視頻基礎知識（一）

高海鵬 編譯

什么是視頻信號

視頻一詞譯自英文Video。我們看到的電影、電視、DVD、VCD等都屬于視頻的范疇。視頻是活動的圖像，正如像素是一幅數字圖像的最小單元一樣，一幅幅靜止圖像組成了視頻，圖像是視頻的最小和最基本的單元。視頻是由一系列圖像組成的，在電視中把每幅圖像稱為一幀(frame)，在電影中每幅圖像稱為一格。與靜止圖像不同，視頻是活動的圖像。當以一定的速率將一幅幅畫面投射到屏幕上時．由于人眼的視覺暫留效應．我們的視覺就會產生動態畫面的感覺，這就是電影和電視的由來。對于人眼來說，若每秒播放24格(電影的播放速率)、25幀(PAL制電視的播放速率)或30幀(NTSC制電視的播放速率)就會產生平滑和連續的畫面效果。

彩色電視的基本原理是什么?

電視“Televlsion”一詞的原意就是遠距離觀看，把圖像從一地傳送到另一地是人類長期的夢想。那么如何實現呢?像素起了決定作用。把任何一幅圖像劃分成許多大小相等而明暗、色調不等的最小單元，這些最小單元按一定的順序排列起來即可構成原來的圖像。這種構成視頻畫面的最小單元稱為像素。像素按一定的方式一個個地排列起來，即可構成一幀幀的電視畫面。像素劃分得越細小，也就是說單位面積上分解出的像素越多，接收端恢復出來的圖像就越清晰，越接近于真實。

視頻是如何劃分的？

從視頻信號的組成和存儲方式來講分為模擬視頻和數字視頻，模擬視頻簡單地說就是由連續的模擬信號組成的視頻圖像，我們看到的電影、電視、VHS錄像帶上的畫面通常都是以模擬視頻的形式出現的，數字視頻是區別于模擬視頻的數字式視頻，它把圖像中的每一個點(稱為像素)都用二進制數字組成的編碼來表示，可對圖像中的任何地方進行修改，這也正是數字視頻魅力無窮的源泉。

視頻信號往往是和音頻信號相伴的，作為一個完整的信息需要將音頻和視頻結合起來形成一個整體。我們經常使用的錄像帶就是將磁帶分為兩個區域，分別用來記錄視頻信息和音頻信息，在播放時，將視、音頻信號同時播放。

模擬視頻是如何產生的？

我們以前所接觸的視頻信號都是模擬信號，之所以稱為模擬信號，是因為它模擬了表示聲音、圖像信息的物理量。攝像機是我們獲取視頻信號的來源，我們以最早的電子管攝像機為例，電子管作為光電轉換器件，把外界的光信號轉化為電信號。攝像機前的被攝物體有不同的亮度，對應于不同的亮度值，攝像機電子管中的電流會發生相應的變化。模擬信號就是用這種電流的變化來代表或模擬所攝取的圖像，記錄下它們的光學特征。然后通過調制和解調，將信號傳輸給接收機，通過電子槍顯示在熒光屏上，還原成原來的光學圖像。這就是電視廣播的基本原理與過程。

為了記錄下模擬視頻信號，一般采用磁帶作為記錄載體。利用磁帶的磁滯回線特性將音視頻信號記錄在磁帶上。完成記錄與重放的設備就是錄像機，錄像機中有磁頭，按一定的規律運動，將隨時間變化的音視頻信號記錄在磁帶上。在重放時，磁帶上表現音視頻信號的磁感應強度信號被磁頭感應成電信號，再經過處理還原成視頻信號。

電視是如何傳輸活動圖像的?

電視傳送活動影像的關鍵在于：第一，把要傳送的電視畫面分解成許多像素。第二，把這些明暗不等的像素變換成相應的大小不同的電信號并傳送出去，在接收端再同時把這些大小不同的電信號還原成相應的像素。實踐證明，為了保證一幅恢復后的圖像逼真而清晰，至少應分解出幾十萬個像素。而每個像素占用一條傳輸通道，要把所有像素的亮度信息同時轉換成相應的電信號，并同時傳輸出去，這稱為像素同時傳輸制。雖然每條通道傳輸帶寬僅需20Hz左右，但是在電路上要同時提供幾十萬條通道，這在技術上看是既不經濟又難以實現的。因此，同時傳輸制未被采納。

后來經研究發現，如果將景物分解成許多像素后，把所有像素的亮度信息按時間順序一一輪流傳輸出相應的電信號，其所用的傳輸通路只需一條。只要輪流的速度足夠快，由于人眼的視覺暫留特性，看起來好像是所有的像素同時發光，顯示出完整的畫面。這種方式被稱為像素順序傳送制。

電視是如何傳輸彩色圖像的?

通過像素順序傳送制可以將亮度信息傳送出去．這是黑白電視的原理。對彩色電視來說．又增加了一個困難就是如何傳送彩色信息。自然界有無數種色彩，每種色彩用一條通道傳輸顯然也是不現實的。實際上采用三基色原理，即用三種基本色的不同組合就可以模擬出自然界中的無數色彩。這樣，自然界中千差萬別的色彩就用不著一一傳送，只要傳送三基色及其組成比例的信息就行了，這就為彩色電視進行彩色分解與再現奠定了理論基礎。

在彩色電視中，利用三基色原理，首先把所拍攝的景物的彩色光分解為紅、綠、藍三種單色光信號，再將其分別進行光電變換及一定的編碼處理之后，合成一路電信號進行輸送，然后在彩色電視接收機中再解碼恢復成紅、綠、藍三個單色電信號，并且在彩色熒光屏上利用相加混色法和人眼的視覺特性，正確地再現原彩色景物的圖像。

彩色電視信號是如何編碼的？

三基色原理是彩色電視的基礎，由于人的視覺系統對色度信號的感覺和亮度信號的感覺敏感性是不一樣的，因此在實際運用中，采用了不同的色彩編碼方式，將彩色電視分解為三個分量，一個亮度分量Y和兩個色彩分量U、V(也是色差分量，R-Y、B-Y)，把亮度和色彩信息分別對待，然后調制在一起進行記錄和傳輸。根據調制方式的不同可分為復合視頻(ComposlteVideo)、分量視頻(S—Video、YUV)。

亮度分量Y和兩個色差分量U、V按以下關系運算：

Y＝0．30R+0．59 G+0.11B

R-Y＝0．70R－0．59G－0．11B

B-Y＝－0．30R－0．59G+0．89B

G-Y＝－0．3R+0．41G－0．11B

在接收端(電視機)，利用解碼器中電路的運算就可以按上述公式將將紅、綠、藍三色信號解碼還原出來，投射到熒光屏上，真實還原景物。

什么是電視制式？世界上有幾種電視制式?

電視信號采用編碼標準的不同，形成了不同的電視制式。電視制式是指一個國家的電視系統所采用的特定制度和技術標準。具體來說現在世界上共有3種電視制式，目前全世界大部分國家(包括歐洲多數國家、非洲、澳洲和中國)采用PAL制，采用25fps幀率；美國、日本、加拿大等國采用的是由美國國家電視標準委員會(NTSC)制定的NTSC制，采用30fps幀率(精確地講為29．97 fps)；另一種制式SECAM制主要用于法國、前蘇聯及東歐國家。

PAL制式彩色電視也稱逐行倒相制式，它克服了NTSC制式對于色度副載波相位的敏感性，把2個色差信號變為U、V信號，帶寬均為1．3MHz。在發送端把副載波色度信號V進行逐行倒相．在接收端再把極性復原，并利用延遲線使相位誤差引起的色調變化，在相鄰行之間互相補充。

SECAM制式是順序傳送彩色與存儲制式。它的亮度信號每行都傳送，利用延遲線把上一行的色差信號作為未傳送行色差信號。它把2個色差信號分別對2個副載波調頻，克服了相位的敏感性。

NTSC制式彩色電視是美國國家電視委員會指定的制式。被傳送的彩色圖像被分解為紅、綠、藍三基色信號，然后變換成亮度信號和2個色差(I、Q)信號，以便于與黑白電視兼容．根據大面積著色原理，把2個色差信號對副載波進行正交平衡調幅以后，進行頻譜交錯，加入到亮度信號中一起傳送。NTSC制式有相位敏感的缺點。

什么是逐行掃描？

順序地分解像素和綜合像素，這個過程稱為掃描。逐行掃描的規律為從左到右、從上到下進行掃描，掃完第一幅后掃第二幅，如此循環。當掃描速度足夠快，使換幅頻率既高于活動景物運動連續感所需的換幅頻率(也稱為融和頻率，20Hz)，又高于臨界閃爍頻率(45．8Hz)，則接收到的是既有連續感又無閃爍感的活動影像。由于上述掃描的過程是逐行進行的，因此稱為逐行掃描(noninterlaced scanning)

為什么逐行掃描的圖像清晰穩定?

我們都知道逐行掃描比隔行掃描有更穩定細膩的圖像。為什么會這樣呢？這要從兩個基本概念——換幅頻率、人的閃爍感覺和臨界閃爍頻率說起。 根據人眼的視覺暫留效應，只要畫面的更換頻率(換幅率fps)大于20Hz，在視覺上就會有畫面連續運動的印象。因此電影定義為每秒24格，電視確定為每秒25幀(PAL制)。但實際上，如果僅僅是畫面的換幅頻率高于20Hz的話，人眼雖然能夠感覺到畫面的連續運動，但還是會感到一閃一閃的效果，很不舒服，這是因為閃爍感覺效應的存在。

實驗表明，如果周期性重復的脈沖光源作用到視網膜上，當脈沖光的重復頻率不夠高時，人眼會對之產生忽明忽暗交替變化的閃爍感覺。這是因為光源在有光和無光的階段變化時，人眼能夠在亮度感覺上辨別出它們的變化。而當閃爍頻率達到一定值時人眼就不再有閃爍感覺，這個值就稱為臨界閃爍頻率。通過計算得出電視圖像不閃爍的最低重復頻率45．8Hz，這個值為電視畫面換幅頻率的選擇奠定了基礎。

這樣，我們根據視覺暫留效應把電視畫面的換幅頻率定在了25幅／秒(PAL制)，又根據臨界閃爍頻率的原理，再考慮到交流電源的干擾問題(如我國是220V／50Hz的交流電)，將電視畫面的換幅頻率確定為50幅／秒(NTSC制為60幅／秒，這是因為那些國家和地區的交流電是60Hz的)。

電腦顯示器采用逐行掃描，圖像的換幅頻率普遍高于50Hz。早期電腦基本配置的換幅頻率即為60Hz，現在主流的配置已在100Hz左右，因此閃爍感覺就不存在了。

什么是隔行掃描？如何理解幀和場的概念？為什么電視系統要采用隔行掃描?隔行掃描如何減小閃爍感覺？

既然逐行掃描具有清晰穩定的優點．人們會問為何電視不采用逐行掃描呢?這是因為如果按照掃描原理進行逐行掃描的話，需要相當大的圖像信號帶寬來傳送這些電信號，在技術上有限制，而且成本高昂。怎么辦呢?人們采用了隔行掃描的方法。

電視采用隔行掃描(interlaced scanner)的方法是為了減小帶寬。隔行掃描的原理是，將一幀畫面分為兩場掃描，也就是說將掃描線分為兩組交叉進行掃描。電子束先掃描一幀的所有奇數行，構成奇數行光柵，稱為奇數場(odd field)；然后再掃描同一幀的所有偶數行．構成偶數行光柵，稱為偶數場(even field)。兩場光柵在重現圖像上精確鑲嵌，構成一幀畫面。這樣圖像帶寬可以減小一半。由于整體畫面的重現頻率為50Hz，所以在一定距離上觀看整體畫面沒有閃爍感。隔行掃描優點是可以保證在圖像清晰度無太大下降和畫面無大面積閃爍的前提下，將圖像信號帶寬減小一半。

隔行掃描其實是一種“偷工減料”的方法，但它很有效，使得電視得以普及，隔行掃描就是一種減小數據量保證信息量的壓縮方法。

電影每秒播放24格畫面，為什么沒有閃爍的感覺

電影更是采用“偷工減料”方法來消除閃爍感的。理論上電影放映頻率在48格／秒就可以消除閃爍感，可是這樣的話所需的膠片量就太大了。另外，電影放映是靠機械式間歇抓片機構把一格格膠片抓到放映機的片窗前，來自于光源的照射將畫面投射到銀幕上。膠片與抓片機構是直接接觸的，放映頻率提高就得提高抓片速度，電影膠片難以承受。那么如何解決消除閃爍感覺呢?實際上，電影放映機的遮光器是做成雙開口的結構，這樣在每格畫面在片窗停留的瞬間(1／24秒)可以曝光兩次。這樣雖然每秒鐘播映了24格畫面，實際上海幅畫面出現了兩次，于是換幅頻率就提高到48幅／秒，閃爍效應就消除了。

模擬視頻有哪些缺點？

我們現在身處數字時代，數字化設備已經即將取代模擬設備成為主角。不過我們不能忘記，電視從發明伊始是以模擬視頻為基礎的，在電視誕生后的數十年里發揮了主要作用。但隨著電腦應用、數字技術的成熟，模擬視頻開始退出視頻領域。這其中一方面由于數字技術的迅速發展，另一方面它本身的缺點也是一個重要原因。

從模擬視頻的原理我們得知，模擬視頻是一個連續變化的電子波形，它以磁帶為記錄載體。磁帶的特性決定了它不能忠實地記錄和還原模擬信號，這樣在記錄時不可能完全保持信號原來的特征，而在還原時也不能原原本本地再現模擬信號，這就會產生失真。比如畫面上某一點的亮度值被測定為25．10V，在記錄到磁帶上時就變成了25．20V，在播放(讀出)時又變成了25．30V。另外，在電視節目的制作過程中信號要被多次的復制，每經過一次復制就要產生誤差(即失真)。如果復制一次的誤差率為0．1％，那么復制五次(電視節目的最終播出版一般要經過四、五次編輯)的話，誤差被積累后就變成了99．5％了，這樣累計起來就會使失真越來越嚴重。表現在畫面是圖像質量就越來越差。另外，由于模擬信號實際上是一個連續變化的電信號的電子波形，因此在信號傳輸過程中容易受到干擾。(未完待續)