|
汽車多媒體上的圖像數字化處理原理與壓縮技術
1.顏色的處理
在自然界中，有些物體是不發光的，有些物體是發光的。不發光的物體稱為無源物體，它的顏色由該物體吸收哪些波長的光波來決定，它的亮度由該物體沒有吸收的光波即反射光來決定。例如印在紙上的彩色圖，彩色印刷和打印的彩色圖像采用相減的方式產生。發光的物體稱為有源物體，可以發出不同波長的光波到達人們的眼睛，就可以看到彩色圖像，例如顯示器的射線管，電視機和顯示器顯示的彩色圖像是用相加混色的方法產生的。
RGB模型
彩色電視機和顯示器中就是利用這種三基色構成彩色圖像的，因為是將RGB三種顏色按照不同比例相加構成其他的顏色，所以屬于相加混色（見表）
表 RGB三基色模型相加混色構成
YUV 與YIQ模型
YUV模型是PAL制式彩色電視使用的顏色模型，YIQ是NTSC制式彩色電視機使用的顏色模型，這是一種基于色差信號組合的模型。
RGB和YUV的對應關系的近似方程式如下：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
U=-0.147R-0.289G+0.436B
V=0.615R-0.515G-0.100B
RGB和YIQ的對應關系的近似方程式如下：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
I=0.596R-0.275G-0.321B
Q=0.212R-0.523G-0.311B
2.圖像分辨率
圖像分辨率是試題像素密度的一種方法。對同樣的尺寸的一幅圖像，圖像刻度和圖像質量、存儲圖像所需要的存儲空間以及在顯示器上顯示的圖像大小有一定的關系。
像素密度越高，組成這幅圖像的像素就越多，圖像看起來就顯得越清晰。相反，圖像看起來就顯得粗糙；像素密度越高，組成這幅圖像的像素就越多存儲這幅圖像所需要的存儲空間就越大。相反所需要的存儲空間就越小；像素密度越高，組成這幅圖像的像素就越多，在顯示器上顯示的圖像就越大。相反，在顯示器上顯示的圖像就越小。
3.顯示器與圖像
顯示器為了很好地表達圖像的真實面貌，需要注意以下幾個參數：
（1）刷新頻率：顯示器為了不使顯示的圖像主生閃爍感，必須維持一定的刷新頻率，對于電子管顯示器來說，電子束從屏幕的頂部移到底部再回到頂部稱為刷新一次。
（2）分辨率：顯示屏幕是由許多的顯像點組成的，顯像點越多分辨率越高，顯示的圖像就越清晰。注意不要把圖像的分辨率和顯示器的分辨率相混淆。
（3）點距（Dot Pitch）：點距就是顯像管玻璃面上孔眼之間的距離，電視機的點距平均為0.76mm；在計算機顯示器中的點距比電視一般要小，現在大部分計算機的點距小于0.26mm，所以同樣尺寸的電視機和計算機顯示器相比，計算機顯示器價格要貴一些。
4.圖像數字化
在模擬電視中使用RGB來表示顏色，但在處理每個像素并數字化時，RGB三個彩色分量帶寬必須相等，這樣在硬件上就非常復雜而且處理速度很慢。而YUV方式則簡化了對比度、亮度和飽合度的調整，因為對比度和亮度都可以通過調整Y分量的數值來改變，其中對比度同時用存儲在RAM/ROM查找表中的系數去做乘法來實現，而亮度調整則通過增加或減少當前的Y值來實現。飽合度的調整是通過改變色差分量的數值來實現，例如乘一個系數。在數字域中，RGB和YcbCr兩個彩色空間之間的轉換關系如下（見圖表）
Y=0.299R+0.587G+0.114B
Gr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128
Gb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128
圖像采樣頻率和其他頻率之間的關系
5.圖像壓縮
電視圖像和聲音數字化后的數據量都非常大，在數字存儲和網絡上傳輸都非常困難，所以需要壓縮技術。在VCD和DVD電視圖像的壓縮技術中綜合采用了有損壓縮和無損壓縮。
常用的算法有香農-范諾（Shannon-Fano）編碼算法和霍夫曼（Huffman）編碼算法。
1982年，CCIR制定了CCIR601標準，確定了PAL、NTSC和SCEAM有一種電視制式之間共同的數字化參數。按照這個標準，Y信號的采樣頻率為13.5MHz，CrCb信號的采用頻率為6.75MHz，在傳輸數字電視信號通道上的數據傳輸率就達到了270Mb/s，即：
亮度（Y）：
858樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≌135兆比特/秒（NTSC）864樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≌135兆比特/秒(PAL)
CR(R-Y):
429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≌68兆比特/秒(NTSC)
429樣本/行×625行/幀×25幀/秒×10比特/樣本≌68兆比特/秒(PAL)
CB(B-Y)
429樣本/行×525行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≌68兆比特/秒
429樣本/行×625行/幀×30幀/秒×10比特/樣本≌68兆比特/秒
總講：27兆樣本/秒×10比特/樣本=270兆比特/秒
實際上，顯示屏上顯示出來的有效圖像的數據傳輸率并沒有那么高：
亮度（Y）： 720×480×30×10≌104（Mb/s）(NTSC)
720×576×25×10≌104(Mb/s)(PAL)
色差（CR CB）: 2×360×480×30×10≌104（Mb/s）(NTSC)
2×360×576×25×10≌104（Mb/s）(PAL)
如果每個樣本的采樣精度 從10比特降到8比特，彩色電視信號的數據傳輸率就降為166Mb/s。VCD存儲數據傳輸為1.4112Mb/s，分配給電視信號的數據傳輸率為1.15Mb/s，顯而易見存儲這樣的電視信號需要對它進行高度壓縮，壓縮比高達 166/1.15≈144：1。
根據當前成熟的壓縮技術，非專家難以區分的電視圖像壓縮前后差別時的數據傳輸率平均為從3.5Mb/s至4.7Mb/s。DVD-Video數據傳輸率雖然可以達到10.08Mb/s，但一張4.7GB的單面單層DVD光盤要存放133min的電視節目，按照數字電視信號的平均數據傳輸率為4.1Mb/s來計算，壓縮比要達到166/4.10≈40:1。
彩色電視圖像依據人的祧系統的兩條特性，一是人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的第三度低，利用這個特性可以把圖像中表達顏色的信號多去掉一些而不使人覺察；二是人眼對圖像細節的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而不使人覺察。子采樣就是利用這種特性來達到壓縮彩色電視信號的。
在DVD-Video中電視圖像的子采樣使用4：2：0格式，因此數字電視信號的數據傳輸率就減小到720×480×30×8×1.5≈124Mb/s。
對于VCD，首先把NTSC和PAL電視轉換成通用中間格式（Common Intermediate Format，CIF），這種格式就相當于家用錄像機的質量，于是彩色電視的數據傳輸率就減小到：
352×240×30×8×1.5≈30Mb/s（NTSC）
352×288×25×8×1.5≈30Mb/s（PAL）
把這種彩色電視信號存儲到CD盤上所壓根的壓縮比為30/1.15≈26:1。
對于DVD-Video，存儲廣播級的數字電視圖像需要的壓縮比為124/4.1≈30:1.
在DVD上的影視圖像包括MPEG-1Video（ISO/IEC 1117-2）和MPEG-2 Video（ISO/IEC 13818-2）。在滿足質量的前提下，壓縮后的影視圖像可以是固定速率的MPEG-1（圖像分辨率為352×240，30幀/秒），也可以是可變速率的MPEG-2（圖像麄率為720×480，60場/秒）。
摘自：姜衛忠《汽車多媒體導航系統藍皮書》
|
