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视频基础知识
多媒体的应用已经深入人们生活，视频会议已经成为工作会议、教学中重要的手段之一。
高清电视、高清视讯也是现在人们茶余饭后的谈资，那么什么是高清的标准？
什么是高清的分辨率？
计算机行业中的显示器与电视行业中的分辨率有什么区别？
为什么视频会议、数字电视在图像采样上采用子采样的方式？
高清视频会议和高清电视是怎么统一起来的？
本文就为你解开视频的层层面纱，深入了解视频会议的基础知识。
1颜色空间
1.1光和颜色
可见光是波长在380nm～780nm之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。
如果光源由单波长组成，就称为单色光源。
该光源具有能量，也称强度。
实际中，只有极少数光源是单色的，大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。
这称为光源的光谱分析。
颜色是视觉系统对可见光的感知结果。
研究表明，人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。
红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同。
自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定，以这三种颜色为基色构成一个RGB颜色空间，基色的波长分别为700nm（红色）、546.1nm（绿色）和435.8nm（蓝色）。
颜色＝R（红色的百分比）＋G（绿色的百分比）＋B（蓝色的百分比），只要其中一种不是由其它两种颜色生成，可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间。
图4颜色构成原理
1.2颜色的度量
图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。
国际照明委员会CIE（InternationalCommissiononIllumination）对颜色的描述作了一个通用的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。
这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。
色调（hue）又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。
色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。
用于描述感知色调的一个术语是色彩（colorfulness）。
饱和度（saturation）是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。
完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。
明度（brightness）是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。
它和人的感知有关。
由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮度（luminance）来度量明度，亮度（luminance）即辐射的能量。
明度的一个极端是黑色（没有光），另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。
光亮度（lightness）是人的视觉系统对亮度（luminance）的感知响应值，光亮度可用作颜色空间的一个维，而明度（brightness）则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。
1.3颜色空间
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。
从技术上角度区分，颜色空间可考虑分成如下三类：
Ø 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。
Ø 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，CIE1931XYZ，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。
Ø 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-RBT.601Y'CbCr,ITU-RBT.709Y'CbCr和SMPTE-240MY'PbPr等颜色空间。
1.4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：
Ø 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，CIEXYZ和CIEL*a*b*等。
Ø 有些颜色空间之间不能直接变换。
例如，RGB和CIELa*b*,CIEXYZ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。
其中，R'G'B'和Y'CbCr两个彩色空间之间的转换关系可以用下式表示：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Cr=（0.500R-0.4187G-0.0813B）+128
Cb=（-0.1687R-0.3313G+0.500B）+128
图5色彩空间的变换
Y'CbCr中，Y表示亮度，CbCr表示色差。
Y'CbCr彩色空间的特点：
Ø 亮度信号和色度信号相互独立的 ----可以对这些单色图分别进行编码。
这就是为什么黑白电视能接收彩色电视信号的原因。
Ø 人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低----可以把几个相邻像素不同的彩色值当作相同的彩色值来处理，从而减少所需的存储容量和传输量。
2电视制式
2.1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-Definitiontelevision）。
1.NTSC制式
NTSC（NationalTelevisionSystemsCommittee）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（29.97fps,33.37ms/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；
（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15750Hz，周期为63.5μs；场扫描频率是60Hz，周期为16.67ms；帧频是30Hz，周期33.33ms。
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。
2.PAL制式
由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国于1962年制定了PAL（Phase-AlternativeLine）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（40ms/帧）；
（2）长宽比（aspectratio）：
4:
3；
（3）隔行扫描，2场/帧，312.5行/场；
（4）颜色模型：
YUV。
3.SECAM制式
法国制定了SECAM（法文：
SequentialColeurAvecMemoire）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。
图像宽高比为4:
3，625线，50Hz，6MHz电视信号带宽，总带宽8MHz。
表1电视制式的比较
制式名
历史
应用
区别
NTSC制（NationalTelevisionSystemsCommittee）正交平衡调幅制
1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准
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
525行/帧,30帧/秒;隔行扫描;颜色模型：
YIQ
PAL制（Phase-AlternativeLine）逐行倒相正交平衡调幅制
德国（当时的西德）于1962年制定
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
625行（扫描线）/帧，25帧/秒;隔行扫描，2场/帧，;颜色模型：
YUV
SECAM制。
（法文：
SequentialColeurAvecMemoire）顺序传送彩色与存储制
法国制定
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
625行（扫描线）/帧，25帧/秒;隔行扫描
3.2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CCIR601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。
（1）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
（2）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
4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。
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。
图6图像子采样
5CIF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规定了称为公用中间分辨率格式CIF（CommonIntermediateFormat），1/4公用中分辨率格式（Quarter-CIF，QCIF）和（Sub-QuarterCommonIntermediateFormat，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（VideoHomeSystem，VHS）的分辨率，即352×288。
（2）使用非隔行扫描（non-interlacedscan）。
（3）使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30000/1001≈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-RBT.601。
即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。
下面是目前在非高清视频会议中定义的分辨率：
QCIF:
176×144
CIF:
352×288
4CIF:
704×576
7数字电视分辨率
电视技术，经历着从黑白电视到彩色电视，再到高清电视的发展过程。
我国决定从1999年10月1日起开始试播高清晰度电视（HDTV）。
电视的使用范围早已超越了广播娱乐界，并深深地扩展到文化教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航等各个重要部门。
近十多年来，由于微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号处理技术、计算机技术的突飞猛进，使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。
特别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现，带来了许多数字图像方面的应用。
技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成，数字电视接收机已上市出售，各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用。
国际上也相应地制定了统一的数字电视信号的编码标准，为数字电视的发展奠定了坚实的基础。
美国先进电视系统委员会（AdvancedTelevisionSystemsCommittee，简称ATSC）定义了18种数字电视采用的画面格式，这些画面格式被分成了三种类型：
SDTV（StandardDefinitionTV，480i标准清晰度电视，和现有电视系统的画面质量相当），EDTV（EnhancedDefinitionTV，480p增强清晰度电视，和DVD电影画面质量相当）以及HDTV。
如今这种分级方式已经得到了业界的广泛接受。
而其中的HDTV包含了两种画面分辨率，1920×1080和1280×720，当前各国各种标准的高清信号也无外乎这两种画面分辨率格式而已。
表2数字电视的分辨率
格式
分辨率
扫描线
画面比例
清晰度
576i
720×576
水平576线
隔行扫描
4:
3
和PAL模拟电视清晰度相同
D1（480i）
720×480
水平480线
隔行扫描
4:
3
和NTSC模拟电视清晰度相同
D2（480P）
720×480
水平480线
逐行扫描
4:
3
较D1隔行扫描要清晰不少，和逐行扫描DVD规格相同
D3（1080i）
1920×1080
水平1080线
隔行扫描
16:
9
标准数字电视显示模式
D4（720p）
1280×720
水平720线
逐行扫描
16:
9
虽然分辨率较D3要低，但是因为逐行扫描，视觉效果更加清晰
D5（1080p）
1920×1080
水平1080线
逐行扫描
16:
9
目前民用高清视频的最高标准
8高清晰度视频会议
在高清晰度编码/解码技术产生之前，视频会议数据是根据公用交换格式（CIF）进行编码的。
国际电信联盟-电信标准部门（ITU-T）制定了视频标准，称为H.261和H.263。
H.261标准只定义了QCIF和CIF格式。
四分之一CIF（QCIF）格式只被用于最低数据率（64千位/秒及更低）的会议，今天已经很少使用。
自从H.263标准发行以来，更多使用“全分辨率”（定以为16CIF）的格式（4CIF和16CIF）被采用。
由于采用此类标准时，计算和宽带功能有限，所以，用于全动感视频会议的公用分辨率仍然是CIF到4CIF。
下面的表格列出了用于NTSC（北美）和PAL（欧洲）视频信号的H.261和H.263标准的相应格式分辨率。
以下列出的分辨率代表4:
3的屏幕高度比。
格式
帧/秒
分辨率NTSC
分辨率PAL
QCIF
30
176X120
176X144
CIF
30
352X240
352X288
4CIF
30
704X480
704X576
16CIF
30
1408X960
1408X1152
ITU-T最近采用了视频压缩新标准，该方法减小了整个视频文件的大小，从而文件可以更为节省地通过容量更小的网络连接（更低的数据率/宽带）进行传输。
现在，ITU-T建议高清晰度视频会议采用H.264视频标准，该标准通过比较低的数据传输率提供上好的画面质量。
现在，H.264是HD-DVD（高清晰度DVD）以及广播、电缆、视频会议和消费者电子产品的强制使用的标准。
下面的表格说明了H.264标准中引入的SD和HD分辨率。
格式
帧/秒
分辨率（16:
9）
SD/HD
1080p
25,30
1920X1080
HD
720p
25,30
1280X720
HD
480p
25,30
860X480
SD
H.264规格是视频会议理想的工具。
尽管和之前的H.26x算法相比，它需要更强的处理能力，但是自2004年之后生产的大多数视频会议系统都包括H.264。
它可提供优质的视频传输和低延时的编码和解码，从而视频流更为流畅、自然。
事实上，H.264的效率是H.263的两倍，在特定线路速率下的视频质量也要高出一倍。
此外，某些增强的H.264规格包括互动视频的错误隐藏算法，此技术可自动调整视频操作，即便网络负担过重、不稳定或者出错率高，都可以保证操作自如，并提供更高品质的视觉享受。
H.264编码标准提供了更强的灵活性，为不同的开发商提供了进行互操作的通用平台。
H.263标准支持大量可能的变异产品，与此不同，H.264标准只包括少量的压缩技术。
这样一来，可以在不大幅度下、降视频质量的前提下更为轻易地实现来自多个生产商的不同视频会议设备的集成。
基于编解码算法的改进、网络传输带宽的提高、高清数字电视的发展，视频会议终于从4CIF一步迈入了高清殿堂，720p、1080p顺理成章的融入了视频会议系统。
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