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数字视频与 DV 影视制作

杨建平编著

北京

科学出版社

职教技术出版中心

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内容简介

本书对数字多媒体环境下，数字视频从摄录、采集、编辑制作到存储与

传输等各个环节，以及适应不同场合、不同应用的压缩编码、格式转换等进

行了系统的讨论。本书内容主要包括：数字视频基础、广义数字视频及其分

类、数字图像与图像序列视频、摄录系统的数字视频、数字视频拍摄、数字

视频非线性编辑制作、数字视频的压缩和桌面回放、桌面可编辑数字视频的

导出与存储媒体、数字视频的流式传输技术、数字视频与多媒体通信等。本书借鉴了国内外相关领域的最新资料和应用研究成果。本书理论与实

践紧密结合，概念清晰、范例丰富，图文并茂、自成体系。本书可作为高等院校数字媒体、教育技术、广告、摄影、新闻传播等相

关专业的教材，也可作为从事多媒体影视制作的相关人员以及 DV 摄影爱好者的参考书或培训教材。

本书附有光盘，内容包括：数字视频与 DV 影视制作实验指导书及其素材、参考教案等。

图书在版编目（CIP）数据数字视频与 DV 影视制作/杨建平编著．—北京：科学出版社，2009 （高等院校信息与电子技术类规划教材） ISBN 978-7-03-025630-0/TN·9620

Ⅰ．数… Ⅱ．杨… Ⅲ．物资 2

中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）

责任编辑：李振格任/ 责任印制：吕春珉燕

人华平面设计部

出版北京东黄城根北街 16 号

邮政编码：100717

http://www.sciencep.com

印刷科学出版社发行各地新华书店经销

* 2009 年 8 月第一版开本：787×1092 1/16 2009 年 8 月第一次印刷印张：1 6 .516.5 印数：3000000 000 字数：3723000000

定价:330.003 元（如有印装质量问题，我社负责调换）

销售部电话：010-62134988 编辑部电话：010-62138978-8003

版权所有，侵权必究举报电话：010-64030229；010-64034315；13501151303

前言

研究表明，正常人对除他自身以外信息的获得，95%以上是通过视听觉途径获得的。在漫长的人类进化过程中，随着信息媒介技术的发展和进步，人类越发强化了通过视听

觉途径获求信息的习惯，这样，“活动影音”信息的获得和使用就无可非议地排到了人们

获得外部信息的最突出的位置。所以，研究活动影音信息的采录、编辑、存储、传输以

及显示的方法和技术在影视、娱乐、通信、教育、医学、监控、科学研究等领域尤为活

跃，这就是人们常说的视频技术。而伴随着计算机技术、多媒体技术的不断发展和进步，

视频技术也从信息表示层面跃升到了更高的数字化时代。数字视频技术正是在视频技术、计算机技术、多媒体技术、网络技术的发展和推动

下成长起来的一个有着更加广泛应用基础的高新技术领域。数字视频技术研究的本质和

范围是在数字多媒体环境下，如何更高效化地，适应不同场合，不同应用的将活动影音

采录、编辑、存储、传输以及显示的方法和技术。数字视频技术下的活动影音信息已不再是一个连续的随时间变化的模拟电信号信

息，而是一个由离散数字“0”和“1”编码的能够记录和传输的比特流。因此，这种全新的表示、表达活动影音的信息媒介形式被称为“数字视频”。

本书以数字视频为主线，系统地讨论了包括视频的由来和数字视频基础理论、广义

数字视频及其分类、数字图像与图像序列视频、摄录系统的数字视频、数字视频拍摄、

桌面数字视频的获取、数字视频非线性编辑制作、数字视频的压缩和压缩编码格式、桌

面可编辑数字视频的导出与存储媒体、数字视频的流式传输技术、数字视频与多媒体通

信等内容。作为一本系统的探讨数字视频的书籍，我们坚持以读者为本，服务于读者的

学习。在内容上既有“系统的理论梳理”，也有“强技能的操作案例”；既注重用理论支

撑技能，也关注用实际操作来验证理论内容，从而拓展读者的综合能力，并有所侧重地

将技术与艺术有机融合。为了使本书不失系统性，各专业学生在使用本书时可根据学时情况，在理清数字视

频脉络的前提下可以有所侧重。作者也力求在内容上更突出知识和技能的“基础性、时

效性和通用性”，强调重视学生知识、技能以及综合能力的全面训练和提升。本书参阅了大量的著作、刊物和网站，在此对这些文献的作者表示衷心的感谢！限

于编著者的学识和水平，书中难免存在不当和错漏，还望同行和广大读者批评指正。在本书的编著过程中，受到了吴访升博士、陈兴瑞教授、古春生博士、徐亚平副教

授、黄纯国副教授，郭丹老师、戴仁俊老师、陈湘军老师、张杰老师的大力支持表示感

谢。尤其是古春生博士、周立琴老师、张杰老师在编著过程中及时地提出了许多宝贵意

见，在此特别感谢。

作者 2009 年 6 月

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目录

第 1 章数字视频概述 ............................................................................................................................. 1 1.1 什么是视频 ................................................................................................................................ 1

1.1.1 黑白视频............................................................................................................................ 2

1.1.2 彩色模拟视频 .................................................................................................................... 3

1.2 什么是数字视频 ....................................................................................................................... 4 1.2.1 数字视频的特点 ................................................................................................................ 4

1.2.2 广义的数字视频新概念 .................................................................................................... 5

1.3 数字视频的现状 ....................................................................................................................... 5 1.3.1 数字视频的应用现状 ........................................................................................................ 5

1.3.2 数字视频的前沿技术问题 ................................................................................................ 5

本章思考题 ........................................................................................................................................... 6 第 2 章彩色数字视频基础 .................................................................................................................... 7

2.1 彩色电视原理和信号类型 ..................................................................................................... 7 2.1.1 彩色电视的原理 ................................................................................................................ 7

2.1.2 彩色电视信号的组成 .......................................................................................................11

2.1.3 彩色电视信号的类型 .......................................................................................................13

2.2 彩色电视制式与扫描特性 ....................................................................................................14 2.2.1 彩色电视制式 ...................................................................................................................14

2.2.2 同步扫描特性 ...................................................................................................................15

2.3 彩色电视图像的数字化 ........................................................................................................16 2.3.1 关于数字化方案 ...............................................................................................................16

2.3.2 A/D 转换与 D/A 转换 ......................................................................................................17

2.3.3 数据压缩编码 ...................................................................................................................19

2.3.4 彩色图像子采样 ...............................................................................................................19

2.4 彩色电视图像的数字化标准 ...............................................................................................20 2.4.1 色彩空间转换 ...................................................................................................................20

2.4.2 采样频率与相应时间基准的关系 ...................................................................................21

2.4.3 图像分辨率与每行有效像素 ...........................................................................................22

2.4.4 625 扫描行系统中采样格式分析 ....................................................................................24

2.4.5 ITU-R BT.601 标准摘要 ..................................................................................................25

本章思考题 ..........................................................................................................................................26 第 3 章广义数字视频及其分类 ..........................................................................................................28

3.1 广义的数字视频 ......................................................................................................................28 3.1.1 广义数字视频的表述 .......................................................................................................28

3.1.2 广义数字视频概念的几个侧重点 ...................................................................................28


·iv·

3.2 数字视频的分类 ......................................................................................................................30 3.2.1 基于演播室摄录系统的数字视频 ...................................................................................30

3.2.2 基于磁带介质存储的数字视频 .......................................................................................31

3.2.3 基于光盘存储的数字视频 ...............................................................................................32

3.2.4 基于图像序列的数字视频 ...............................................................................................33

3.2.5 基于桌面处理的数字视频 ...............................................................................................33

3.2.6 基于流式传输的数字视频 ...............................................................................................33

3.2.7 基于固体存储的数字视频 ...............................................................................................33

3.2.8 基于硬盘存储的数字视频 ...............................................................................................34

3.2.9 基于视频通信的数字视频 ...............................................................................................34

3.2.10 基于 3D 动画和虚拟现实系统的数字视频 ..................................................................35

本章思考题 ..........................................................................................................................................35 第 4 章数字图像与图像序列视频 .....................................................................................................36

4.1 计算机表色模式与数字图像 ...............................................................................................36 4.1.1 计算机表色模式 ...............................................................................................................36

4.1.2 数字图像的种类 ...............................................................................................................41

4.1.3 数字图像（位图）的基本属性 .......................................................................................45

4.2 数字图像编辑处理 ..................................................................................................................47 4.2.1 数字图像编辑处理软件 ...................................................................................................48

4.2.2 Photoshop 编辑操作的核心技术思想 .............................................................................48

4.2.3 Photoshop 图像处理的关键与效率 .................................................................................52

4.3 数字图像编辑处理实践单元 ...............................................................................................53 4.3.1 图像合成制作 ...................................................................................................................53

4.3.2 图像设计制作 ...................................................................................................................56

4.3.3 制作适用于视频场合使用的图像 ...................................................................................64

4.4 常用的几种图像序列与数字视频 ......................................................................................66 4.4.1 图像序列与数字视频 .......................................................................................................66

4.4.2 常见的图像序列视频 .......................................................................................................67

4.4.3 图像序列的相互转换 .......................................................................................................68

本章思考题 ..........................................................................................................................................69 第 5 章摄录系统的数字视频 ...............................................................................................................71

5.1 视频摄录系统的发展 .............................................................................................................71 5.1.1 视频摄像机的发展简述 ...................................................................................................71

5.1.2 视频录像机的发展 ...........................................................................................................74

5.2 数字摄录系统的分类和机种格式 ......................................................................................75 5.2.1 数字摄录系统的分类 .......................................................................................................75

5.2.2 数字摄录系统的机种格式 ...............................................................................................76

5.2.3 数字摄录机影像质量的比较 ...........................................................................................80

5.3 数字摄录设备的选购 .............................................................................................................81

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目录

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5.3.1 目标用途和性价比的综合考虑 .......................................................................................81

5.3.2 订货和验货注意的事项 ...................................................................................................83

本章思考题 ..........................................................................................................................................83 第 6 章数字视频拍摄 ............................................................................................................................85

6.1 认识数字摄录机 ......................................................................................................................85 6.1.1 数字摄录一体机的组成 ...................................................................................................85

6.1.2 数字摄录机的基本性能指标 ...........................................................................................87

6.1.3 数字摄像机的综合指标 ...................................................................................................89

6.1.4 更高层次的性能指标 .......................................................................................................91

6.2 视频拍摄实践单元 ..................................................................................................................92 6.2.1 数字摄录机的基本设置 ...................................................................................................92

6.2.2 使用操作数字摄录机遵循的步骤及其环节 ...................................................................94

6.3 数字摄录机的构画技巧 ........................................................................................................96 6.3.1 摄影景别和拍摄角度 .......................................................................................................96

6.3.2 静态构图与动态构图 .....................................................................................................100

6.4 数字摄录机的用光技巧 ......................................................................................................103 6.4.1 对光及光线形式的认识 .................................................................................................103

6.4.2 数字摄录时对照明的要求 .............................................................................................107

6.4.3 摄像照明的光线分析 .....................................................................................................108

6.5 数字摄录机的数据传输与上载接口 ...............................................................................111 6.5.1 IEEE 1394 接口解析 ......................................................................................................111

6.5.2 SDI 标准与 SDI 接口 .....................................................................................................112

6.5.3 SDTI 压缩串行数字接口 ...............................................................................................113

6.5.4 AES/EBU 及 S/PDIF 数字音频接口 .............................................................................114

6.5.5 FDDI 光纤分布式数据接口 ...........................................................................................114

本章思考题 ........................................................................................................................................114 第 7 章桌面数字视频的获取与格式转换......................................................................................116

7.1 桌面数字视频的获取概述 ..................................................................................................116 7.1.1 桌面数字视频的获取途径 .............................................................................................116

7.1.2 图像采集的获取方法 .....................................................................................................116

7.1.3 数据上载的获取方法 .....................................................................................................118

7.1.4 光盘数据截取的获取方法 .............................................................................................118

7.2 桌面数字视频的格式转换 ..................................................................................................118 7.2.1 桌面数字视频的格式 .....................................................................................................118

7.2.2 桌面数字视频的格式转换方法 .....................................................................................119

本章思考题 ........................................................................................................................................121 第 8 章视频非线性编辑系统 .............................................................................................................122

8.1 视频非线性编辑系统概述 ..................................................................................................122 8.1.1 非线性编辑与非线性编辑系统 .....................................................................................122


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8.1.2 非线性编辑系统的分类 .................................................................................................122

8.2 专业化的板卡驱动非编系统 .............................................................................................123 8.2.1 平台构成.........................................................................................................................123

8.2.2 专业非编视频卡 .............................................................................................................123

8.2.3 大容量数字存储载体 .....................................................................................................125

8.2.4 方便实用的软件 .............................................................................................................125

8.3 大众化的软件驱动非编系统 .............................................................................................125 8.3.1 基于软件加速的非编卡的出现 .....................................................................................126

8.3.2 大众化的软件驱动非编系统 .........................................................................................126

8.4 两款专业非线性编辑系统概述 .........................................................................................126 8.4.1 专业 DPS 非线性编辑系统简述 ....................................................................................126

8.4.2 DV Storm 2 数字非线性编辑系统简介 .........................................................................129

本章思考题 ........................................................................................................................................131 第 9 章数字视频编辑制作 .................................................................................................................132

9.1 数字视频编辑制作概述 ......................................................................................................132 9.1.1 视频编辑的几个概念 .....................................................................................................132

9.1.2 非线性编辑制作的工作流程 .........................................................................................134

9.2 通用平台的非线性编辑软件 .............................................................................................135 9.2.1 通用平台的非线性编辑软件简介 .................................................................................135

9.2.2 Adobe premiere 成为视频编辑制作的主流工具 ..........................................................137

9.3 Premiere 6.5 软件的编辑操作............................................................................................138 9.3.1 Premiere 6.5 软件编辑操作的核心思想 ........................................................................138

9.3.2 Premiere 6.5 编辑制作实例 ...........................................................................................140

9.4 Premiere Pro 2.0 软件的编辑操作 ....................................................................................149 9.4.1 Premiere Pro 2.0 软件编辑操作的核心思想 .................................................................149

9.4.2 Premiere Pro 2.0 下的主要特效解析与图示 .................................................................152

9.5 Premiere Pro 2.0 外挂插件的使用 ....................................................................................167 9.5.1 Premiere Pro 2.0 外挂插件的安装 .................................................................................167

9.5.2 Premiere Pro 2.0 外挂插件的使用 .................................................................................168

9.6 Adobe After Effects 软件编辑操作 ...................................................................................169 9.6.1 Adobe After Effect 软件特点及其核心思想 .................................................................169

9.6.2 AE 视频包装软件的实例...............................................................................................171

本章思考题 ........................................................................................................................................176 第 10 章数字视频的压缩和桌面回放 ............................................................................................178

10.1 数据压缩编码的几个概念 ...............................................................................................178 10.1.1 数据冗余及其种类 .......................................................................................................178

10.1.2 数据压缩的方法和类型 ...............................................................................................179

10.2 数字视频压缩编码算法基础 ...........................................................................................180 10.2.1 无损压缩编码算法 .......................................................................................................180

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10.2.2 有损压缩编码算法及其种类 .......................................................................................183

10.3 常用的混合编码类型及国际图像编码技术标准 ......................................................188 10.3.1 常用的混合编码类型 ...................................................................................................188

10.3.2 JPEG 标准及编码方案要点 .........................................................................................188

10.3.3 MPEG-1 标准及具体编码方案要点 ............................................................................190



10.3.6 H.261、H.263 标准 ......................................................................................................199

10.4 桌面无硬件视频回放压缩编码格式 .............................................................................199 10.4.1 AVI（含 DV AVI）格式 .............................................................................................199

10.4.2 MPEG 格式（跨平台） ...............................................................................................201

10.4.3 MOV/QT 格式 ..............................................................................................................202

10.4.4 DV 格式 ........................................................................................................................203

本章思考题 ........................................................................................................................................204 第 11 章可编辑数字视频的导出与存储 ........................................................................................206

11.1 桌面可编辑数字视频的导出 ...........................................................................................206 11.1.1 借助通用平台非编软件 Premiere 的导出 ...................................................................206

11.1.2 借助其他专业非编系统平台的导出 ...........................................................................210

11.2 数字视频的存储媒体 .........................................................................................................210 11.2.1 光盘存储媒体 ...............................................................................................................210

11.2.2 磁带存储媒体 ...............................................................................................................217

11.2.3 硬盘阵列存储 ...............................................................................................................219

本章思考题 ........................................................................................................................................220 第 12 章数字视频的流式传输技术 .................................................................................................221

12.1 流式传输技术概述 .............................................................................................................221 12.1.1 流式传输技术和相关概念 ...........................................................................................221

12.1.2 流式传输的方式与特点 ...............................................................................................222

12.1.3 流式传输的历史与发展和主要应用领域 ...................................................................223

12.2 流式传输的工作原理与协议 ...........................................................................................224 12.2.1 流式传输的工作原理 ...................................................................................................224

12.2.2 流式传输的协议 ...........................................................................................................225

12.3 三种主流流式传输平台体系 ...........................................................................................226 12.3.1 RealSystem 流式传输平台体系 ...................................................................................226

12.3.2 QuickTime 流式传输平台体系 ....................................................................................226

12.3.3 Windows Media 流式传输平台体系 ............................................................................227

12.4 流媒体服务器的架设与运行 ...........................................................................................227 12.4.1 流媒体系统架设流程 ...................................................................................................227

12.4.2 架设 Windows Media Service 服务器的方法步骤 ......................................................229

12.5 P2P 流媒体系统概述 .........................................................................................................236


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12.5.1 P2P 流媒体系统播送方式 ...........................................................................................236

12.5.2 P2P 流媒体中的关键技术 ...........................................................................................237

12.5.3 P2P 流媒体的应用 .......................................................................................................238

本章思考题 ........................................................................................................................................238 第 13 章数字视频与多媒体通信 .....................................................................................................239

13.1 宽带多媒体视频通信 .........................................................................................................239 13.1.1 宽带多媒体视频通信简介 ...........................................................................................239

13.1.2 宽带多媒体视频通信编码标准 ...................................................................................242

13.1.3 网络电视.......................................................................................................................243

13.2 无线移动多媒体视频通信 ...............................................................................................247 13.2.1 无线移动多媒体视频通信简介 ...................................................................................247

13.2.2 移动手机电视 ...............................................................................................................248

本章思考题 ........................................................................................................................................250 参考文献 ......................................................................................................................................................251

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第 1 章数字视频概述

在我们日益丰富的社会生活中，“活动影音”信息无处不在。这里所说的活动影

音信息主要是指通过人的视听觉获得的信息，包括能刺激人的眼、耳并在一定程度

上产生直接感、现实感、具像感、过程感的电影、电视、动画以及视讯等视听觉刺

激信息。研究表明，正常人对除他自身以外信息的获得，95%以上是通过视听觉途径获得的，

加之，人类长期获求信息的习惯和媒体信息技术的突破，使得“活动影音”信息的获得

无可非议地排到了人们获得外部信息的最突出位置。因此，研究活动影音信息的采录、

编辑、存储、传输以及显示的方法和技术就显得尤为重要。特别是在信息技术迅速发展

的今天，一个伴随计算机技术、多媒体技术、网络技术成长起来的数字视频技术，更显

现出它在影视、娱乐、通信、教育、医学、监控、科学研究等应用领域的强大生命力和

影响力。数字视频技术是在视频技术、计算机技术、多媒体技术、网络技术等发展和推动下

成长起来的一个有着广泛应用基础的高新技术领域。数字视频技术研究的本质和范围是

如何更高效化地，适应不同场合，不同应用的将活动影音采录、编辑、存储、传输以及

显示的方法和技术。同时，它也对图像分析、视频检索、机器视觉、人工智能等方面的

研究起着重大的作用和影响。数字视频技术下的“活动影音”信息已不再是一个连续的随时间变化的模拟电信号

信息，而是一个由离散数字“0”和“1”编码的，能够传输和记录的“比特流”。因此，这种全新的表示、表达“活动影音”的信息媒介形式被称为“数字视频”。

数字视频在未经压缩的情况下，它的数据量是非常大的。在 SDTV 标准下（如，PAL 制 720×576 像素的数字清晰度下），满屏显示 1 分钟完整的“活动影音”文件，数据量大约在 1.5GB 以上，而且重放它所必需的数据传输率也要求很高，至少 27Mbit/s以上。因此，为了适应不同场合和不同应用，高效化的压缩编码就成为了数字视频技

术的重要任务之一。而数字视频的编辑处理以及格式转换也成为数字视频应用的重要

内容。

1.1 什么是视频

视频最初是在电视系统中提出来的，但并不是一发明就有的概念。在早期，以英

国科学家约翰·洛吉·贝尔德（J.L.Baird，1888—1946）为代表的机械扫描电视时期，并没有视频（video）这一概念。直到 20 世纪 20 年代后期，以俄裔美国物理学家、现代电视之父弗拉迪米尔·兹沃尔金（Wladimir Zworykin，1889—1982）为代表的光电管及阴极射线管为核心技术的全电子电视系统问世以后，才有了真正意义上的视频，即黑

白视频。


·2·

1.1.1 黑白视频

1．全电子电视系统中的视频

贝尔德的机械扫描电视系统采用了“尼普科夫圆盘”系统，图像总是比较模糊，而

这种系统不允许对图像质量进行大的改善，所以，机械扫描电视系统存在的时期是很短

暂的。弗拉迪米尔·兹沃尔金等人以创新变革的思想，提出了全电子电视系统的传像原

理。在全电子电视系统中，人们把电视发送端，从景物→光学镜头→附加了扫描装置的

视像管→随扫描和靶面亮度变化而形成的阴极电流→图像信号处理→同步叠加等诸多处

理环节以后所形成的模拟电信号，叫做“黑白视频信号”。图 1.1 所示的是黑白模拟视频信号产生的原理及其电视发射与接收的示意。图中直观地说明了视频信号产生的原理和

它在电视传像系统中的地位和作用。

图 1.1 黑白模拟视频信号产生的原理及其电视发射与接收的示意

显然，在全电子电视传像系统中，视频信号和音频信号类似，都是连续的随时间变

化的模拟电信号。视频信号担负图像信息的传递，而音频信号担负声音信息的传递。其实，黑白视频信号从严格意义上来讲，它是一个已经经过加工处理并包含扫描同

步和消隐的图像信号，通常也叫做“复合视频”，简称视频。从无线电系统的“频带”分布和相对于高频电视频道而言，由于视频信号的频带范

围在 1～6MHz，所以人们也把“复合视频”叫做“电视基带视频”。

2．视频的特性

复合视频信号是直接可以接到电视监视器上还原电视画面的“图像信号”，而且，它

可以直接接入录像装置进行“录像”。另外，作为“电视基带视频”，它还可以连同音频科

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信号一起通过无线电调制发射变成高频电视信号，电视接收机接收到高频电视信号后，

通过解调还原成“复合视频”和音频，并进一步将“复合视频”分解为同步信号、消隐

信号、图像信号等，然后从多个方面驱动电视机扫描还原“电视画面”。

1.1.2 彩色模拟视频

在彩色模拟电视时代，视频通常是用三个感受基色光的视像管（彩色三管摄像机）

产生的阴极电流经过彩色编码产生彩色图像信号；或者通过条纹滤色编码（彩色单管摄

像机）产生彩色图像信号，然后叠加同步信号形成复合视频（Composite Video），有些场合也把它称作“彩色全电视信号”。图 1.2 所示的是彩色模拟视频信号产生的原理及其电视发射与接收的示意。

图 1.2 彩色模拟视频信号产生的原理及其电视发射与接收的示意

现代电视系统是视听一体的。但是，在电视系统的基带处理环节中，视频和音频是

单独的信号通道，只有在调制的高频电视信号中，视频和音频才合成为一个被调制的包

含视频和音频的高频电信号。“高频电视信号”与“复合视频”是有本质区别的。复合视频之所以在彩色模拟视频时代是一种标准视频格式，主要是因为它是一种直

接通过电视监视器还原出影像，并可以分别通过磁带录像机直接记录和通过电视调制发

射和传输的模拟电信号。它是各种视频媒体设备接驳的最主要接口之一，是视频信息沟

通的桥梁。在信息技术领域和信息传播领域有着极其重要的作用。事实上，在复合视频成为标准视频格式以后，“视频”已经逐步脱离了电视系统的束

缚，开辟了自己的新天地。也就是说，在不考虑电视调制发射和接收等诸多环节时，单

纯考虑和研究电视基带信号的摄取、改善、传输、记录、编辑、显示的技术就被叫做“视

频技术”。它主要应用于广播电视的摄录编系统、安全及监控、视频通信和视频会议、远

程教育及视听教学、影像医学、影音娱乐和电子广告等行业和领域。


·4·

1.2 什么是数字视频

自 20 世纪 80 年代以来，伴随着大规模集成电路技术和数字 DSP 芯片技术，以及计算机多媒体技术的进展，一方面，各种视频设备和计算机多媒体外部设备相继采用微处

理器技术尝试数字化控制和数字化处理，使得视频媒体的图像质量、操作控制、轻便化、

小型化等性能方面都有了长足的提高；另一方面，计算机多媒体技术也在逐步占领着图

形图像、视频处理等多媒体制高地。两方面的竞争和融合显得尤为活跃，而且遇到的问

题同样都是“视频的数字化处理必然带来数据存储空间和高速运算处理”的难题。这不

得不使计算机领域与视频领域再作亲密的结合，以解决两个行业共同面临的问题。那就

是如何用统一的视音频压缩编码标准兼容各自的多媒体系统，推广流行的数字视频标准。

这样，一个以 Codec 技术为核心的新的技术领域——“数字视频技术”领域就形成了。(这里所说的 Codec 可以是一款软件，也可以是固化成用于视频文件的压缩和解压缩的专用程序芯片。) 显然，在这个有着广泛应用基础的高新技术领域所研究的本质和范围就是如何更加高效化地，适应不同场合，不同应用的将“活动影音”文件的采录、编辑、传

输、存储，以及显示和交互的一系列方法和技术。由此，在数字多媒体技术的大环境下，

演绎了一幕幕“视频媒体”数字化和数字视频流行化的壮观场景。

1.2.1 数字视频的特点

由于视频最初是以模拟的电信号形式产生和发展起来的。所以，数字视频的发展也

就必然从模拟视频数字化开始。这既是视频技术要求的，同时也是计算机多媒体技术要

求的。只是有些人力图从信号上游做数字化工作，有些人希望从下游做融合沟通的数字

化工作。无论怎样，他们都面临着数字化的环境。在这个环境下，数字视频与模拟视频

有什么的本质区别呢？ 1）在数字环境下，视频（包括音频）从整体上讲已不再是一个连续的随时间变化的

电信号，而是一个由离散数字“0”和“1”编码的能够传输和记录的“比特流”。 2）在数字环境下，“活动影音”的图像也不再是连续的电子图像，而是一个不连续

的以像素为单元的点阵化数字图像。图像的清晰与否是由点阵化的像素数量决定的。 3）未经压缩的原始数字视频的数据量是非常大的。目前，数字视频比照“标准模拟

视频”的满屏有效像素（PAL/720×576 像素；NTSC/720×480 像素），时基和帧率遵从原有的视频制式。例如，1 分钟满屏真彩色数字视频需要 1.5GB 的存储空间。如果要求它按正常时基和帧率显示播放，其数据传输率至少在 27Mbit/s 以上。

4）在数字环境下，数字视频有无数种“媒体格式”。它们大都是按照不同的压缩编码标准、存储介质类型、记录方式、应用领域及其平台类型等形成自己不同的格式标准。

5）在数字环境下，数字视频是可以进行非线性编辑和非线性检索的，并可以有选择地进行实时和非实时播放，以及适应带宽条件调整画面分辨率的特点。

6）在数字环境下，数字视频的显示接口趋于多样化。以上这些都是数字视频所具有的区别于模拟视频的本质特点。但是，在现代信息技

术的大环境下，在信息和信息传播的层面上，我们不时地注意到数字视频依然有着依据科

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人的视觉暂流特性，按照某种时基规律和标准，依序地组织传送或播放数字图像信息到

显示终端上的共同特点。只是在实现这一目标时，借助了计算机或微处理器芯片的高速

运算，加上 Codec 技术，传输存储技术（包括网络技术）才得以实现罢了。在现代信息技术的环境下，基于这样的认识我们就可以给出广义的数字视频新概念。

1.2.2 广义的数字视频新概念

在现代信息技术环境下，数字视频应该是一个有着广义和狭义之分的新概念。广义

的数字视频表述为：数字视频是指依据人的视觉暂流特性，借助计算机或微处理器芯片

的高速运算，加上 Codec 技术，传输存储技术等来实现的以比特流为特征的，能按照某种时基规律和标准在显示终端上再现“活动影音”的信息媒介。

狭义的数字视频是指与具体媒体格式所对应的数字视频。例如：Betacam-SX 格式数字视频；DV 格式数字视频；DVD 光盘格式数字视频；AVI 桌面格式数字视频；RM 流媒体格式数字视频；MP4 固体存储数字视频，等等。

1.3 数字视频的现状

从广义的数字视频来看，数字视频的应用已经渗透到工业、科学研究、通信、教育、

医学、娱乐、广告等行业和领域。可以说，它在我们今天的生活中无处不在。

1.3.1 数字视频的应用现状

目前，广播电视的摄录编系统以及网络化的演播室编播系统、电子新闻采访系统都

已经完全做到了数字化，并且在 SDTV 标准下快速向 HDTVT 推进和升级。数字化的安防及监控系统也已经完全做到了数字化，并且从基于同轴电缆的独立网

快速向基于 TCP/IP 协议下的远程监控系统和“智能安防”系统快速推进和升级。视频通信（视频会议）在完成数字换代升级的基础上，主要着眼于“视频压缩编

码”和“网络传输”两个方面，以推动嵌入式平台的“移动 TV”和 PC 平台的“IPTV”的进程。

在远程教育及视听教学、影像医学、影音娱乐和电子广告等行业和领域，数字视频

已成为主角。传统的模拟视频已经开始淡出“小信号”领域。虚拟现实、机器视觉和人

工智能等研究领域涉及的数字视频也都有更好的应用和发展。数字视频就其广泛应用而言，是一个庞大而复杂的技术系统。在这个技术系统之中

蕴涵着很多奥妙和惊喜，也已经让无数的梦想成为了现实。它必将推动全球经济的发展

和科技水平的提高，并引起人类社会生活的深刻变化。

1.3.2 数字视频的前沿技术问题

数字视频的前沿技术问题主要集中在“图像压缩编码”和“数字视频的智能性”等

方面。目前，就图像压缩编码方面，正在定制和完善一个融合的 H.264 标准（MPEG-4-10

部分）。H.264 标准是国际电信联盟 ITU-T 的 VCEG（视频编码专家组）和国际标准化组


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织 ISO/IEC 的 MPEG（活动图像编码专家组）共同组织的联合视频组（Joint Video Team，JVT）开发的标准。在相同的重建图像质量下，H.264 能够比 H.263 节约 50%左右的码率，比 MPEG-4 节约 33%左右的码率。例如，一个大小为 88GB 的原始文件，采用 MPEG-2压缩标准压缩后变成 3.5GB，压缩比为 25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为 879MB，从 88GB 到 879MB，H.264 的压缩比达到惊人的 102∶1。另外，H.264 引入了面向 IP 包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。H.264 标准因其更高的压缩比、更好的 IP 和无线网络信道适应性，必将在数字视频通信或存储领域得到越来越广泛的应用。特别是，近年来电信网、有线电视网、互联网等都在力促“三网

融合”，并推出一种“宽带交互新媒体”，而 H.264 最有可能成为宽带交互新媒体的标准。这对因特网传输多媒体信息、移动网中传输宽带信息等都具有重要意义。

就数字视频的智能性方面而言，主动地将智能特性移到摄像机的前端，让摄像机本

身可以确定如何采集影像，如何基于图像内容标记“它们”，事后如何检索；摄像机不仅

能够记录事件，它还能够评估事件的重要性与相关性，这些对于数字视频都是至关重要

的，也是吸引业界眼球之所在。基于图像内容的编码以及构造新的智能数字视频模型是

提升和发展数字视频的关键技术问题。目前，这些问题还没有突破性的进展和研究成果。

本章思考题

1．真正意义上的视频大约是在什么年代出现的？

2．视频最典型和最代表性的技术支撑是什么？

3．视频源自全电子电视时代，它和当时的音频信号类型相同吗？

4．视频信号在电视传像过程中具体是指哪些处理环节后的信号？

5．视频信号在电视传像过程中担负怎样的任务？地位和作用怎样看待？

6．什么是复合视频？复合视频信号有怎样的特性？

7．为什么在电视系统中把复合视频信号称作“基带视频信号”？

8．什么是视频技术？它主要应用在哪些领域？

9．为什么说“复合视频”在彩色模拟视频时代是一种标准视频格式？

10．什么是数字视频技术？它是在怎样的背景下形成的？

11．数字视频技术研究的本质是什么？范围怎样？

12．数字视频区别于模拟视频的本质特点有哪些？

13．简述数字视频的应用现状。

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第 2 章彩色数字视频基础

2.1 彩色电视原理和信号类型

在数字多媒体环境下，数字视频不但要呈现出影调层次丰富、纹理质感真实、形状

轮廓清晰的图像信息，而且也要呈现“万紫千红”的颜色信息。所以，颜色的逼真显示

依然是彩色数字视频追求的目标之一。那么，彩色数字视频在颜色处理方面和彩色模拟

视频又有这样怎样的联系呢？不妨我们先来了解一下彩色电视的工作原理。

2.1.1 彩色电视的原理

1．电视的彩色黑白兼容要求

彩色电视广播（信号）系统通常都是对“黑白电视”兼容的，即黑白电视接收机

能接收彩色电视广播，显示黑白图像；彩色电视接收机也能接收黑白电视广播信号，

显示黑白图像。正是这种兼容性的要求使得彩色电视系统必须采用与黑白电视系统

相同的一些基本参数，如扫描方式、行频、场频（帧频）同步信号、时基标准等。

因此，在设计彩色电视系统时，就必须考虑构成一个彩色黑白兼容的彩色电视信号

系统。

2．彩色电视系统与彩色图像重现

彩色电视系统是根据色光三基色原理来再现彩色图像的。因为按照色光三基色原理，

任何一种色光颜色都可以用 R、G、B 三个彩色分量按一定的比例混合得到，或者说一束白光总能分解为 R、G、B 三个彩色分量。利用这一原理，加上人们对人眼的彩色视觉特性的研究，彩色电视系统在发送端主要采用了 R、G、B 分光原理和“大面积着色原理”来完成彩色图像的重现。利用这些原理，我们基本上可以模拟（仿造）出自然界的

各种彩色，进而让我们从屏幕上获得了一种与原景物相同的色彩感觉和相对的保真度。

图 1.2 说明了用彩色摄像机摄取景物时，如何把自然景物的彩色分解为 R、G、B 三个彩色分量以及如何重现自然景物彩色的过程。

3．大面积着色原理

“大面积着色原理”是利用人眼对颜色细节分辨力远低于亮度细节的分辨力这一

特性，从压缩频带的要求出发，在电视的发送端用三个基色信号来合成亮度信息，并

单独用 6MHz 宽带传输，留下的纯色度信息则用 1～1.5MHz 窄带传送。而在接收端使亮度信息与色度信息合并，经过处理后复原成三基色信号分别去驱动 3 个电子枪的阴极。

显然，大面积着色原理是合成复合视频，即全电视信号进行传输必须考虑的技术处


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理方法。（1）亮度信号的形成在兼容制彩色电视信号的传输中，亮度信号是从三个基色信号提取的。我们知道：

不同波长的光，人眼的视觉感知强度（亮度感）是不同的。例如，同样强度的黄光与红

光，人眼看起来则是黄光较亮。人眼对黄色和绿色感觉最亮，而对红色和兰色感觉要暗

得多。这是因为人眼的视网膜上有两种可以感受光线的细胞：一种称为柱体细胞；另一

种称为锥体细胞。前者对光线的明暗极其敏感，主要在暗光下工作，但是难以分辨色彩。

锥体细胞则主要在强光下工作。从试验得知，人眼的锥体细胞有三种，分别感受红光、

绿光与蓝光，它们对色光的感知响应曲线，如图 2.1 所示。从人眼锥体细胞分别接受红、绿、蓝光出发，科学家经过试验与理论计算证明：红、绿、蓝三种色光按不同比例的混

合可以获得任何一种颜色的色光，因此将红、绿、蓝这三种光称为基色光，并将它们作

为生成与描述光线颜色的基础。

图 2.1 人眼锥体细对各色光的感知响应曲线和相对亮度曲线

由于人眼对于各种颜色的亮度感不同，所以在匹配兼容制彩色电视的亮度信号时，

就必须按照适合于人眼的特性进行混合。实验得出，用色光混合一副自然的黑白图像，其 R、G、B 的相对成分比为

R∶G∶B＝0.2990∶0.5870∶0.1143 （2-1）因此，亮度信号公式，可以近似地表示为

EY＝0.30ER＋0.59EG＋0.11EB （2-2）也就是说，应该把摄像机的三个基色电压输出按红光通道（R）为 30%，绿光通

道（G）为 59%，蓝光通道（B）为 11%进行调整，其叠加合成后就可得到亮度信号电压。在兼容制彩色电视中，（2-2）式被称作“恒定亮度公式”。这一过程可用图 2.2加以说明。

（2）频谱间置与色副载波在兼容制彩色电视信号的传输中，除了亮度信号（Y）之外，还需传送两个代表色

度信号的色差信号（R−Y）和（B−Y）。这种对信号的处理可以避免色通道的杂波对亮度信息的窜扰。同时，使“大面积着色原理”的设计思想得以实现。

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图 2.2 亮度信号的形成

实际上，在兼容制彩色电视中，被传送的两个色差信号（R−Y）和（B−Y）是先调制到所谓的色副载波上，然后利用频谱间置原理与亮度信号混合，并形成“复合视频”

之后才进行射频调制发射的。频谱间置原理是在分析了射频频率资源和能量结构的基础上提出来的。因为兼容制

彩色电视信号是通过扫描拾取下来的，它既是空间的函数又是时间的函数。由于时间上

相继两行十分相似，所以，获得的信号具有很大的相关性和周期性。这种周期性的亮度

信号能量（EY）分布是不连续的。其频谱结构，如图 2.3 所示。

图 2.3 亮度信号频谱及插入色副载波频谱的分布情况

从图 2.3 中可以清楚地看出，能量主要集中在若干主谱线的左右，而各主谱线则以行频 fH为间距进行排列，而且频率越高，能量越小，其相邻两频带的空隙也越大。这就为把色度信号的信息用适当的方式插入这些空隙中去提供了可能。图 2.3 所示的就是亮度信号频谱及插入色副载波频谱的分布情况。

目前的各种兼容制电视系统，正是利用了这种原理。选择一个所谓色副载波，以适

当的方式被两个色差信号（R−Y）和（B−Y）所调制，然后与亮度信号相混合。只要色副载波的频率选择合适，就可以使已调波所形成的边带频率的谱线正好落在亮度信号 EY的各谱线空隙间。

（3）色副载波与平衡正交调制关于色副载波的频率选择及调制方式，在不同的彩色电视制式中各有所不同。标准


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的 PAL 制中，色副载波频率选择为 4.43MHz（NTSC 制为 3.58MHz）。这样就可以使色差信号的频谱正好插入到亮度信号频谱空隙之中，实现频谱间置。同时，为了使两个色

差信号（R−Y）和（B−Y）同时调制在一个色副载波上而且互不干涉，使用了图 2.4 所示的是平衡正交调制方法的过程示意，也就是（R−Y）色差信号对 Sinωst 副载波进行平衡调幅，（B−Y）色差信号对 Cosωst 副载波进行平衡调幅。

图 2.4 色副载波与平衡正交调制

这里，令（R−Y）＝U；（B−Y）＝V，由于 Sinωst 与 Cosωst 相位相差 90°，相互垂直，彼此不影响，这就是“正交”的意思。正交的目的是，当 USinωst 和 VCosωst两个平衡调幅波混合后，使今后在接收机中能根据其相位正交这个特点，来实现两者

的相互分离。事实上，将 USinωst 信号与 VCosωst 信号相加混合后，就组成了一个色度信号 C

C＝USinωst＋VCosϖst （2-3）式中，ωs＝2πfs，fs＝ωs/2π，fS 就是色副载波的副载频。另外，色度信号 C 也可以用下式表示：

C＝CmSin（ωst＋φ）（2-4）式中，Cm 表示色度信号的振幅，代表着色饱和度要素；φ表示色度信号的相位，代

表着色调要素。

4．彩色电视的扫描特性

在电子电视系统（模拟）中，摄像端是通过电子束扫描将图像信息转化为对应的随

时间变化的电信号（随光强变化的电子束流）；在接收端，又是以电子束扫描（强弱变化

的电子束流激发荧光物质发光）的方式呈现图像信息的。在这些过程中，扫描方式和时

基标准必须做到完全对应且一致。目前，电视扫描分为逐行扫描和隔行扫描两种。图 2.5 表示了这两种扫描的差别。

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图 2.5 逐行扫描与隔行扫描的差别

（1）逐行扫描在逐行扫描中，电子束从屏幕的左上角一行接一行地扫描到右下角，在屏幕上扫一

遍就显示一幅完整的图像，如图 2.5（a）所示。（2）隔行扫描在隔行扫描中，电子束扫完第一行后回到第三行开始位置接着扫，然后在第 5，7，…，

等奇数行上扫，奇数行扫完后，接着扫偶数第 2，4，…，这样就完成了一帧图像的扫描，如图 2.5（b）所示。

很显然，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是奇数场（由奇数行构成的），

另一部分是偶数场（由偶数行构成的），两场合起来组成一帧。值得注意的是，在隔行扫

描中，扫描行数必须是奇数。第一场（奇数场）扫描总行数的一半，并以半行结束于屏

幕下方中央。第二场（偶数场）从屏幕上方中央开始扫描，并以整行结束于屏幕右下角。（3）场频 fV和帧频 fF 在电子电视系统中，每秒扫描多少行称为行频 fH；每秒扫描多少场称为场频 fV；每

秒扫描多少帧称为帧频 fF。场频 fV和帧频 fF是两个不同的概念，其中，fV＝2fF。

2.1.2 彩色电视信号的组成

1．PAL 制式彩色全电视信号的组成

彩色全电视信号除含有与黑白电视相同的图像亮度、复合同步、复合消隐及均衡脉

冲外，还含有彩色信号的色度信号与保证彩色稳定的色同步信号。从严格意义上讲，PAL制彩色电视信号是通过扫描拾取的，按照隔行扫描原理，每扫描一帧画面应该为一个扫

描周期。在这样一个扫描周期之内，PAL 制式彩色全电视信号是怎样组成的呢？图 2.6 示意了 PAL 制式一帧扫描周期的全电视信号。

图 2.7 示意了 PAL 制式一个行周期的全电视信号及行同步脉冲、色同步脉冲、行消隐等细节情况。


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图 2.6 PAL 制式一帧扫描周期的全电视信号

图 2.7 PAL 制式一行扫描周期的全电视信号

表 2.1 给出了国际上 3 大制式的彩色电视同步信号时基细节。

表 2.1 彩色电视的同步信号和时基细节

时基细节 PAL NTSC SECAM

时间单位/μs

行周期/H 64.0 63.55 64.0

行消隐宽度 11.8 10.8 11.8

行同步宽度 4.7 4.7 4.7

前肩 1.3 1.3 1.3

色同步起点 5.6 5.1

色同步宽度 2.25 2.67

均衡脉冲宽度 2.35 2.3 2.35

场同步齿脉冲宽度 27.3 27.1 27.3

垂直消隐宽度/H 25 20 25

奇、偶（场）（前、后）均衡脉冲数 5 6 5

场同步开槽脉冲数 5 6 5 科

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我国在彩色电视制式中规定：负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高，为 100%，黑色电平即消隐电平为 72.5%～77.5%，白色电平为 10%～12.5%。色度信号电平叠加在亮度信号电平上，它们叠加后的复合信号波形，与扫描所需的行、场同步信号，色同步

信号以及消隐信号共同构成了彩色全电视信号。图 2.6 和图 2.7 示意了 100/0/75/0 的标准彩条负极性彩色全电视信号的波形。

2．高频电视信号（射频）与复合视频

为了能够在空中传播电视信号，必须把全电视信号（复合视频）和音频一起调制成

高频电视信号，也就是我们通常所说的射频（Radio Frequency，RF）信号。电视机在接收受到某一频道的高频信号后，要把全电视信号和音频信号分别从高频信号中解调出来，

才能在屏幕上重现视频图像和声音。电视调制发射中，图像信号通常采用幅度调制，即用全电视信号作为调制信号对载

波进行幅度调制。这样调制输出的已调波的波形包络将正比于全电视信号的幅度。图 2.8表示了电视图像信号的调制方式及波包络的意义。

图 2.8 电视图像信号的调制方式及波包络的意义

在无线电射频频段，通常每个电视信号占用一个频道（我国规定大约 8MHz 带宽），这样才能在空中同时传播多路电视节目而不会导致混乱。目前，我国电视信号频带占用

48.5～960MHz 的信道范围。其中，细分为 3 段（48.8～88.8MHz，160～223MHz，443～960MHz）约容纳 69 个左右的电视频道。有线电视（Cable Television，CATV）的工作方式与其类似，只是它通过电缆传输而不是通过空中传播高频电视信号。

2.1.3 彩色电视信号的类型

彩色电视信号在未进行高频调制发射之前，一般可以称作基带模拟视频。电视基带

视频有 3 种视频格式：复合视频（composite video）也就是彩色全电视信号、亮色分离视频（s-video）和分量视频（YUV video）。其中，复合视频在模拟视频时代是一种标准视频格式。

1．复合视频

复合视频是一种使用一条同轴电缆就可以直接连接到电视监视器还原出影像的全电

视信号。同时，它还可以分别通过磁带录像机直接记录，或者通过电视调制发射和传输


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的模拟电信号。它是各种视频媒体设备接驳的最主要接口之一。通常使用同轴电缆通过

BNC 型、RCA 型或 F 型接插件连接。

2．亮色分离视频（s-video）

亮色分离视频是另外一种通过使用 s-video 端子连接到电视监视器还原出影像的信号接口。它是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案，即两个色差号作

平衡正交调制，形成一个独立的色度信号。但是，色度信号不与亮度信号叠加，而是单

独传送。亮色分离视频一般在家用的 VHS 视频系统中使用。亮色分离视频需使用多芯电缆传输，其中，一条传送亮度信号，一条传送色度信号，一条公共地端和屏蔽网。亮色

分离视频通常使用 4 针连接器（s-video 端子）连接。现在，越来越多的多媒体环境都已经把 S 端子输入、输出的亮色分离模式作为标准配置来装备。

3．分量视频（YUV video）

分量视频（YUV video）是一种使用 3 条同轴电缆，通过 3 个 BNC 型（或 RCA 型）端子连接到分量电视监视器还原出影像的一种视频信号种类。分量视频与电视制式密切

相关，不同的电视制式有不同的分量形式，PAL 制式分量是 YUV；NTSC 制式分量是YIQ。分量视频的优势就在于相对复合视频而言，省去了对图像信号作亮度和色度的副载频调制叠加等环节，这样可以从根本上避免亮色信号的串扰，改善信号失真带来的图

像质量劣化。

2.2 彩色电视制式与扫描特性

2.2.1 彩色电视制式

从彩色电视系统与彩色图像重现的技术原理来看，国际上由于各个地区、各个国家

的政治制度、各个种族的文化习惯、生活习惯等特点，以及人种不同带来的生理视觉差

异等因素，各个国家在设计彩色电视系统时，对上述的“亮度合成公式”、“色差信号提

取”、“色副载波选取及其正交调制类型”、“扫描方式”、“同步时基确定”等方面的参数

是有所差异，这就构成了我们平常所讲的“电视制式”。目前，世界上现行的彩色电视制式有 NTSC 制式、PAL 制式和 SECAM 制式 3 大制

式。其中，在这 3 大制式下，又派生了很多更具体的制式。例如，香港的 PAL-I，大陆的 PAL-D 等。NTSC 制式也称为正交平衡调幅制（National Television Systems Committee，NTSC 制式），它是 1952 年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和我国台湾地区采用这种制

式。PAL 制式也称为逐行倒相正交平衡调幅制（Phase-Alternative Line，PAL 制式），它是 1962 德国制定的彩色电视制式。PAL 制式克服了 NTSC 制式存在的相位敏感而造成彩色失真的缺点。目前，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。SECAM 制式也称为顺序传送彩色与存储制（法文：Sequential Coleur Avec Memoire，SECAM）是法国、前苏联及东欧国家采用的彩色电视广播制式。

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国际上不同制式（NTSC、PAL 和 SECAM 制式）的彩色全电视信号，也就是复合视频信号，其标准是不同的。因而，不同“制式”的视频信号之间是不兼容的，即“单纯

PAL 制式的电视接收机”（监视器）不能接收 NTSC（美国、日本、西欧）制式和 SECAM制式（东欧、独联体）的电视节目，相反“单纯 NTSC 制式的电视接收机”（监视器）也不能接收 PAL 制式的电视节目。

2.2.2 同步扫描特性

1．同步扫描和同步时基

同步扫描是指在电子电视系统中，摄像机在通过电子束扫描方式将“靶面图像信

息”转化为对应的随时间变化的电信号，和显示器通过电子束扫描方式呈现屏幕图像

信息的过程中，必须做到同一时刻扫描的几何位置一一对应。为此，必须要求收、发

两端行、场扫描都必须同步，即行（场）频相同且每行（场）起始和终止位置及其时

刻都相同。这样，行场同步信号中，周期性的同步脉冲前沿或后沿构成的时间间隔就

成为了相关同步的时间间隔标准，这种标准的时间间隔有时也被称为“同步时基”或

“同步时间基准”。事实上，在电子电视系统（模拟）中，扫描同步通常是在发送端产生标准的行、

场“同步时基”信号，一方面，去驱动摄像机的电子束扫描系统；另一方面，把行、

场同步信号叠加到随时间变化的图像信号中传送至接收端。行、场同步信号通常也叫

行、场同步脉冲。在一帧图像的扫描过程中，每一行都有一个行同步脉冲，用它的上

升沿分别控制发送端和接收端行扫描电路的回程起点。由于收发两端都对准行同步前

沿，故行扫描频率相同，扫描的起始和终止时刻也相同；同样，每一场都有一个场同

步脉冲，使发送端和接收端场扫描电路的回程起点都对准场同步前沿，从而达到场扫

描同频同相的目的。

2．3 种制式的扫描特性

目前，3 大制式的扫描特性、同步时基、色副载频及其颜色模式如下：（1）PAL 制式电视系统 ① 625 行（扫描线）/帧，25 帧/秒（40ms/帧）。 ② 高宽比为 4∶3。 ③ 隔行扫描，2 场/帧，312.5 行/场。 ④ 行脉冲周期为 64μs，水平回扫时间 11.8μs，正程时间为 52.2μs。 ⑤ 场周期为 20ms，垂直回扫时间＝25 行＋1 行消隐。每帧实际可视扫描行有 575 行。 ⑥ 色副载频为 4.43MHz。 ⑦ 颜色模式为 YUV。（2）NTSC 制式电视系统 ① 525 行（扫描线）/帧，30 帧/秒（29.97fps，33.37ms/帧）。 ② 高宽比为 4∶3。 ③ 逐行扫描，525 行/帧。


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④ 每帧的开始和结束部分都保留有 20 行扫描线作为控制信息，实际可视行有485 行。

⑤ 行脉冲周期为 63.5μs，水平回扫时间为 10μs，正程时间为 53.5μs。 ⑥ 色副载频为 3.58MHz。 ⑦ 颜色模式为 YIQ。（3）SECAM 制式电视系统 ① 625 行（扫描线）/帧，25 帧/秒（40ms/帧）。 ② 高宽比为 4∶3。 ③ 隔行扫描，2 场/帧，312.5 行/场。 ④ 行脉冲周期为 64μs，水平回扫时间 11.8μs，正程时间为 52.2μs。 ⑤ 场周期为 20ms，垂直回扫时间＝25 行＋1 行消隐。每帧实际可视扫描行有 575 行。 ⑥ 颜色模式为 YUV（顺序传送与存储）。很显然，3 大制式的扫描特性不但在广播电视系统中起着决定性的作用，同样在数

字多媒体环境下也有着重要的影响和割不断的联系。

2.3 彩色电视图像的数字化

彩色电视（模拟视频）图像的数字化涉及很多技术问题，数字化的方法和方案也有

“信号上游数字化”和“信号下游数字化”之分。

2.3.1 关于数字化方案

1．信号上游数字化

“信号上游数字化”方法是指直接从摄像机取得亮度信号和两个色差信号或者从复合

视频分离出彩色分量，然后用 3 个 A/D 转换器分别对它们数字化。图 2.9 表示了信号上游数字化方案的系统框图。

图 2.9 信号上游数字化方案的系统框图

“信号上游数字化”方案注重在保持制式不变的情况下，用相应的彩色分量信号来表

示图像，如用 YUV 或 YIQ 等分量模式表示信号，然后对各个分量分别进行数字化，取科

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得图像数据后进行彩色空间的变换。“信号上游数字化”方案常常用在摄录系统的数字化

和数字电视接收机中，如数字分量摄录机、数字分量录像机、数字 DV 摄像机、数字电视接收机或机顶盒等设备中使用。

2．信号下游数字化

“信号下游数字化”方案是指针对复合视频（彩色全电视信号）用一个高速 A/D 转换器进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的彩色分量信号。“信号下游

数字化”方法有时也被称作“全程数字化”方案，即彩色电视（模拟视频）图像的播出

完全在数字化环境中进行，也就是把复合视频用一个高速 A/D 转换器进行数字化，然后，经信源编码、信道编码形成适合的码型在数字信道（如数字微波、数字光纤）中传输，

在接收端再恢复成彩色电视图像（模拟视频）。图 2.10 表示了信号下游数字化方案的系统框图。

图 2.10 信号下游数字化方案的系统框图

“信号下游数字化”是考虑了广播电视、计算机多媒体、图像通信在内的融合与沟通

的数字化方案。正是基于这种融合与沟通的考虑，视频信号的数字化不仅要面对色彩空

间的转换、光栅扫描的转换、分辨率的统一等技术问题，而且还要面对图像压缩编码的

优化、传输码型的选择、通道带宽自适应与多比特流调整等一系列技术问题。

2.3.2 A/D 转换与 D/A 转换

1．A/D 转换

模拟视频数字化涉及的技术问题较多，但其核心的任务是 A/D 转换和数据压缩编码。A/D 转换就是指对幅值连续变化的模拟视频电信号进行脉冲取抽样保持、量化、编码等环节后形成二进制码流的技术处理过程。图 2.11 示意了 A/D 转换的处理过程。

通常在数字环境下，8 位二进制被表示为一个“比特”（bit），因此，这个用“0”和“1”表示的二进制码流也被称作“比特流”。这个由“模拟量”变换为“比特流”的技术处理过程通常叫做模数转换（Analogue Digital Converter，A/D 转换）。


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图 2.11 A/D 转换的处理过程

在图 2.11 中，假设模拟图像信号是一个幅度从 0～15 个单位的变化电压。当我们用适当周期的脉冲去对其采样时，电路会在脉冲到来时侦测到对应时刻的模拟电信号波形

上的电压并保持住这个电压数值，这样就完成了“采样保持”。采样在某种程度上讲是相

当于对信号时间轴的进行离散。离散程度取决于采样脉冲的周期，也就是采样频率。在

取得了这个电压数值后，系统电路会比照 0～15 个单位的变化电压，对幅度值做整数化的分级处理（使用取整函数），即采用“四舍五入”方法，确定这个值应该属于的整数级。

这个过程就叫做“量化”，有时也叫做“幅度离散”。事实上，在计算机环境下，量化的

整数级是用若干位二进制数表示的，如［15］10 可以用［1111］2、［7］10 可以用［0111］2、［10］10 可以用［1010］2表示等。显然，0～15 的这 16 个整数级可以用 4 位二进制编码表示，因此，某一脉冲到来时刻取样得到的幅值经量化确认整数级后就进入了“编码”输

出。很显然，数字量化的级数与二进制编码的位相关，256 个数字量化级可以用 8 位二进制编码来表示。

在数字化的过程中，数字量化级数越高，图像质量越高，即二进制编码位越多，因

此，实际数字化中，有 8 比特量化，10 比特量化之分。另外，在量化过程中由四舍五入所引起的输入信号样值与量化后输出值的差，叫做

量化误差，也称为量化噪声（N）。由于量化值是在对应量化级内四舍五入得到的，所以，量化误差应不大于：│N│＜△/2，（式中△是两个相邻整数级之差）。

2．D/A 转换

A/D 变换后形成的“比特流”，若将其反译码就会得到相应的样本值，或者说就可以恢复出与原来相当的模拟电信号。这个过程被称为数模转换（Digital Analogue Converter，D/A 转换）。D/A 转换实际上是选用一个截止频率为采样频率一半的低通滤波器就会恢复

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出进入 D/A 变换器的模拟信号。图 2.12 表示了 D/A 转换的处理过程。

图 2.12 D/A 转换的处理过程示意

对图 2.12 所示的 D/A 转换器来讲，输入的是二进制“比特流”，输出的是电压（或电流）形式的模拟电信号。这里，Si 是数字位模拟开关，Si 由输入数码 Di 控制，当Di＝1 时，对应 Di 参考电压接到运放器的输入端，并使 Ii 流入运放器进行电流求和；当 Di＝0 时，对应 Di 参考电压接地，Ii 不流入运放器进行电流求和。如果，我们对低通滤波器的电阻网络按高位（n）到低位（0）配置为 2n−0R，2n−1R，…，2R 的阻值，即电阻从高位到低位按 2 的整倍数递减，这样我们就可以获得一个与数字量 D 成正比的输出电压。

一般常用的线性 D/A 转换器，其输出模拟电压 U 和输入数字量 D 之间成正比关系，即 U＝KD，式中，K 为常数。

2.3.3 数据压缩编码

在对模拟视频数字化的过程中，直接通过 A/D 转换得到的数字“比特流”一般包含大量的数据冗余，也就是存在表达信息的多余数据。这些多余数据导致了转换后的数字

文档拥有海量数据，这种海量的数据对于存储、传输都会带来大量数字资源（如存储空

间、CPU 运算速度）的占用和相应传输设备的高性能要求。因此，有必要对直接通过A/D 转换得到的数字“比特流”进行数据压缩编码。

对于纯二进制码流的数据压缩，通常采用统计压缩算法，如霍夫曼编码算法，行程

编码算法、字典编码算法等。事实上，在整个模拟视频数字化的过程中，目的是对图像

数据进行压缩，保留有效的图像信息，为此，人们从多个方面尝试着对图像数据进行压

缩编码。有针对视频图像具有“行相关”的特点，即相邻两行像素的颜色值基本相同，

而采取的帧内压缩，其目的是去除空间冗余；有针对视频图像具有“场（帧）相关”的

特点，即相邻两场（帧）的对应像素的颜色值也基本相同，而采取的帧间压缩，其目的

是去除时间冗余。还有一些是基于人眼视觉特性的图像压缩方法（如图像子采样）。还有

像基于重要性方面的压缩方法等。关于图像数据压缩编码，我们在后面的章节中还要做

专门的讨论，这里不再赘述。

2.3.4 彩色图像子采样

在对模拟视频数字化的过程中，可以采用两种采样方法：一种是使用相同的采样频


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率对图像的亮度信号和色差信号进行采样；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。图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。可以说，在彩色图像压缩技术

中，最简便的图像压缩技术恐怕就要算图像子采样了。这种压缩方法的基本根据是人的

视觉系统所具有的两条特性：一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度

低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信息去掉一些而使人不察觉；二是人眼对图

像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信息去掉而使人不

易察觉。前者意味着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要低；后

者意味着不必要设置很高的采样频率。子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达

到压缩模拟视频信号。实验表明，使用下面介绍的子采样格式，人的视觉系统对采样前

后显示的图像质量没有感到有明显差别。目前，使用的采样格式有以下几种，如图 2.13 所示，其中，4∶4∶4 采样格式不是

子采样格式，这里只是作为对比来说明子采样格式的特点。

图 2.13 几种采样格式示意

图中，4∶4∶4 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、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。

4∶2∶2 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。

4∶1∶1 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∶2∶0 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。

2.4 彩色电视图像的数字化标准

国际无线电咨询委员会（CCIR）早在 20 世纪 80 年代就制定了彩色电视图像数字化标准，称为 CCIR 601 标准，现改为 ITU-R BT.601 标准。该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的采样频率，RGB 和 YCbCr 两个彩色空间之间的转换关系等。

2.4.1 色彩空间转换

我们知道，YUV 颜色空间是 PAL 制式电视系统传输图像的专用颜色空间，它是由科

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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。而 RGB 颜色空间是计算机显示图形的颜色空间，或者是用于色光混合显示图像的环境下（如电视机、投影机、计算机显示器等）使用的颜色空间。

在数字化过程中，YUV 颜色空间对应于数字环境下的颜色空间就是 ITU-R BT.601 YCbCr 颜色空间。这是一个用 8 位二进制数表示的一组参数。也就是说，模拟的 YUV信号和数字化的 YCbCr 信号仅仅是一个正比关系，YCbCr 参数将间接地反映 YUV 信号的变化。因此，在 RGB 色彩空间下，要使用这样一组和 YUV 有着正比关系的 YCbCr参数，必须知道这两个色彩空间的转换关系。按 ITU-R BT.601 标准规定，YCbCr 和 RGB两个彩色空间之间的转换用如下关系式表示：

219

219

219

0.2990 0.5870 0.1140 160.1726 0.3388 0.5114 1280.5114 0.4282 0.0832 128

b

r

RYC GC B

⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

＝ - - ＋

- -

（2-5）

从该关系式中可以看出，在 256 级的 8bit 色彩深度下，亮度 Y 参数的取值范围是 220级（16～235），Cb、Cr 参数的取值范围都是 225 级（128±112）。这样，R、G、B 3 个参数的取值范围必然是 220 级（0～219）。

2.4.2 采样频率与相应时间基准的关系

1．采样频率

在模拟视频数字化的过程中，除了信号幅度值的量化级数影响和决定着图像的质量

外，采样频率的高低选取同样会影响图像质量。因此，采样频率的高低是决定数字化视

频图像质量的重要指标。在实际选取采样频率时，人们要考虑这样一个原则，即信号频率和采样频率之间需

要满足奈奎斯特采样定理。该定理指出：当对连续变化的信号波形进行采样时，若采样

频率 fs 高于该信号所含最高频率的两倍，那么，

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