。70年代有了磁带录像机,于是,电视广播出现了录播方式。随着技术的发展,相继出现了卫星广播方式和有线电视网广播方式。今后,星网结合的电视广播方式会成为供用户接收的基本手段。,第8/80页,一.电视信号,电视信号主要由图像信号(视频信号)和伴音信号(音频信号)两大部分组成。图像信号的频带为 06 MHz伴音信号的频带一般为 20 Hz20 kHz 发射台将图像信号和伴音信号分别采用调幅和调频方式调制在射频载波上,形成射频电视信号从电视发射天线发射出去,供各电视机接收。,第9/80页,三基色原理,人眼的彩色视觉有这样一种特性,
4、即某一单色光的彩色视觉可以由不同光谱的光组合而获得,并与该单色光产生相同的彩色感觉。彩色电视就是基于三基色原理,对自然景物及其色彩进行录入、处理、传输并重现彩色图像的。彩色显像管选择R、G、B三基色显示彩色信号。,第10/80页,彩色电视显像原理,第11/80页,电视基本概念,活动图像是利用人的眼睛有视觉暂留特性;我国电视每秒放送25幅图像(帧),有闪烁效果;把每幅图分先后两次来放送,这样,光亮度变化的次数就增加到50次秒;具体的做法就是隔行扫描;即一幅图像分两次扫描来完成,第一次先扫描1、3、5等奇数行,第二次扫描2、4、6等偶数行。传送电视图像是将每幅图像分解为像素,按一个一个像素、一行一
5、行的方式顺序传送或接收称为扫描。分行扫描(水平)和场扫描(垂直)。,第12/80页,扫描方式,扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和逐行扫描。在逐行扫描中,电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角,在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像。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。,隔行扫描,逐行扫描,第13/80页,不同扫描方式的特点,逐行扫描简单、可靠、图像清晰,但需要传输通道有很宽的频带。计算机中采用逐行扫描方式。,隔行扫描要两次扫描才成完整图像。在广播电视系统中采用这种方式。,我国电视制式规定水平扫描行数为625。扫描行数
6、也称为垂直分辨率(Vertical Resolution)。,第14/80页,电视扫描方式示意图,第15/80页,基本概念,场(Field)垂直扫描。帧(Frame)从上到下扫描一幅完整的画面,称为帧。奇数场(Odd Field)第一遍扫描。偶数场(Even Field)第二遍扫描。扫描行数 电视图像的扫描行数通常指水平行的数目。扫描行数越多,电视清晰度越高。,第16/80页,基本概念(续一),同步 在传送电视节目的过程中,接收端与发送端按照相同的步调(顺序)扫描像素时,才能重显完整而稳定的图像,这叫做收、发两端同步。接收与发送两端同步包含水平和垂直两个方向的扫描同步。当扫描时,在每一行使收发
7、两端同步称为水平同步或叫做行同步,在每一场使其同步称为垂直同步也叫做场同步。,第17/80页,基本概念(续二),光栅 在电视机显像管的荧光屏上涂有荧光物质,高速运动的电子束轰击荧光屏时,就能发出光来。当电子束受水平和垂直两个方向的综合控制而迅速扫描荧光屏时,即可出现由一行一行的亮线组成的矩形发光图案,通常称为光栅。帧频 每秒钟传送的电视图像帧数称为帧频。场频 场频是帧频的二倍,对应于25Hz帧频时的场频为50Hz。,第18/80页,什么是白平衡?,用彩色电视机收看黑白电视节目时将色彩饱和度减低为0,要求不出现彩色,称为白平衡,否则就是白平衡失调。白平调整就是指对在不同光线下的白色基准物进行校准
8、。因为在不同的光线下,物体会发生颜色的偏差,如在白炽灯光照射下物体成微红色,而在日光灯下的物体偏蓝色,这就是色温问题。白色是拍摄与制作照片时必须校准的基色,因此只要对白色的物体进行校准,其余颜色都会自动校准。普通的数码照相机都设有自动白平衡功能,它能根据不同的色温情况,自动调节色彩,以得到更接近自然的色彩。但在一些光照很复杂的情况下,往往会使自动白平衡产生偏差,这时需要手动设定白色平衡。,第19/80页,信号类型,分量信号 电视中使用亮度(Y)和色差(C1/C2)表示彩色图象,每个基色分量作为独立的电视信号。用Y/C1/C2表示的彩色视频信号称为分量信号(Component signal)。分
9、量信号可以获得非常好的图像质量,但它需要三个分量信号很好地同步,而且需要3倍的带宽。,第20/80页,YC1C2表示色彩的优点,1.Y和C1C2是独立的,即色差信号C1、C2仅包含色度信息,不包含亮度信息;亮度信息Y信号仅包含亮度信息,而不含色度信息。这样,彩色电视和黑白电视可以同时接收彩色电视信号,在黑白电视接收机中Y信号可以直接使用。2.利用人眼对亮度敏感,而对色度相对不够敏感的视觉特性,降低C1C2信号的采样频率,使C1C2的带宽低于Y的带宽,不明显影响重现彩色图像的观看。,第21/80页,不同系统中C1C2的定义,在NTSC彩色电视中,C1C2分别表示I、Q两个色差信号。I=0.60R
10、+0.28G+0.32B Q=0.21R+0.52G+0.31B Y=0.30R+0.59G+0.11B,在PAL彩色电视中,C1C2分别表示U、V两个色差信号。U=B-Y V=R-Y Y=0.30R+0.59G+0.11B,第22/80页,复合视频信号,将色差信号在亮度信号之上进行编码,作为单个信号与亮度信号拥有相同的带宽。由于亮度信号和色差信号是穿插在一起的,在信号重放时很难完全恢复出原来的色彩。其信号带宽较窄,一般只有水平240线左右的分辨率。不包含伴音,一般与视频输入、输出端口配套的还有音频输入、输出端口(AudioIn、AudioOut)。复合视频接口也称为AV(Audio Vide
11、o)接口。,第23/80页,分离电视信号S-Video,是一种两分量的视频信号,它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号,一条用于亮度信号,另一条用于色差信号,这两个信号称为Y/C信号。亮度和色度都具有较宽的带宽。由于亮度和色度分开传输,可以减少其互相干扰。水平分解率可达420线。S-Video使用4针连接器,通常称为S端子。,第24/80页,S端子,第25/80页,全电视信号,将视频的亮度信号、色度信号、同步信号和伴音信号复合在一起,称为全电视信号。为了在空中传播,需将它们调制成高频信号,也叫射频(RFRadio Frequency)信号。每个信号占用一个频道。(6MHz)电视接收机能够将所
12、接收到的高频电视信号还原成视频信号和低频伴音信号,并能够在荧光屏上重现图像,在其扬声器上重现伴音。射频信号的接口形式就是常见的天线接口或有线电视接口。,第26/80页,二.电视制式,实现电视的特定方式,称为电视的制式。制式的区分主要在于其帧频(场频)、分解率、信号带宽以及载频、色彩空间的转换关系不同等。NTSC(National Television System Committee)制PAL(Phase Alternation Line)制SECAM(法文:Sequential Coleur Avec Memoire)制,第27/80页,NTSC(National Television Sy
13、stem Committee),1952年由美国国家电视标准委员会制定的彩色电视广播标准。采用正交平衡调幅的技术方式,故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。,第28/80页,PAL(Phase Alternation Line),西德在1962年制订的彩色电视广播标准。采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法,克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家,新加坡、中国大陆及香港,澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。,第29/80页,SECAM(法文:Sequential Coleur Avec Memoire
14、),法文的缩写,意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制。由法国在1956年提出,1966年制定的一种新的彩色电视制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点,但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在法国、前苏联及东欧和中东一带。,第30/80页,PAL制电视的扫描特性,(1)625行(扫描线)/帧,25帧/秒(40 ms/帧)(2)高宽比(aspect ratio):4:3(3)隔行扫描,2场/帧,312.5行/场(4)颜色模型:YUV,第31/80页,PAL制电视的扫描特性(续),行扫描频率是15 625 Hz(625*25),(行扫描)周期为64s(1,000,
15、000/15625);场扫描频率是50 Hz(25*2),周期为20 ms(50/1000);帧频是25 Hz,是场频的一半,周期为40 ms。在发送电视信号时,每一行中传送图像的时间是52.2s,其余的11.8s不传送图像,是行扫描的逆程时间,同时用作行同步及消隐用。每一场的扫描行数为625/2=312.5行,其中25行作场回扫,不传送图像,传送图像的行数每场只有287.5行,因此每帧只有575行有图像显示。,第32/80页,不同电视制式的技术指标,第33/80页,三.电视信号数字化,数字化方法(a)先从复合彩色电视图像中分离出彩色分量,然后数字化。对彩色全电视信号,通常是首先把模拟的全彩色
16、电视信号分离成YCbCr,YUV,RGB彩色空间中的分量信号,然后用三个A/D(模/数Analog Digital)转换器分别对它们数字化。(b)首先用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化,然后在数字域中进行分离,以获得所希望的YCbCr,YUV或RGB分量数据 国际无线电咨询委员会CCIR制定了彩色电视图像数字化标准ITU-R BT.601。,第34/80页,采样频率,对PAL制、SECAM制,采样频率fs为fs=62525N=15625N=13.5 MHz,N=864 其中,N为每一扫描行上的采样数目。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
17、。每一扫描行的有效样本数均为720个。,第35/80页,ITU-R BT.601标准,推荐使用422的彩色电视图像采样格式。Y用13.5 MHz的采样频率,Cr,Cb用6.75 MHz的采样频率。,彩色电视数字化参数摘要,第36/80页,图像子采样,对彩色电视图像进行采样时,可以采用两种方法。一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样。另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低,这种采样就称为图像子采样(subsampling)。,第37/80页,图像子采样格式,4:4:4 指在每条扫描线上每4个连续的采
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