【音视频基础】(十一)：YUV颜色空间之电视图像的数字化

上篇讲到模拟彩色电视的电视制，理所当然，接下来就应该讲数字电视的电视制。相对于模拟电视，数字电视的电视制，不仅仅包含传输图像和声音的方法，还包含图像数据的压缩，所以我们在称呼数字电视的电视制时，通常改名称为数字电视标准，是不是很高大上。

不过在这篇，我们并不打算介绍数字电视标准，因为我们还有一个重要的概念没介绍，那就是从模拟电视，到数字电视的过度，图像的表示是怎么过度的？这样说可能比较模糊，这里有两个重要的概念，那就是模拟图像和数字图像。

我们应该都知道数字图像，而且在文章里也一直都在说，但是作为它的前任，模拟图像又有几个知道的呢？

1、模拟图像

模拟图像这个词，说起来可能很高端，但是它跟我们的关系其实很密切。我们小时候见到的胶片照相机、磁带摄像机、和老式的胶片电影摄像机等得到的图像，就是模拟图像。模拟图像也称为连续图像，是因为它所在的空间是连续空间，也即图像在二维坐标系中是连续变化的，可以理解为图像的像素点是无限小的点，平铺在一起得到的图像。

看完这段你可能理解的还不够深刻，简单点来说，它是没有经过计算机处理的，由光学透镜等物理设备直接获取到的图像。注意没有经过计算机处理，是它的显著特点，想想二零零几年那个条件，就明白了。

在讲电视机的发展史的时候，我们曾展示过模拟信号的波形，那也是模拟图像的信号波形：

这几种都是模拟图像的信号波形，可以看出，它的信号值也是连续变化的。在彩色电视制我们知道，模拟电视在传输它的时候，也是将图像分成625或525行来传输的。那么这些波形，也就是模拟图像的一行行的数据，而波的相位、振幅等信息，代表了数据点的亮度和色差。

2、数字图像

数字图像我们之前可能很熟悉，但是熟悉的还不够。在前面的文章中，我们只知道数字图像，是栅格化的图像，也就是图像是分成一个一个的像素点来表示的。但是我们还是没说清楚，那个被栅格化的图像是怎么来的？而现在我们大概能猜到，那个图像其实就是模拟图像。

意思是：因为计算机只能处理二进制数据，也就是0和1，所以计算机不能直接处理模拟图像。那为了在计算机上能处理图像，该怎么办呢？那就应该将模拟图像，进行图像数字化，转换成数字图像，而图像数字化也是接下来进行图像压缩、加滤镜、背景虚化等处理的前提。

下面两张图，是数字图像的信号波形，和模拟图像和数字图像的对比图。

数字信号

模拟图像（左）和数字图像（右）

3、图像的数字化

可以想象，如果把一幅模拟图像进行数字化，都需要哪些步骤。首先，肯定是将模拟图像进行栅格化，分成一个一个像素点。然后呢，再把每个像素点的像素值，用二进制的颜色值表示出来，也就是RGB值分别为多少。最后，因为图像数字化后的数据量非常大，我们需要对这些数据进行压缩。

而这三个步骤，分别都有正规而高大上的名称：采样、量化和编码压缩。把这三个词分别对照上面三个步骤，然后仔细想一想，就会豁然开朗，因为它们描述的很准确。现在我们分别来说：

3.1 采样

采样实际上，就是用多少个像素点来描述一幅图像，也就是图像分辨率多大。在采样的时候，通常有一个术语，叫做采样频率，指的是每秒采样的采样数目，它的计算方式为：

采样频率 = 帧频 x 每帧的行数 x 每行上的采样数目

这个术语很好理解，不过关于采样还有重要的知识，也就是我们常听到的4：2：0或4：4：4等采样格式，后面再详细介绍。

3.2 量化

表面上看，量化指像素值的量化，但它同时也表明了，一个像素点该采用多大范围的值来表示。要知道，量化的结果，直接反映了图像能够容纳的颜色总数。

量化也是把数字图像和模拟图像分开的关键步骤，因为它把像素，分成色阶来表示。比如假设RGB三基色的每一位，都用8位二进制表示，那么每个像素，也是由0-255个色阶表示。它不再是连续变化的，感觉上是阶梯状。

3.3 编码压缩

这个步骤也是非常关键的，因为它直接影响到图像或视频的传输与存储。也是后面我们要介绍的关键，视频的编码也是起源于此。

4、电视图像的数字化

简单说完图像的数字化，我们开始这个话题。我们在前面几篇文章知道，电视图像是采用YCbCr、YUV、YIQ或RGB颜色空间的颜色分量来表示的。所以电视图像的数字化，也通常称为分量数字化，它对每个颜色分量进行数字化。

因为电视图像的数字化，是在模拟电视的基础上做的。而模拟电视本身的电视制自带的，例如扫描行数、帧频等参数可以沿用。我们只需要在传输之前，将模拟信号转换成数字信号即可，那怎么转换呢？就是刚才说的，将每个颜色分量进行数字化。

而在数字化过程中，我们就需要上面说的三个步骤，采用、量化和编码压缩。为了统一采样格式、编码参数和采样频率等信息，早在二十世纪80年代，国际无线电咨询委员会（CCIR）就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标准。

后来，CCIR和国际频率登记委员会（IFRB）合并，成为现在的国际电信联盟（ITU）无线电通信部门，简称ITU-R。

所以CCIR 601标准，后来也称为ITU-R BT.601标准。该标准规定了，彩色电视图像转换成数字图像时，使用的采样频率，以及RGB与Y’CbCr彩色空间之间的转换关系。现在广泛的应用在SDTV，也即标准清晰度电视上。

CCIR为NTSC、PAL、和SECAM电视制，规定了共同的电视图像采样频率：13.5MHz

对于PAL和SECAM制，采样频率为：

f = 625 x 25 x N = 15625 x N = 13.5MHz 式中的N=864

而对于NTSC制，采样频率为：

f = 525 x 29.97 x N = 15734 x N = 13.5MHz 式中的N=858

这里的N代表了每一扫描行上的采样数目。

下表给出了ITU-R BT.601推荐的采样格式、编码参数和采样频率

表中的采样格式后面会单开文章详细介绍。

后来到了1990年的时候，ITU-R BT.709发布，成为了高清晰度电视，也即高清电视（HDTV）应用的标准。