《视频解密》中文版（第四版） 第二章

第二章 视频介绍

虽然应用技术多种多样，视频传输只是将可视的视频信息从某一点传送到另一个点。视频信息来自于录像机（VCR）、DVD播放机、本地电视信号、有线电视、卫星系统、internet或者其他的信息源。

视频信息总是从一个设备传送给另一个设备。比如从卫星机顶盒或DVD播放器传送给电视，或者从一个芯片传送给卫星机顶盒或电视机里的另一个芯片。这看起来很简单，但是针对不同的需求，就需要不同的方法来实现视频传输。

模拟和数字方式对比

直到不久前，所有的视频类设备的是基于模拟视频的方式设计的。数字视频设备都用于专业的领域，比如视频编辑设备。

现在普通消费者每天都能用的数字视频设备，这要感谢日益下降的价格。不断下降的成本导致了DVD播放机、录像机、数字机顶盒、数字电视（DTV），便携式视频播放器的出现，并使能应用Internet传输视频数据。

视频的数据表示

最初，视频数据只包括灰度（也叫黑白）信息。后来彩色视频得到开发，并试图使用模拟RGB（红，绿，兰）信号传输彩色视频信号。然而，用这种方式传输彩色视频信号所需要的信道带宽是传输黑白视频信号的3倍，所以改成了另一种方式，用Y，R-Y和G-Y数据代替RGB。这样，一种新的传输技术得到发展，将Y，R-Y，G-Y复合成一个信号，代替原来的3个分量信号，使在不增加带宽的情况下可以传输彩色电视信号。这种复合视频信号是今天在使用的NTSC，PAL和SECAM视频标准的基础，将在第八章和第九章中详细介绍。

今天彩色电视信号的表示方式多种多样，但他们的数学基础都是RGB信号，将在第三章中进行详细介绍。

开发S-Video用于消费类产品之间的互联（不用于广播目的），它包含两路模拟信号，一路是灰度信号（Y），另一路通过特殊的格式携带色度信号R-Y和B-Y（也叫C或色度）。起初只应用于高带录像机（S-VHS），现在几乎所有的消费类视频产品都配备S-Video接口，在第九章将做详细探讨。

尽管在专业视频市场，模拟RGB视频数据暂时回到了高端视频设备之间的连接。就像S-Video，并不是用于广播目的。

另一种Y，R-Y和G-Y视频信号的变换格式叫做YPbPr，通常也用于消费类视频产品之间的互联，它的优点是可以用于高清视频设备之间数据传输。一些制造商错误地将YPbPr连接器标签贴成YUV，YCbCr或Y(B-Y)(R-Y)。

第五章将详细介绍各种模拟视频互连图。

数字视频

最常用的数字视频信号是RGB和YCbCr。RGB信号是模拟GRG信号数字化的版本。YCbCr是模拟YPbPr信号数字化的版本，这些信号被用于DVD和数字电视领域。

第六章将进一步讨论各种数字视频信号互连图。

最好的互连方法

经常会有这样一个问题“设备之间最好的连接方法是什么？”。对于DVD播放器，有线/卫星/地面传输数字机顶盒，视频信号质量典型排列如下，视频质量从高到低：

1、HDMI（数字YCbCr）

2、DVI（数字RGB）

3、模拟YPbPr

4、模拟RGB

5、模拟S-Video

6、模拟复合信号

一些人可能不同意这样的排列。然而几乎所有的消费类产品数字视频的格式都采用YCbCr，所以采用YCbCr互联的设备减少了色度空间转换导致的图像质量下降的损失。数字视频信号的色度空间变换仍然首选经过DAC转换成模拟信号，再通过ADC转换成数字信号，所以DVI信号质量要高于模拟YPbPr信号。

计算机工业已经标准化了，必须用模拟和数字RGB信号和计算机显示器相连。

视频的时间特性

视频看起来是连续的，事实上它是一系列的静止图片组成的，只是这些图片变换速度相当的快，所看起来像是连续的视频，如图2.1所示。典型情况下，对于消费类视频设备每秒播放50或60幅图像，对于计算机显示器每秒播放70~90张图像。有一特殊的时间信息叫做场同步，用来指示一张新图像的开始。

每一幅静止的图像是由扫描线组成的，显示的时候从上到下依次显示每条扫描线的数据，如图2.1所示。还有一种叫做行同步的时间信息，行同步信号被用来指示新的一行的开始。

行场同步信号的应用方式常为下列三种方式之一：

1、  分离行场同步信号

2、  分离复合同步信号

3、  符合同步信号嵌入于视频信号

复合同步信号包含了场同步信号和行同步信号。

计算机和消费电子类产品在使用模拟RGB视频时经常使用1或2方式。消费类电子产品在使用复合视频或模拟YPbPr视频时经常使用低3中方式。

对于数字视频，要么使用第1种方式，或者将时间码嵌入于视频流，这部分内容将在第6章中进行讨论。

 

图2.1 视频是由一系列静止图像组成的，每一幅图像有各自的扫描线数据

隔行扫描与逐行扫描对比

由于视频是由一系列静止图像组成，所以只要一幅接一幅地连续显示每一幅图像就可以。

视频显示技术主要分两种，逐行扫描和隔行扫描。对于逐行扫面方式，比如要将视频显示于CRT显示器上，每一张图像从显示屏的左上角开始扫描，向右移扫描线动直到显示屏的右边界。然后扫描下一行，继而重复从左到右扫描，这个过程持续到整个屏幕被扫描一遍，即刷新一次，如图2.2所示。

在电视刚出现的时候，为了减少传送画面的信息量，采用了一种叫隔行扫描的技术。隔行扫描方式首先传送奇数行，然后传送偶数行，如图2.3所示，这样传送的信息量就减少了一半。

既然隔行扫描有这种优点，为什么还要用逐行扫描呢？

隔行扫描方式，因为每次扫描都刷新屏幕的一半，它是一种渐进的显示方式。为了避免由于低的刷新率引起行间闪烁，隔行扫描速度受限于图像垂直方向的扫描速度。逐行扫描方式就避免了行间闪烁，可以提供完美的图像效果。

今天，大部分广播电视包括高清电视信号仍然采用隔行扫描的方式发送。大部分基于CRT设备任采用隔行扫描方式显示，而LCD、等离子电视及计算机显示器则采用逐行扫描方式。 

 

图2.2 逐行扫描方式，扫描线一条接一条连续扫描

 

 

图2.3 隔行扫描方式，首先显示奇数行，再显示偶数行

视频的分辨率

视频分辨率是一个比较模糊的概念，经常可以看到分辨率为720×480或者1920×1080。这种表示方法表示的是图像的水平方向像素点数和垂直方向的扫描线数，并包括所有有用的信息。

例如，对于模拟视频，采样率为13.5MHz时，每一行是720个像素点，采样率为27MHz时，每一行是1440个像素点。然而仅仅改变每一行的像素点数，并不一定改变图像分辨率。

所以，视频经常用“行分辨率”来度量。行分辨率为在屏幕垂直方向上可分辨的最多的黑白条文数量。这个数字被规范为宽高比为1:1的显示屏（乘以3/4表示4:3的显示屏，乘以9/16表示16:9的显示屏）。当然，对于宽屏（16:9）得到的值比较小，这是跟直觉相反的。

标准清晰度视频

标准清晰度视频定义为有效扫描行数为480或576的隔行扫描方式，经常表示为480i和576i。

对于一个宽高比为4:3的消费类产品显示屏（非CRT类），480i表示的就是720×480i，576i表示的就是720×576i。对于一个宽高比为16:9的屏幕，480i表示的就是960×480i，576i表示的就是960×576i。

增强清晰度视频

增强清晰度视频表示的是有效扫描行数为480或576的逐行扫描方式，经常表示为“480p”和“576p”。

对于一个宽高比为4:3的消费类产品显示屏（非CRT类），480p表示的就是720×480p，576p表示的就是720×576p。对于一个宽高比为16:9的屏幕，480p表示的就是960×480p，576p表示的就是960×576p。

标准清晰度视频和增强清晰度视频的区别是，标准清晰度是隔行扫描方式，增强清晰度是逐行扫描方式。

高清晰度视频

高清晰度视频表示的是有效扫描行数为720逐行扫描方式（720p），或有效扫描行数为1080隔行扫描方式（1080i）。对于一个宽高比为16:9的消费类产品显示屏（非CRT类），分别表示为1280×720p或1920×1080i。

高清电视（HDTV）在技术定义为至少能够显示720p或1080i规定的有效扫描行数。它们还必须能在16:9的屏幕上至少能够显示540p或这810i所规定的有效扫描行数。这样可以让4:3的CRT的高清电视和16:9的LCD/等离子高清电视都能够播出1024×1024p，1280×768p，1024×768p等高清节目，降低了生产厂商的成本。

音频和视频压缩

最新的消费电子领域的产品，如数字电视、DVD播放机和刻录机、硬盘录像机等，它们的视频压缩格式基本都是MPGE-2，音频压缩格式基本都是基于杜比、DTS，MPEG-1或者MPEG-2的。

新型的视音频编解码技术，如MPGE-4，HE-AAC，H.264和SMPTE的VC-9，提供了在相同品质下比以前的压缩技术具有更高的压缩效率。这些先进的技术有了更广阔的应用领域：家用数字消费品，新的消费类电子产品（便携式视频播放器和可视电话），提供更多的有线/卫星电视频道。

视频类设备应用范例框图

通过研究简单的功能框图，可以是了解视频流是怎样经过设备里，以及对视频流的各种操作。

DVD播放机

图2.4是一个DVD视频播放机的简单功能框图，现在已经将这些功能块集成到一个芯片里了。

 

图2.4 DVD播放机简单功能框图

除了播放DVD视频（基于MPGE-2压缩）之外，现在的DVD播放机扩展了功能，能够播放MP3和WMA格式的音频，MPEG-4格式的视频（基于DivX的视频）和JPEG图片等；还能支持慢放/快放、前进/倒退、多种倍速播放等特殊功能；支持DVD-Audio和SACD的DVD播放器也在开发中。

最近出现了一种新的功能更强的DVD播放机，它能通过网络从PC中获取音乐、视频、图片等媒体文件进行播放，这种网络DVD播放机通过Internet播放网络视频，还可以从Internet上下载视频存入本地硬盘，用于以后播放。支持从各种flash等半导体存储卡读取视频、音频、图片进行播放的DVD播放机也正在兴起。

为了快速吸引客户注意力机购买欲望，一些DVD生产商尝试改变视频的频率。由于这项技术具有长期的性，它可以进行适当的调整。由于很多视频爱好者的努力，视频的频率响应应该尽可能的平和。

另一个问题是模拟视频信号输出的电平标准。虽然很容易产生很精确的视频电平信号，但还得进行多方面的考虑。这个问难题现在被评论指出，由于在视频源之间切换时可能会改变亮度或灰度级，会损坏电视的校准系统。

数字媒体适配器

数字媒体适配器通过家庭网络连接PC，可以播放PC上音乐、视频、图片等媒体文件。在家里，这种小巧、低成本的小盒子，能让PC上的媒体文件在所有电视上播放，许多这种设备支持无线网络连接，安装很简便。除了不能播放DVD之外，它们很像网络DVD播放器。

图2.5是一基本数字媒体适配器的简单功能框图，现在已经将这些功能块集成到一颗芯片中。

 

图2.5 数字媒体适配器功能框图

数字电视机顶盒

数字电视标准主要有下面六种：

ATSC（先进电视系统委员会）

DVB（数字视频广播）

ARIB（日本无线工业及商贸联合会）

开放数字电缆标准

专有数字电缆标准

专有数字卫星标准

现行的基于MPGE-2视频压缩和杜比、MPGE音频压缩的工作方式正在发展支持新的高级的视音频编解码格式，比如HE-AAC，H.264和VC-9。

图2.6是一简化的数字电视机顶盒的功能框图，包括视频和音频处理模块。它被用来接收地面广播、有线或者卫星数字电视广播信号。现在的数字电视机可能已经集成了这部分功能电路。

现在很多机顶盒包含两个高频头，集成硬盘录像机功能。它能录制电视节目到本地硬盘，同时可以观看另一路电视。数字电视中两个高频头同时接收可以支持画中画（PIP）功能。

 

图2.6 数字电视机顶盒功能框图