数字视频基本知识探讨
在电视机中，彩色视频信号首先分解为亮度信号Y和色度信号，色度信号再分解为U色差信号和V色差信号，最后由YUV三个分量经过矩阵运算变换为RGB信号，以便在显像管上显示。那么YUV具体是怎样变换为RGB呢？这个问题又叫做“彩色空间变换”，我将在本文的后面详细地讨论这个问题。
通过前面的讨论，我们已经知道：黑白视频信号带宽6 MHz，由帧、场、行、像素等组成，像素用亮度值Y来描述。彩色视频信号在黑白视频信号中插入了一个带宽1.3 MHz的色度信号，由这个信号来得到UV色差信号，最后把YUV变换为RGB来描述像素。
现在我们来分析一下视频信号的缺点。1、帧频低。视频信号的帧频只有25 Hz，必然导致图像闪烁。2、分辨率低。在一帧中有效的行只有576行。由于采用了隔行扫描，一帧图像要由连续的两场来拼合而成，而实际上很难保证两场中的行准确地错开（对准间隙），这进一步导致垂直方向的分辨能力损失。3、亮色串扰。亮度信号和色度信号混合在一起，解码的时候不能很好地分开，导致亮度信号和色度信号互相干扰。4、缺乏改进余地。除非重新制定新的标准，否则前面提到的三个问题在现有基础上都很难改进。视频信号格式有这么多缺点，是因为受当年制定这个标准时的技术条件制约造成的，而近年来通过在电视中加入一些数字处理的手段，比如倍频扫描（100 Hz场频）、使用数字梳状滤波器等方法，电视的图像质量也得到一些提高。而现在正在研究的数字电视，是重新制定的全新的标准，用以获得胶片质量的图像，可能会彻底淘汰现在的视频标准和电视设备，当然这是将来的事情，也不是我讨论的主题。
我想讨论的是“数字视频”，而前面说的都是模拟视频，这是因为我所说的数字视频是现有的模拟视频的数字表示，先搞清楚了模拟视频，下面的讨论就很简单了。
视频信号起初是以模拟信号的形式保存在录像磁带上的，而现在随着数字技术的发展，可以变成数字信号保存在光盘或计算机硬盘中，当然这些离不开功能强大的计算机，实际上，在嵌入式领域，数字视频也是可以应用的，比如用单片机或DSP来处理数字视频数据。下面，我们就来讨论数字视频数据的格式、转换、保存、显示等方面的问题。
从哪个问题开始呢？我们先来讨论一下模拟视频信号解码并量化成连续的数字视频流后所包含的一些信号元素。前面我们已经讨论了，模拟视频信号每秒25帧，每帧周期40ms，而每帧又分为2场，每场20ms，先输出的是奇场，然后是偶场，奇场的行号为第1至312.5行，偶场的行号为第312.5至625行，其中，奇场的第23.5至310行包含有效的视频信号，偶场的第336至622.5行包含有效的视频信号。把模拟视频信号解码为YUV分量后，分别进行A/D量化采样，转换为数字视频流，时间上也应该是按上面的顺序依次输出。有几个相关的国际标准对此作了一些约定。比如1994年国际无线电咨询委员会出台了CCIR601标准，这个标准主要是针对演播室的要求制定的，其中规定亮度信号的采样频率是13.5 MHz，色度信号的采样频率是6.75 MHz，采用8位PCM编码。这样，每行的Y采样数为864个，其中有效的Y采样数为720个。而每行的U或V采样数为432个，有效的U或V采样数为360个。平均描述每个像素的YUV的位数分别为8bit、4bit、4bit，又叫做YUV422编码方案（当然还有很多别的方案，如YUV411等）。国际无线电咨询委员会还出台了CCIR656建议，其中规定视频数据的量化值中的0和255保留不用，而量化数据串行输出的顺序是：U0、Y0、V0、Y1，U2，Y2，V2，Y3，U4，Y5，V4，Y6，如此循环。通过上面的讨论，我们可以看出，数字视频流应包含的元素有：奇偶场指示信号FI（有的称为ODD）、场同步信号、行同步信号、像素时钟、YUV数据输出。在此我们顺便计算一下数字视频流的数据量，每秒的数据量=（720像素*576行*25帧）*2字节=20736000字节，数据率约165Mbps，由此可见数字视频的数据量之大，数据率之高！
可以想象，保存和描述数字视频流的最简单办法当然就是记录和描述连续的一帧帧的静止图像。保存静止图像的最简单格式是BMP格式，就是位图。我们现在就来分析一下BMP文件格式。BMP文件记录图像的方式实际上有很多种，甚至可以直接在其中记录YUV分量，但是我不准备讨论那么多。BMP文件由文件头、图像特征描述、颜色表、图像数据四部分构成。为了简单起见，下面用的是VB的语法，下面用到的数字没特别说明的都是十进制表示。
BMP文件头数据结构如下：
Type BitMapFileHeader ‘共14字节
bfType As Integer ‘2个字节,填入字符”BM”,即 4D42（16进制）
bfSize As Long ‘4个字节,填入整个BMP文件的字节数大小
bfReserverd1 As Integer ‘2个字节,保留,填入0
bfReserverd2 As Integer ‘2个字节,保留,填入0
bfOffBits As Long ‘4个字节,表示图像数据在整个BMP文件中的起始位置
End Type
图像特征描述块的数据结构如下：
Type BitMapInfoHeader ‘共40字节
biSize As Long ‘4个字节,表示本结构的字节数大小,填入固定的值40
biWidth As Long ‘4个字节,填入图像水平方向像素数，其值必须是4的整数倍
biHeight As Long ‘4个字节,填入图像垂直方向像素数
biPlanes As Integer ‘2个字节,填入固定的值1
biBitCount As Integer ‘2个字节,表示每个像素的位数,灰度图填8,24位真彩图填24
biCompression As Long ‘4个字节,填入0表示不压缩
biXSizeImage As Long ‘4个字节,表示图像的像素总数
biXPelsPerMeter As Long ‘4个字节,填入固定值3780
biYPelsPerMeter As Long ‘4个字节,填入固定值3780
biClrUsed As Long ‘4个字节,填入固定值0
biClrlmportant As Long&
评论