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第三章：视频信号的获取和处理
 学习内容
一、彩色空间表示及其转换
1、多媒体计算机处理图像和视频，首先必须把连续的图像函数  进行空间和幅值的离散化处理，空间连续坐标  的离散化，叫做采样； 颜色的离散化，称之为量化。两种离散化结合在一起，叫做数字化，离散化的结果称为数字图像。
[1] 采样
对连续图像彩色函数 ，沿 x 方向以等间隔Δ x 采样，采样点数为 N ，沿 y 方向以等间隔Δ y 采样，采样点数为 N ，于是得到一个 N × N 的离散样本阵列  。为了达到由离散样本阵列以最小失真重建原图的目的，采样密度（间隔Δ x 与Δ y ）必须满足惠特克－卡切尼柯夫－香农（ Whittaker-Kotelnikov-shannon ）采样定理。
[2] 量化
采样是对图像函数 的空间坐标 进行离散化处理，而量化是对每个离散点 - 像素的灰度或颜色样本进行数字化处理。具体说，就是在样本幅值的动态范围内进行分层、取整，以正整数表示。
2、颜色的基本概念
彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到任意彩色光都是这三个特性的综合效果。
亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。
色调是当人眼看一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。
饱和度是指颜色的纯度，即掺入白光的程度，或者说是指颜色的深浅程度，对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或说越纯。
通常把色调和饱和度通称为色度，上述内容总结为：亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。
3、三基色（ RGB ）原理 ：
自然界常见的各种彩色光，都可由红（ R ）、绿（ G ）、蓝（ B ）三种颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度学中最基本原理 -- 三基色原理。
当然三基色的选择不是唯一的，也可以选择其它三种颜色为三基色，但是，三种颜色必须是相互独立的，即任何一种颜色都不能由其它两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝三种色光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色。
把三种基色光按不同比例相加，称之为相加混色，由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下：
红色 + 绿色 = 黄色
红色 + 蓝色 = 品红
绿色 + 蓝色 = 青色
红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色
称黄、品红和青色为相加二次色，此外还可以看出：
红色 + 青色 = 绿色 + 品红 = 蓝色 + 黄色 = 白色
我们称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。
显示彩色图像用 RGB 三基色，我们称为 相加混色模型 ：
(相加混色之三基色及其补色)
打印彩色图像时，我们用 CMYK 相减混色模型 。在相减混色中，当三种基本颜色等量相减时得到黑色；等量黄色（ Y ）和品红（ M ）相减而青色（ C ）为 0 时，得到红色（ R ）；等量青色（ C ）和品红（ M ）相减而黄色（ Y ）为 0 时，得到蓝色（ B ）；等量黄色（ Y ）和青色（ C ）相减而品红（ M ）为 0 时，得到绿色（ G ）。彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图片也是采用这种原理。
(相减混色)
由于人眼对于相同亮度单色光的主观亮度感觉不同，所以，用相同亮度的三基色混色时，如果把混色后所得单色光亮度定为 100% 的话，那么人的主观感觉是绿光仅次于白光是三基色中最亮的。红光次之，亮度约占绿光的一半；蓝光最弱，亮度约占红光的 1/3 。当白光的亮度用 Y 来表示时，它和红、绿、蓝三色的关系可用如下的方程描述：
Y = 0.299R+0.587G+0.114B
这就是常用的亮度公式，它是根据美国国家电视制式委员会的 NTSC 制式 推导得到的，如果采用 PAL 电视制式 时，白光的亮度公式将作如下改动：
Y = 0.222R+0.707G+0.071B
两个公式不同的原因，是由于所选取的显示三基色不同。
4、彩色空间表示
（1） RGB 彩色空间
在多媒体计算机技术中，用的最多的是 RGB 彩色空间表示，因为计算机彩色监视器的输入需要 RGB 三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色。所以不管在多媒体系统中采用什么形式的彩色空间表示，最后的输出一定要转换成 RGB 彩色空间表示。
在 RGB 彩色空间，任意彩色光 F ，其配色方程可写成：
F = r[R]+g[G]+b[B]
其中 r 、 g 、 b 为三色系数 r[R] ， g[G] ， b[B] 为 F 色光的三色分量。任意一种色光，其色度可由相对色系数中的任意两个唯一的确定。因此，各种彩色的色度可以用二维函数表示。用 r 和 g 作为直角坐标系中两个直角坐标所画的各种色度的平面图形，就叫 RGB 色度图，如下图所示。
（2） YUV 和 YIQ 彩色空间
在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色 CCD 摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色棱镜分成 R0G0B0 三个分量的信号，分别经放大和γ校正得到 RGB ，再经过矩阵变换电路得到亮度信号 Y 、色差信号 R-Y 和 B-Y ，最后发送端将 Y 、 R-Y 及 B-Y 三个信号进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的 YUV 彩色空间，采用 YUV 彩色空间的好处如下：
(1) 亮度信号 Y 解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题；
(2) 大量实验表明，人眼对彩色图像细节的分辨本领比对黑白的低得多，因此对色度信号 U 、 V ，可以采用 " 大面积着色原理 " 。用亮度信号 Y 传送细节，用色差信号 UV 进行大面积涂色。因此彩色图像的清晰度由亮度信号的带宽保证（ PAL 制亮度信号 Y 的带宽采用 4.43MHz ），而把色度信号的带宽变窄（ PAL 制色度信号带宽限制在 1.3MHz ）。
正是由于这个原因，在多媒体计算机中采用了 YUV 彩色空间，数字化后通常为 Y ： U ： V = 8 ： 4 ： 4 或者是 Y ： U ： V = 8 ： 2 ： 2 ，后者具体的作法是把亮度信号 Y 的每个像素都数字化为 8bit （ 256 级亮度），而 U ， V 色差信号每四个像素用一个 8bit 数据表示，即粒度变大。将一个像素用 24bit 表示压缩为用 12bit 表示，而人的眼睛却感觉不出来。
美国、日本等国采用的 NTSC 制，选用了 YIQ 彩色空间， Y 仍为亮度信号， I 、 Q 仍为色差信号，但它们与 U 、 V 是不同的，其区别是色度矢量图中的位置不同，如下图所示， Q 、 I 为互相正交的坐标轴，它与 U 、 V 正交轴之间有 33 °夹角。
由图可知 I 、 Q 与 V 、 U 之间的关系可以表示成：
(IQ轴与UV轴的关系)
选择 YIQ 彩色空间的好处是，人眼的彩色视觉特性表明，人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力最强，而分辨蓝与紫之间颜色变化的能力最弱。在色度矢量图中，人眼对于处在红、黄之间，相角为 123 °的橙色及其相反方向相角为 303 °的青色，具有最大的彩色分辨力，因此把通过 123 °至 303 °线即 IO 线的色度信号称为 I 轴，它表示人眼最敏感的色轴。与 I 正交的色度信号轴称为 Q 轴，表示人眼最不敏感的色轴。在传送分辨力弱的 Q 信号时，可用较窄的频带，而传送分辨力较强的 I 信号时，可用较宽的频带。在 NTSC 制中， I 的带宽取 1.3 ～ 1.5MHz 和 PAL 制的 U 、 V 带宽差不多，而 Q 的传送带宽只是 0.5MHz ，仅是 I 带宽的 1/3 。
PAL 制 25 帧 / 秒 NTSC 制 30 帧 / 秒
5、彩色空间的转换及其实现技术
⊙ RGB 与 YUV 和 YIQ 之间的转换
彩色摄像机最初得到的是经过 g 校正的 RGB 信号，为了和黑白电视机兼容及压缩编码，在传送过程中包含亮度信号和色差信号，亮度方程简化如下：
（ 3.5 ）
公式表明，用三基色显示彩色时，各基色组成亮度 Y 的比例关系是恒定的。这些比例系数有时称之为 " 可见度系数 " ，它们的和为 1 ，这表示当基色信号电压 ER 、 EG 、 EB 各为 1V 时，构成亮度信号 EY 也是 1V 。
三个色差信号 B-Y ， R-Y ， G-Y 中有两个是独立的，最后一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到，表达式如下：
（ 3.6 ）
为了达到彩色与黑白兼容，要求传输的动态范围满足亮度信号的要求，如果按上述方法传输彩色全电视信号，会造成幅度失真，为此必须对彩色信号进行压缩，压缩方法是让色差信号乘上一个小于 1 的压缩系数：
（ 3.7 ）
将式（ 3.6 ）代入式（ 3.7 ），整理后得到：
（ 3.8 ）
YIQ 彩色空间和 RGB 彩色空间的转换方法是：将 V=0.877(R-Y) ， U=0.493(B-Y) ， sin33 ° =0.545 ， cos33 ° =0.839 代入式（ 3.4 ），可得到：
（ 3.9 ）
将式（ 3.6 ）代入式（ 3.9 ），整理后得到：
（ 3.10 ）
6、全电视信号
（1）黑白全电视信号
电视摄像机把一幅图像信号转变成的输出信号就是全电视信号。全电视信号主要由图像信号（视频信号）、复合消隐信号和复合同步信号组成。这两种信号加在一起称为全电视信号。
全电视信号的幅度是：以同步信号作为 100% ，黑电平和消隐电平为 70% ，白电平为 0% ，图像信号介于白电平和黑电平之间，根据图像的灰度而变化。在标准的 1V 全电视信号中，同步信号为 0.3V ± 9mV ，图像信号为 0.7V ± 20mV 。
从幅度上看全电视信号
峰 -- 峰值为 1 伏
以同步信号为 100% ，黑电平和消隐电平为 70% ，白电平为 0% ，图像信号介于白平和黑电平之间根据图像的灰度而变化。
在标准的 1V 黑电信号中：
同步信号： 0.7v~1v 0.3v ± 9mv
图像信号： 0v~0.7v 0.7v ± 2.mv
如下图所示：
从时间上看，每一行的周期为 64 μ s ，其中，图像占 52.2 μ s ，行消隐占 11.8 μ s ± 250ns 。行同步信号的带宽为 4.7 μ s ± 100ns ，它比行消隐信号延迟 1.3 μ s ± 250ns 。每一场的周期为 312.5H=20ms ，其中，场消隐信号占 25H+1 行消隐信号，即等于 1600 μ s+11.8 μ s 。均衡脉冲的宽度是 2.35 μ s ± 100ns ，周期为半行，共 12 个（前六个，后六个）。场同步脉冲有 6 个槽脉冲，其宽度为 4.7 μ s ± 100ns 。
从时间上看全电视信号：
每行时间为 64 μ s ，正程 52.2 μ s ，逆程 11.8 μ s ，行同步为 4.7 μ s ，行延迟为 1.3 μ s
一帧 = 奇数场 + 偶数场 =40ms
626 行 =312.5 行 +312.5 行 =29ms+20ms
场消隐 =25 × 64+11.8 =1611.8 μ s
场同步 =3 × 64=192 μ s
场延迟 =192 μ s
如下图所示：
在全电视信号中，把奇数场同步信号的前沿作为一场的起点，第 1 、 2 、 3 行是场同步信号，第 4 、 5 、 6 行是后均衡脉冲， 7~22 行还是场消隐信号，该场消隐信号从前场 623 行开始，因此，整个消隐信号是 25 行加一个行消隐时间。图像信号从 23 行起到 309.5 行止，共 287.5 行，这就是第一场或称奇数场。从 309.5 行开始又是下一场的场消隐信号及前均衡脉冲，在 312.5 行出现下一个偶数场的场同步脉冲，奇数场到此结束。偶数场开始，图像信号及偶数场结束，如下图所示。奇数场加上偶数场称为一帧。
（2） 彩色全电视信号
在现代彩色电视系统中，通常采用 YUV 彩色空间或 YIQ 彩色空间， Y 为亮度信号，它可以与黑白全电视信号兼容， U 和 V 用载波频率ω SC 调制加到亮度 Y 上，最后形成彩色全电视信号，如下式所示：
CVBS = Y + Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.15 ）
在 NTSC 制系统中， U 信号调制在副载波的零相位上，而 V 信号是固定地调制在 90 。的相位上的。在 PAL 制系统中，调制情况略有差别。 U 信号的调制与 NTSC 制相同，而 V 信号的调制是：第一行调制在 90 。的相位上（与 NTSC 制相同，称为 NTSC 行）；下一行（同隔行扫描是下面的第三行）调制在 270 。的相位上（称为 PAL 行）；再下一行又回到 90 。的相位上。按此顺序， V 信号调制相位逐行倒相 180 。。图 2.8 示出了 PAL 制的平衡正交调制的倒相原理。
(图 2.8 PAL 制平衡正交调制中的倒相原理)
根据图 2.8 的矢量图，可写出 PAL 制色度信号 Ch 的表达式
Ch = Ucos ω SCt + S(t)sin ω SCt （ 2.16 ）
式中， S(t) 称为 PAL 开关函数，它是双极性矩形脉冲，其重复周期为行周期 Th 的两倍，幅度为 +1 和 -1 。 PAL 开关函数 S(t) 代表 PAL 制系统的根本特征，它的引入相当有效地克服了 NTSC 制系统中对信道微分相位敏感的缺点，这是 PAL 制取得成功的原因。
最后将亮度、复合消隐信号与色度信号、复合同步信号混合放大，形成 PAL 制彩色全电视信号。以 100% 幅度和 100% 饱和度（简写为 100/100 ）的彩条信号为例的彩色全电视信号如图 2.9 所示，图中标出了各部分的标准电平数值。
图 2.9 在 75 Ω负载上， 100/100 彩条的彩色全电视信号各部分的电平标准（输入信号 R 、 G 、 B 幅度为 0.7V 时）
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