數(shù)字視頻基本知識(shí)探討
作者：
時(shí)間：2012-11-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
收藏
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
海量資料庫(kù)查詢(xún)
End Type
在BMP中記錄的圖像數(shù)據(jù)不一定就是RGB或Y的值，可以只是一個(gè)”編號(hào)”,而這個(gè)”編號(hào)”對(duì)應(yīng)的實(shí)際RGB顏色要從顏色表中查出來(lái)。24位真彩圖因?yàn)橹苯佑涗浟薘GB值，所以是不需要顏色表的，因此在24位真彩BMP文件中沒(méi)有顏色表這部分，而其它的情況下就必須有一個(gè)顏色表。顏色表一共256項(xiàng)，每一項(xiàng)4個(gè)字節(jié)，前三個(gè)字節(jié)分別代表B、G、R值，最后一個(gè)字節(jié)為0。我們來(lái)以8位灰度圖舉例說(shuō)明，8位灰度圖是黑白圖像，記錄的實(shí)際上就是亮度分量Y，根據(jù)RGB三基色原理，R=Y、B=Y、G=Y的時(shí)候合成的就是一個(gè)亮度為Y的灰色像素，極限的情況，當(dāng)R=255、G=255、B=255時(shí)表示最白的像素，當(dāng)R=0、G=0、B=0時(shí)表示最黑的像素。因此顏色表的值應(yīng)為：0,0,0,0,1,1,1,0,2,2,2,0,3,3,3,0……..255,255,255,0。
BMP文件的最后部分記錄圖像數(shù)據(jù)，也是數(shù)據(jù)量最大的部分。一幀圖像的像素?cái)?shù)據(jù)填入BMP文件的順序是：先填最下面的一行，從左到右依次一個(gè)個(gè)像素依次填入，這樣一行行一直到填完最上面的一行。對(duì)于8位灰度圖，對(duì)每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)只需填入一個(gè)字節(jié)的Y值。對(duì)于24位真彩圖，要填3個(gè)字節(jié)，注意：先填B值，再填G值，最后是R值。
總結(jié)一下：灰度圖的BMP文件由“文件頭+圖像特征描述塊+顏色表+圖像數(shù)據(jù)Y”組成。24位真彩圖由“文件頭+圖像特征描述塊+圖像數(shù)據(jù)BGR”組成。如果讀者對(duì)于這些不熟悉，可以在WINDOWS的畫(huà)圖工具中畫(huà)一副圖，保存為上面的格式，然后用二進(jìn)制編輯工具比如UltraEdit 來(lái)觀(guān)察和分析文件的內(nèi)容。關(guān)于BMP文件的更多知識(shí)，讀者可以進(jìn)一步查閱資料。
現(xiàn)在再回頭討論一下視頻保存為BMP圖像的格式。對(duì)于數(shù)字視頻流，由于一幀中有效的行數(shù)是固定的576行，所以如果把它轉(zhuǎn)換成576行的BMP圖像，當(dāng)然最簡(jiǎn)單，而且可以取得較好的效果。而如果取別的值，比如600行或者400行，那么就必須進(jìn)行插值運(yùn)算，依據(jù)現(xiàn)有的行計(jì)算出假想中的行，這樣的轉(zhuǎn)換其運(yùn)算量很大，對(duì)圖像的質(zhì)量也有一定損失，一般要用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)（一般高檔的視頻捕捉卡帶有這樣的功能）。那么是不是說(shuō)只能轉(zhuǎn)換成576行呢？當(dāng)然也不是，比如可以轉(zhuǎn)換成288行，隔一行取一行，實(shí)際上就是只采集了一場(chǎng)。另外還可以丟棄一些行，比如只取中間的480行，而上下各丟掉48行，這樣得到的圖像雖然被裁剪了，但清晰度不會(huì)下降。再來(lái)看看一行中應(yīng)該采多少個(gè)像素。由于模擬視頻信號(hào)幅值在一行中是連續(xù)變化的，因此采樣數(shù)沒(méi)有行數(shù)那樣的限制。比如我們可以采400個(gè)像素，當(dāng)然也可以采401個(gè)像素，這取決于我們對(duì)水平分辨率的要求，一行中所采得的像素越多，則分辨率越高，但需要注意亮度信號(hào)的帶寬是有限的，采樣率高到一定程度后，再提高就沒(méi)有意義了。前面說(shuō)了，CCIR601標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是一行采720個(gè)有效像素。除了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外，比較常用的另一種標(biāo)準(zhǔn)是一行采768個(gè)有效像素。說(shuō)到這兒，順便說(shuō)一下，在計(jì)算機(jī)上用視頻捕捉卡捕捉圖像時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序提供的圖像格式是固定的幾種，比如768*576、720*576、384*288、320*288等，為什么只提供這些格式，以前不明白的讀者現(xiàn)在知道了吧！
現(xiàn)在我們知道了模擬視頻變換為數(shù)字視頻流后的格式，也知道了怎樣創(chuàng)建和保存BMP文件，但是我們還不能把從數(shù)字視頻流中截取的圖像數(shù)據(jù)保存為BMP文件，因?yàn)閿?shù)字視頻流是用YUV描述的，而B(niǎo)MP文件是用RGB描述的。它們之間怎么轉(zhuǎn)換呢？這就是色彩空間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。
RGB和YUV的對(duì)應(yīng)關(guān)系用代數(shù)方程式表示如下：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = - 0.147R- 0.289G + 0.436B
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
或者：
R=Y+1.14V
B=Y+2.03U
G=Y-0.58V-0.39U
CCIR601標(biāo)準(zhǔn)中定義的值與上面略有不同。在考慮了人的視覺(jué)系統(tǒng)和CRT顯示器的非線(xiàn)性特性之后，推薦的轉(zhuǎn)換方程如下：
R = Y + 1.371 V
G = Y - 0.698 *V - 0.336 U
B = Y + 1.732 U
不過(guò)讀者要注意，上面的方程中的UV值因?yàn)榉?hào)擴(kuò)展的原因平移了128，實(shí)際應(yīng)該使用下面的這個(gè)修正的方程：
R = Y + 1.371 * (V - 128)
G = Y - 0.698 * (V - 128) - 0.336 * (U - 128)
B = Y + 1.732 * (U - 128)
對(duì)于上面的方程有幾點(diǎn)說(shuō)明：1、有一些采集卡會(huì)指定U、V為有符號(hào)數(shù)或無(wú)符號(hào)數(shù)，使用上面的方程時(shí)不要考慮這些，而認(rèn)為Y、U、V是從采集卡得到的一個(gè)0到255之間的無(wú)符號(hào)的值。2、用上面的公式計(jì)算出的R、G、B值可能會(huì)超出0到255的范圍，應(yīng)該在計(jì)算完后進(jìn)行檢查，如果值小于0，則修正為0，如果值大于255，則修正為255。上面的轉(zhuǎn)換方法經(jīng)過(guò)我的實(shí)際使用，證明其效果是良好的。
空談了這么多，來(lái)點(diǎn)更直觀(guān)的吧！我們來(lái)看看一幀實(shí)際的圖像。右邊這幀圖像是用武漢萬(wàn)德數(shù)碼技術(shù)有限公司生產(chǎn)的VC302嵌入式視頻捕捉卡得到的，信號(hào)源是電視機(jī)的視頻輸出。圖像的像素分辨率是320*240（采集了一場(chǎng)中的288行，每行360個(gè)像素，但只從中截取了240行，每行截取了320個(gè)像素），第一幅是Y分量描述出的黑白圖像，第二幅是U分量描述，第三幅是V分量描述，第四幅是YUV合成后的彩色圖像。黑白圖像與如此模糊的UV分量圖合成后竟然可以得到色彩這么真實(shí)的彩色圖像，你是不是有點(diǎn)難以相信？我也不敢相信，但這就是事實(shí)！從這些圖的比較中我們可以得出這樣的結(jié)論：1、Y分量基本上保留了彩色圖像的輪廓細(xì)節(jié)，其分辨率是較高的。2、UV分量主觀(guān)感覺(jué)十分模糊，分辨率低，只是大約地描述了整塊的色彩，這正是所謂的“大面積著色”。3、我們?cè)谟^(guān)察合成的彩色圖像的時(shí)候并沒(méi)有覺(jué)得圖像的色彩模糊，這說(shuō)明人眼對(duì)色彩細(xì)節(jié)的分辨能力是多么差！
接著，我們來(lái)討論一下圖像的顯示問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題屬于軟件的范疇，大部分讀者都比較熟悉，我不準(zhǔn)備說(shuō)太多。一種方法是把得到的YUV數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB后來(lái)顯示。另一種辦法是直接用YUV數(shù)據(jù)來(lái)顯示，現(xiàn)在的顯卡都具備把YUV數(shù)據(jù)通過(guò)硬件直接轉(zhuǎn)換為RGB的能力，通過(guò)使用Direct Draw技術(shù)，把YUV數(shù)據(jù)直接提交給顯卡，這樣就省掉了軟件轉(zhuǎn)換所花費(fèi)的CPU時(shí)間。在嵌入式領(lǐng)域，可以使用數(shù)字接口的液晶顯示器顯示，要根據(jù)其具體情況來(lái)處理。
最后，說(shuō)一下視頻開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的一些問(wèn)題。1、首先要注意區(qū)分視頻信號(hào)的制式。我國(guó)的電視臺(tái)發(fā)送的信號(hào)是PAL制信號(hào)，所以電視機(jī)的視頻輸出是PAL制。但是電視機(jī)也可以接受其它制式的信號(hào)，比如VCD機(jī)的視頻輸出有很多是NTSC制的，在電視機(jī)上也可以播放。在我國(guó)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的攝像機(jī)（我說(shuō)的是工業(yè)攝像機(jī)，而不是家用的攝錄像機(jī)）大部分是PAL制的，但也有的是NTSC制，而且有的可以通過(guò)機(jī)身上的撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定制式。2、有些DVD機(jī)采用了一些特別的辦法來(lái)提高清晰度，比如所謂的“逐行掃描”，它們輸出的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相比有一些差別，在電視機(jī)上播放是不會(huì)有問(wèn)題的，但是一些采集卡卻不能識(shí)別，導(dǎo)致采集的圖像紊亂，所以在調(diào)試過(guò)程中要慎用DVD作信號(hào)源。3、分辨率的問(wèn)題。分辨率一般是指垂直方向能分辨的等間隔排列的黑白條紋的最大線(xiàn)數(shù)。我們先來(lái)看看模擬視頻，視頻信號(hào)行正程的時(shí)間是52μs，而視頻信號(hào)的帶寬最大6 MHz，假定1Hz可以描述2個(gè)像素點(diǎn)，這樣算來(lái)最多的線(xiàn)數(shù)=52μ*6M*2=624線(xiàn)。而實(shí)際上在編輯、存儲(chǔ)、傳輸、還原過(guò)程中會(huì)有很多損失，所以電視機(jī)上的圖像分辨率是遠(yuǎn)低于這個(gè)值的，一般約在240-340線(xiàn)左右。對(duì)于攝像機(jī)的視頻輸出，有的黑白攝像機(jī)標(biāo)稱(chēng)分辨率高達(dá)600線(xiàn)，理論上這個(gè)分辨率是有可能達(dá)到的。而彩色攝像機(jī)標(biāo)稱(chēng)的分辨率有380線(xiàn)、420線(xiàn)、480線(xiàn)等規(guī)格。再來(lái)看看數(shù)字視頻流，數(shù)字視頻中一行采樣的像素?cái)?shù)是固定的，CCIR601的規(guī)定是720個(gè)像素，如果用線(xiàn)來(lái)表示，極限值是720線(xiàn)，可見(jiàn)大于模擬視頻的分辨率。 在安防監(jiān)控工程中，最常用的視頻源是420線(xiàn)或480線(xiàn)的彩色攝像機(jī)，扣除傳輸過(guò)程中的損失，最后能達(dá)到380線(xiàn)就不錯(cuò)了，保存為圖像時(shí)每行取360像素比較恰當(dāng)，再增加像素?cái)?shù)，清晰度雖然仍有提高，但已不太明顯。在工業(yè)領(lǐng)域，有時(shí)對(duì)分辨率有特別苛刻的要求，
評(píng)論