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| 监控图像的相关知识 | |||
| 监控图像的相关知识 | |||
作者：京视安 技术支持来源：本站原创 点击数： 更新时间：2008-4-25  |
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颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉我们是什么颜色，其颜色要取决于我们使用的坐标。 使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间，叫做HSB(hue, saturation and brightness)颜色空间。RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间，它们都是与设备相关的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。 RGB(red，green and blue)和CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间，前者用在显示器上，后者用在打印设备上。 从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类： RGB型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类模型主要用于电视机和计算机的颜色显示系统。例如，RGB，HSI, HSL和HSV等颜色空间。 XYZ型颜色空间/CIE颜色空间：这类颜色空间是由国际照明委员会定义的颜色空间，通常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法。例如，CIE 1931 XYZ，L*a*b，L*u*v和LCH等颜色空间就可作为过渡性的转换空间。 YUV型颜色空间/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如，YUV，YIQ，ITU-R BT.601 Y'CbCr, ITU-R BT.709 Y'CbCr和SMPTE-240M Y'PbPr等颜色空间。 颜色空间的转换 不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换： 有些颜色空间之间可以直接变换。例如，RGB和HSL，RGB和HSB，RGB和R'G'B', R'G'B'和Y'CrCb，CIE XYZ和CIE L*a*b*等。 有些颜色空间之间不能直接变换。例如，RGB和CIE La*b*, CIE XYZ和HSL，HSL和Y'CbCr等，它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行过渡。 R'G'B'和Y'CbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128 彩色电视的制式及其颜色空间 1、彩色电视制式 目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV (High-Definition television)。 NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。 NTSC彩色电视制的主要特性是： (1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) (2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2；高清晰度电视为16:9) (3) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 (4) 在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据。Laser disc约~420线，S-VHS约~320线 (5) 每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒。 (6) 颜色模型：YIQ 一帧图像的总行数为525行，分两场扫描。行扫描频率为15 750 Hz， 周期为63.5μs；场扫描频率是60 Hz，周期为16.67 ms；帧频是30 Hz，周期33.33 ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480行。 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。 PAL电视制的主要扫描特性是： (1) 625行(扫描线)/帧，25帧/秒(40 ms/帧) (2) 长宽比(aspect ratio)：4:3 (3) 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 (4) 颜色模型：YUV 法国制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。 这种制式与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序传输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65个地区和国家使用这种制式，图像格式为4:3，625线，50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽8 MHz。 彩色电视的颜色空间 在彩色电视中，用Y、C1, C2彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号，C1，C2的含义与具体的应用有关。在NTSC彩色电视制中，C1，C2分别表示I、Q两个色差信号；在PAL彩色电视制中，C1，C2分别表示U、V两个色差信号；在CCIR 601数字电视标准中，C1，C2分别表示Cr，Cb两个色差信号。所谓色差是指基色信号中的三个分量信号(即R、G、B)与亮度信号之差。 NTSC的YIQ颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下： Y=0.30R+0.59G+0.11B I=0.74(R－Y)－0.27(B－Y) = 0.60R+0.28G+0.32B Q=0.48(R－Y)－0.27(B－Y) = 0.21R+0.52G+0.31B PAL的YUV颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下： Y=0.30R+0.59G+0.11B U=0.493(B－Y) = －0.15R－0.29G+0.44B Q=0.877(R－Y) = 0.62R－0.52G－0.10B 视频图像采样 模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合的YUV信号方式，而计算机工作在RGB空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。 模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模／数转换器对三个分量分别采样并进行数字化，最后再转换成RGB空间。 1、图像子采样 对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号（Y）和色差信号（Cr，Cb）进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度，这样做利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使两个色差信号所占的带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。 目前使用的子采样格式有如下几种： (1) 4:4:4 这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。 (2) 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。 (3) 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。 (4) 4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。 2、CIF、QCIF和SQCIF格式 为了既可用625行的电视图像又可用525行的电视图像，CCITT规定了称为公用中分辨率格式CIF(Common Intermediate Format)，1/4公用中分辨率格式(Quarter-CIF，QCIF)和(Sub-Quarter Common Intermediate Format，SQCIF)格式对电视图像进行采样。 CIF格式具有如下特性： (1) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288。 (2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 (3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/1001≈29.97幅/秒。 (4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。 (5) 对亮度和两个色差信号(Y、Cb和Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。 下面为5种 CIF 图像格式的参数说明。参数次序为“图象格式 亮度取样的象素个数(dx) 亮度取样的行数 (dy) 色度取样的象素个数(dx/2) 色度取样的行数(dy/2)”。 sub-QCIF 128 96 64 48 QCIF 176 144 88 72 CIF 352 288 176 144 4CIF 704 576 352 288 16CIF 1408 1152 704 576 H.263压缩编码格式 1 H.263压缩编码格式 H.263 视频编码标准是专为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标准。H.263 采用运动视频编码中常见的编码方法，将编码过程分为帧内编码和帧间编码两个部分。I帧内用改进的DCT 变换并量化，在帧间采用1/2 象素运动矢量预测补偿技术，使运动补偿更加精确，量化后适用改进的变长编码表（VLC）地量化数据进行熵编码，得到最终的编码系数。 2 H.263 帧类型 A 内码帧（I帧）不能由任何其它帧构造出来，包含所有可显示它的信息。 帧编码过程： 每个光亮度和色差平面被分成8＊8的块 各块使用DCT转换成频率域 利用量化表进行量化。 对各块中最重要系数序列（DC系数）用DPCM技术进行编码，且仅编码两个相邻DC值的差 各块中的系数是按锯齿形次序进行行程编码 最后进行类哈夫曼编码 预测帧（P帧）：由前面的帧构造所得。 帧编码： 帧编码过程： 在基准帧中对每个宏块均查找其最佳匹配宏块 计算实际宏块和最佳匹配宏块的差，作为运动向量 误差项用DCT进行转换 接着进行量化步，形成“锯齿形次序”行程编码，最后进行类哈夫曼平均信息量编码。注意量化表与I帧所用的不同，DC系数的编码与其他系数的编码方式相同 3 h.263特点 与H.261 的p×64K 的传输码率相比，H.263的码率更低，单位码率可以小于 64K，且支持的原始图像格式更多，包括了在视频和电视信号中常见的QCIF，CIF，EDTV，ITU－R 601，ITU－R 709 等等。 H.263的编码速度快，其设计编码延时不超过150ms；码率低，在512 K 乃至 384K 带宽下仍可得到相当满意的图像效果，十分适用于需要双向编解码并传输的场合（如:可视电话）和网络条件不是很好的场合（如:远程监控）。 H．263图象被编码为一个亮度信号和两个色差成分（Y，CB和CR）。 4 H.263的数据结构 H.263采用句法和语义学的方法对多路视频来管理的。 句法被划分为四层，四个层分别是图象、块组、宏块、块。图象层每帧图象的数据包含一个图象头，并紧跟着块组数据，最后是一个end-of-sequence码和填塞位。其中包括有图象开始码(PSC) (22 bits)、时域参照(TR)(8 bits)、类型信息 (PTYPE) (13 bits) 和量化器信息 (PQUANT) (5 bits)等十三个选项。 每个块组层(GOB)包含了一个块组层头，紧跟着宏块数据。每个GOB包含了一行或多行宏块。对于每帧图象的第一个GOB（0号），不需要传送GOB头。而对于其它的GOB，GOB头可以为空，这决定于编码策略。译码器可以通过外部手段发送信号给远程变码器要求只传送非空GOB头，例如建议H.245。 每个宏块中包含了一个宏块头和后续的块数据。COD只出现在用PTYPE指定为"INTER"的图象帧中，对于这些图象中的宏块，当COD指定或PTYPE指示为"INTRA"时会出现宏块类型 & 色度的编码块样式（MCPBC）。如果PTYPE指示了"PB帧"，对于B块的宏块 (MODB)会出现。只有在MODB中指定时才会出现CBPB（指示将传送宏块的B系数）和B宏块的运动矢量数据 (MVDB) (变长)。当MCPBC和CBPY中指定时会出现"块数据"。 块层如果不在PB帧模式，一个宏块包含四个亮度块和两个色差块。在PB帧模式下，一个宏块包含12个块。在缺省H.263模式下，首先传送6个P块数据，然后是6个B块数据。 |
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