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視像通信產(chǎn)品
高頻與射頻信號及視頻壓縮編碼的基本概念
2010/01/20
一、NTSC彩色電視制式：
它是1952年由美國國家電視標準委員會(huì )指定的彩色電視廣播標準，它采用正交平衡調幅的技術(shù)方式，故也稱(chēng)為正交平衡調幅制。美國、加拿大等大部分西半球國家以及中國的臺灣、日本、韓國、菲律賓等均采用這種制式。
二、PAL制式
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它是西德在1962年指定的彩色電視廣播標準，它采用逐行倒相正交平衡調幅的技術(shù)方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺點(diǎn)。西德、英國等一些西歐國家，新加坡、中國大陸及香港，澳大利亞、新西蘭等國家采用這種制式。PAL制式中根據不同的參數細節，又可以進(jìn)一步劃分為G、I、D等制式，其中PAL－D制是我國大陸采用的制式。
三、SECAM制式
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SECAM是法文的縮寫(xiě)，意為順序傳送彩色信號與存儲恢復彩色信號制，是由法國在1956年提出，1966年制定的一種新的彩色電視制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺點(diǎn)，但采用時(shí)間分隔法來(lái)傳送兩個(gè)色差信號。使用SECAM制的國家主要集中在法國、東歐和中東一帶。
為了接收和處理不同制式的電視信號，也就發(fā)展了不同制式的電視接收機和錄像機。
1、高頻或射頻信號
為了能夠在空中傳播電視信號，必須把視頻全電視信號調制成高頻或射頻（RF－RadioFrequency）信號，每個(gè)信號占用一個(gè)頻道，這樣才能在空中同時(shí)傳播多路電視節目而不會(huì )導致混亂。我國采樣PAL制，每個(gè)頻道占用8MHz的帶寬；美國采用NTSC制，電視從2頻道至69頻道，每個(gè)頻道的帶寬為4MHz，電視信號頻帶共占用54MHz至806MHz的信道。有線(xiàn)電視CATV（CableTelevision）的工作方式類(lèi)似，只是它通過(guò)電纜而不是通過(guò)空中傳播電視信號。
電視機在接收受到某一頻道的高頻信號后，要把全電視信號從高頻信號中解調出來(lái)，才能在屏幕上重現視頻圖像。
2、復合視頻信號
復合視頻（CompositeVideo）信號定義為包括亮度和色度的單路模擬信號，也即從全電視信號中分離出伴音后的視頻信號，這時(shí)的色度信號還是間插在亮度信號的高端。由于復合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號重放時(shí)很難恢復完全一致的色彩。這種信號一般可通過(guò)電纜輸入或輸出到家用錄像機上，其信號帶寬較窄，一般只有水平240線(xiàn)左右的分解率。早期的電視機都只有天線(xiàn)輸入端口，較新型的電視機才備有復合視頻輸入和輸出端（VideoIn，VideoOut），也即可以直接輸入和輸出解調后的視頻信號。視頻信號已不包含高頻分量，處理起來(lái)相對簡(jiǎn)單一些，因此計算機的視頻卡一般都采用視頻輸入端獲取視頻信號。由于視頻信號中已不包含伴音，故一般與視頻輸入、輸出端口配套的還有音頻輸入、輸出端口（Audio－In、Audio－Out），以便同步傳輸伴音。因此，有時(shí)復合式視頻接口也稱(chēng)為AV（AudioVideo）口。
3、S－Video信號
目前有的電視機還備有兩分量視頻輸入端口（S－VideoIn），S－Video是一種兩分量的視頻信號，它把亮度和色度信號分成兩路獨立的模擬信號，用兩路導線(xiàn)分別傳輸并可以分別記錄在模擬磁帶的兩路磁跡上。
這種信號不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開(kāi)傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達420線(xiàn)。與復合視頻信號相比，S－Video可以更好地重現色彩。
兩分量視頻可來(lái)自于高檔攝像機，它采用兩分量視頻的方式記錄和傳輸視頻信號。其它如高檔錄像機、激光視盤(pán)LD機的輸出也可按分量視頻的格式，其清晰度比從家用錄像機獲得的電視節目的清晰度要高得多。
不同制式的電視機只能接收和處理其對應制式的電視信號。當然，目前也發(fā)展了多制式或全制式的電視機，這為處理和轉換不同制式的電視信號提供了極大的方便。全制式電視機可在各國各地區使用，而多制式電視機一般為指定范圍的國家生產(chǎn)。如PanasonicTC-2188M多制式電視機，適用于PAL－D，I制和NTSC（3.58）制，也即它可以在中國大陸（PAL－D）、香港（PAL－I）和日本（NTSC3.58）使用。
視頻序列的SMPTE表示單位
通常用時(shí)間碼來(lái)識別和記錄視頻數據流中的每一幀，從一段視頻的起始幀到終止幀，其間的每一幀都有一個(gè)唯一的時(shí)間碼地址。根據動(dòng)畫(huà)和電視工程師協(xié)會(huì )SMPTE（SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers）使用的時(shí)間碼標準，其格式是：小時(shí)：分鐘：秒：幀，或hours：minutes：seconds：frames。一段長(cháng)度為00：02：31：15的視頻片段的播放時(shí)間為2分鐘31秒15幀，如果以每秒30幀的速率播放，則播放時(shí)間為2分鐘31.5秒。
根據電影、錄像和電視工業(yè)中使用的幀率的不同，各有其對應的SMPTE標準。由于技術(shù)的原因NTSC制式實(shí)際使用的幀率是29.97fps而不是30fps，因此在時(shí)間碼與實(shí)際播放時(shí)間之間有0.1%的誤差。為了解決這個(gè)誤差問(wèn)題，設計出丟幀（drop-frame）格式，也即在播放時(shí)每分鐘要丟2幀（實(shí)際上是有兩幀不顯示而不是從文件中刪除），這樣可以保證時(shí)間碼與實(shí)際播放時(shí)間的一致。與丟幀格式對應的是不丟幀（nondrop-frame）格式，它忽略時(shí)間碼與實(shí)際播放幀之間的誤差。
視頻壓縮編碼的基本概念
視頻壓縮的目標是在盡可能保證視覺(jué)效果的前提下減少視頻數據率。視頻壓縮比一般指壓縮后的數據量與壓縮前的數據量之比。由于視頻是連續的靜態(tài)圖像，因此其壓縮編碼算法與靜態(tài)圖像的壓縮編碼算法有某些共同之處，但是運動(dòng)的視頻還有其自身的特性，因此在壓縮時(shí)還應考慮其運動(dòng)特性才能達到高壓縮的目標。在視頻壓縮中常需用到以下的一些基本概念：
有損和無(wú)損壓縮：
在視頻壓縮中有損（Lossy）和無(wú)損（Lossless）的概念與靜態(tài)圖像中基本類(lèi)似。無(wú)損壓縮也即壓縮前和解壓縮后的數據完全一致。多數的無(wú)損壓縮都采用RLE行程編碼算法。有損壓縮意味著(zhù)解壓縮后的數據與壓縮前的數據不一致。在壓縮的過(guò)程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息，而且丟失的信息不可恢復。幾乎所有高壓縮的算法都采用有損壓縮，這樣才能達到低數據率的目標。丟失的數據率與壓縮比有關(guān)，壓縮比越小，丟失的數據越多，解壓縮后的效果一般越差。
此外，某些有損壓縮算法采用多次重復壓縮的方式，這樣還會(huì )引起額外的數據丟失。
幀內和幀間壓縮：
幀內（Intraframe）壓縮也稱(chēng)為空間壓縮（Spatialcompression）。當壓縮一幀圖像時(shí)，僅考慮本幀的數據而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實(shí)際上與靜態(tài)圖像壓縮類(lèi)似。幀內一般采用有損壓縮算法，由于幀內壓縮時(shí)各個(gè)幀之間沒(méi)有相互關(guān)系，所以壓縮后的視頻數據仍可以以幀為單位進(jìn)行編輯。幀內壓縮一般達不到很高的壓縮。
采用幀間（Interframe）壓縮是基于許多視頻或動(dòng)畫(huà)的連續前后兩幀具有很大的相關(guān)性，或者說(shuō)前后兩幀信息變化很小的特點(diǎn)。也即連續的視頻其相鄰幀之間具有冗余信息，根據這一特性，壓縮相鄰幀之間的冗余量就可以進(jìn)一步提高壓縮量，減小壓縮比。幀間壓縮也稱(chēng)為時(shí)間壓縮（Temporalcompression），它通過(guò)比較時(shí)間軸上不同幀之間的數據進(jìn)行壓縮。幀間壓縮一般是無(wú)損的。幀差值（Framedifferencing）算法是一種典型的時(shí)間壓縮法，它通過(guò)比較本幀與相鄰幀之間的差異，僅記錄本幀與其相鄰幀的差值，這樣可以大大減少數據量。
對稱(chēng)和不對稱(chēng)編碼：
對稱(chēng)性（symmetric）是壓縮編碼的一個(gè)關(guān)鍵特征。對稱(chēng)意味著(zhù)壓縮和解壓縮占用相同的計算處理能力和時(shí)間，對稱(chēng)算法適合于實(shí)時(shí)壓縮和傳送視頻，如視頻會(huì )議應用就以采用對稱(chēng)的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其它多媒體應用中，一般是把視頻預先壓縮處理好，爾后再播放，因此可以采用不對稱(chēng)（asymmetric）編碼。不對稱(chēng)或非對稱(chēng)意味著(zhù)壓縮時(shí)需要花費大量的處理能力和時(shí)間，而解壓縮時(shí)則能較好地實(shí)時(shí)回放，也即以不同的速度進(jìn)行壓縮和解壓縮。一般地說(shuō)，壓縮一段視頻的時(shí)間比回放（解壓縮）該視頻的時(shí)間要多得多。例如，壓縮一段三分鐘的視頻片斷可能需要10多分鐘的時(shí)間，而該片斷實(shí)時(shí)回放時(shí)間只有三分鐘。
MPEG（MovingPictureExpertsGroup）是1988年成立的一個(gè)專(zhuān)家組。這個(gè)專(zhuān)家組在1991年制定了一個(gè)MPEG－1國際標準，其標準名稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)圖像和伴音的編碼－－用于速率小于每秒約1.5兆比特的數字存儲媒體（Codingofmovingpictureandassociatedaudio－－fordigitalstoragemediaatuptoabout1.5Mbit/s）”。這里的數字存儲媒體指一般的數字存儲設備如CD－ROM、硬盤(pán)和可擦寫(xiě)光盤(pán)等。MPEG的最大壓縮可達約1：200，其目標是要把目前的廣播視頻信號壓縮到能夠記錄在CD光盤(pán)上并能夠用單速的光盤(pán)驅動(dòng)器來(lái)播放，并具有VHS的顯示質(zhì)量和高保真立體伴音效果。MPEG采用的編碼算法簡(jiǎn)稱(chēng)為MPEG算法，用該算法壓縮的數據稱(chēng)為MPEG數據，由該數據產(chǎn)生的文件稱(chēng)MPEG文件，它以MPG為文件后綴。
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