数字视频基础知识

一、光和颜色 1 光和颜色 可见光是波长在380 nm～780 nm 之间的电磁波，我们看到的大多数光不是 一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。如果光源由单波长组成，就 称为单色光源。该光源具有能量，也称强度。实际中，只有极少数光源是单色的， 大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。这称为光源的光 谱分析。 颜色是视觉系统对可见光的感知结果。研究表明，人的视网膜有对红、绿、 蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光 的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同。 自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B 这3 种颜色值之和来确定，以这 三种颜色为基色构成一个RGB 颜色空间。

颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色的百分比)

可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间。

2 颜色的度量 图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会CIE （International Commission on Illumination ）对颜色的描述作了一个通用 的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们 是颜色所固有的并且是截然不同的特性。 色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一 个术语是色彩(colorfulness)。 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性， 它可用来区别颜色明暗的程度。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜 色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。 明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它 和人的感知有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易 度量的物理量，称为亮度(luminance) 来度量明度，亮度(luminance)即辐射的 能量。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间 是灰色。 光亮度(lightness)是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，光亮 度可用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用 来描述反射表面或者透射表面。

3 颜色空间 颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色 形象化。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数 描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉我们是什么颜色，其颜色要取 决于我们使用的坐标。 使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间，叫做HSB(hue, saturation and brightness)颜色空间。RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间，它们都是与设备相关的颜色空间，前者用在显示 器上，后者用在打印设备上。

从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：

• Ø RGB 型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计 算机的颜色显示系统。例如，RGB，HSI, HSL 和HSV 等颜色空间。
• XYZ 型颜色空间/CIE 颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定 义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。例 如，CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v 和LCH 等颜色空间就可作为过渡性的转换空 间。
• YUV 型颜色空间/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜 色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如，YUV， YIQ，ITU-R BT.601 Y'CbCr, ITU-R BT.709 Y'CbCr 和SMPTE-240M Y'PbPr 等颜 色空间。 4 颜色空间的转换 不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换： Ø 有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB 和HSL，RGB 和HSB， RGB 和R'G'B', R'G'B'和Y'CrCb，CIE XYZ 和CIE L*a*b*等。 Ø 有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB 和CIE La*b*, CIE XYZ 和HSL，HSL 和Y'CbCr 等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行 过渡。 R'G'B'和Y'CbCr 两个彩色空间之间的转换关系用下式表示： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128

二、视频的表示 1、图像的表示 把一个图像用一个个像素来表示，每个像素有确定的位置和确定的亮度值（这里假设是黑白图像）。于是构成了图象。

比如下面的图片：

我们用0表示白，1表示黑，则图像可表示成：

2、视频的表示

视频也就是在时间轴上的图像序列，如果把图像看成是二维（空间x，y），那么视频就是三维了（空间x，y，加时间t，这个t有时候可能是帧号）。视频的数学表达是f(x, y, t)或f( ,t) 或f(x, y, n)或f( ,n)

每秒图像的帧数，称为视频的帧频。

2、逐行视频和隔行视频

n每一帧图像由顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描

n隔行扫描

把每一帧图像通过两场扫描完成则是隔行扫描。比如，电视通过在显示器上从左到右，从上到下画出(扫描)很多的亮线来显示图像。组成运动画面的图像是由交互的隔行场信号组成的，即：一个场包含了所有奇数行，一个场包含了所有的偶数行，这样图像由两场组成，为奇场和偶场。

三、视频图像采样 模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分 离，得到YUV 或YIQ 分量，然后用三个模／数转换器对三个分量分别采样并进行 数字化，最后再转换成RGB 空间。 1、图像子采样 对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采 样频率对图像的亮度信号（Y）和色差信号（Cr，Cb）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)。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度，这样 做利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以 使两个色差信号所占的带宽明显低于Y 的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的 观看。 目前使用的子采样格式有如下几种： (1) 4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4 个连 续的采样点取4 个亮度Y 样本、4 个红色差Cr 样本和4 个蓝色差Cb 样本，这就 相当于每个像素用3 个样本表示。 (2) 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度Y 样本、2 个红色差Cr 样本和2 个蓝色差Cb 样本，平均每个像素用2 个 样本表示。 (3) 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4 个连续的采样点取4 个亮度Y 样本、1 个红色差Cr 样本和1 个蓝色差Cb 样本，平均每个像素用1.5 个样本表示。 (4) 4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2 个连续的采样点上 取2 个亮度Y 样本、1 个红色差Cr 样本和1 个蓝色差Cb 样本，平均每个像素用 1.5 个样本表示。