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第五节：计算机中的图形文件. 图象文件的一般结构 主要都包含有文件头、文件体和文件尾等三部分： 文件头 ：软件 ID 、软件版本号、图像分辨率、图像尺寸、图像深度、彩色类型、编码方式、压缩算法等 文件体 ：图像数据以及色彩变换查找表或调色板数据 文件尾 ：用户名、注释、开发日期、工作时间等. 常用的图象文件格式. (1) BMP 格式： BMP 是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。 它采用位映射存贮格式，除了图像深度可选以外，一般不采用其它任何压缩，因此， BMP 文件所占用的空间很大。
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第五节：计算机中的图形文件 • 图象文件的一般结构主要都包含有文件头、文件体和文件尾等三部分： • 文件头：软件ID、软件版本号、图像分辨率、图像尺寸、图像深度、彩色类型、编码方式、压缩算法等 • 文件体：图像数据以及色彩变换查找表或调色板数据 • 文件尾：用户名、注释、开发日期、工作时间等 《多媒体通信》
常用的图象文件格式 • (1) BMP格式： • BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。 • 它采用位映射存贮格式，除了图像深度可选以外，一般不采用其它任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。 • BMP文件的图像深度可选1 bit、4 bit、8 bit及24 bit。 《多媒体通信》
位图文件的组成 结构名称 符号 位图文件头(bitmap-file header) BITMAPFILEHEADER bmfh 位图信息头(bitmap-information header) BITMAPINFOHEADER bmih 彩色表(color table) RGBQUAD aColors[] 图像数据阵列字节 BYTE aBitmapBits[] BMP图像文件组成部分的名称和符号 《多媒体通信》
(2) PCX文件： • 早期的PC 画笔的图像文件格式； • PCX的图像深度可选为1、4、8 bit，现在也支持真彩色； • PCX文件采用RLE行程编码，文件体中存放的是压缩后的图像数据； • 因此，将采集到的图像数据写成PCX文件格式时，要对其进行RLE编码；而读取一个PCX文件时首先要对其进行RLE解码，才能进一步显示和处理。 《多媒体通信》
(3) TIFF文件 TIFF（Tag Image File Format）文件是由Aldus和Microsoft公司为扫描仪和桌上出版系统研制开发的一种较为通用的图像文件格式。 • TIFF格式灵活易变，它定义了四类不同的格式： • TIFF－B适用于二值图像； • TIFF－G适用于黑白灰度图像； • TIFF－P适用于带调色板的彩色图像； • TIFF－R适用于RGB真彩图像。 • TIFF支持多种编码方法，其中包括RGB无压缩、RLE压缩及还支持JPEG压缩等。 《多媒体通信》
(4) GIF文件： • GIF（Graphics Interchange Format ）是CompuServe公司在1987年开发的图像文件格式。 • GIF文件的数据是经过压缩的，它采用了RLE等压缩算法。 • GIF的图像深度从1bit到8bit，也即GIF最多支持256种色彩的图像。 • GIF格式的另一个特点是其在一个GIF文件中可以存多幅彩色图像，如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上，就可构成一种最简单的动画。 《多媒体通信》
(5) JPEG文件： • 采用JPEG图象压缩技术对图象进行压缩； • 存盘和读取都需要做大量的运算，在计算机运算能力较低时（486以下）一般不采用； • 所占的存储空间最小； 《多媒体通信》
JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。JPEG的每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节(fill byte)。下面是其中的8个标记： • SOI0xD8 图像开始 • APP0 0xE0JFIF应用数据块 • APPn 0xE1 - 0xEF 其他的应用数据块(n, 1～15) • DQT0xDB 量化表 • SOF0 0xC0 帧开始 • DHT0xC4 霍夫曼(Huffman)表 • SOS0xDA 扫描线开始 • EOI0xD9 图像结束 《多媒体通信》
数字图像处理 • 压缩 • 编辑 • 存储 数字图像的 输出 数字图像 的输入 图像 应用 传统 图像 以某种颜色 空间表示的 数字图像 第六节：数字图像的输入输出手段 • 计算机上数字图像的处理过程 《多媒体通信》
图像数据的获取 • 数字图像的获取方式 • 数字图像库的利用 • 用绘图软件创建数字图像 • 用数字化设备摄入数字图像 • 数字相机和数字摄像机 • 用数字转换设备采集数字图像 • 图像采集卡 • 扫描仪 《多媒体通信》
扫描仪 • 扫描仪的种类 • 包括手持式、平板式和大幅面的滚筒式三类 • 手持式扫描仪其扫描宽度与其本身相当，一般比较窄，性能比较简单。手持式也有不同档次，包括黑白、灰度和彩色扫描仪，分辨率可以从几十dpi到300 dpi以上。 • 平板式也称台式，其性能比较高，可达到A4以上的扫描幅面，分辨率最高达2000 dpi以上，图像深度为24位。 • 大幅面滚筒式一般用于专业级的扫描，用于广告出版业。 《多媒体通信》
扫描仪的基本原理 • 平板扫描仪在很多方面象复印机。把要扫描的图片放置在扫描仪的玻璃板上，扫描仪提供光源给图片，通过光条和镜头将图片曝光，光线从图片上反射进扫描仪的光学系统，在此系统中不同层次的光得以处理，以数字的形式重新组合后送计算机屏幕显示，并可以图像文件的形式保存在磁盘上。 《多媒体通信》
扫描仪的技术指标 • 扫描幅面： • 决定一次扫入的原始图像大小，幅面越大性能越高。 • 光分辨率 • 也称为光清晰度，以每英寸点数(dpi)计算。光分辨率指扫描图像时可用的最大图像分辨率，它反映了扫描仪解析细节的能力。 • 扫描模式及数字图像类型： • 扫描模式实际指数字图像的图像深度，由此决定数字图像色彩的类型。 《多媒体通信》
数字图像的输出 • 数字图像的输出方式： • 屏幕显示：图像显示的质量与显示分辨率及显示色彩数有关，因此，作为显示输出的图像数据的参数选取要充分考虑显示设备的指标要求； • 打印输出：把计算机上的数字化图像变为清晰逼真的硬拷贝图像。这种输出设备实际上是把数字图像再次转换成模拟图像。 《多媒体通信》
第七节：数字视频 • 1、概述 • 多媒体技术与电视 • 在当今社会，信息与电视是不可分割的； • 电视的实现，不仅扩大和延伸了人们的视野，而且以其形象、生动、及时的优点提高了信息传播的质量和效率。 • 多媒体的概念虽然与电视的概念不同，但在其综合文、图、声、像等作为信息传播媒体这一点上是完全相同的； • 不同的是电视中没有交互性，传播的信号是模拟信号而不是数字信号； 《多媒体通信》
利用多媒体计算机和网络的数字化、大容量、交互性以及快速处理能力，对视频信号进行采集、处理、传播和存储是多媒体技术正在不断追求的目标。利用多媒体计算机和网络的数字化、大容量、交互性以及快速处理能力，对视频信号进行采集、处理、传播和存储是多媒体技术正在不断追求的目标。 • 与视频有关的名词如下： • 视像(visual image)：电视信号或录像带(videotape)上记录的连续的图像。 • 伴音(audio)：伴随视像的声音信号。 • 数字视频(digital video)：包括数字运动图像(visual)和数字伴音(audio)两部分。 《多媒体通信》
一般说来，视频包括可视的图像和可闻的声音，然而由于伴音是处于辅助的地位，并且在技术上视像和伴音是同步合成在一起的，因此具体讨论时有时把视频（video）与视像（visual）等同，而声音或伴音则总是用audio表示。所以，在用到“视频”这个概念时，它是否包含伴音要视具体情况而定。一般说来，视频包括可视的图像和可闻的声音，然而由于伴音是处于辅助的地位，并且在技术上视像和伴音是同步合成在一起的，因此具体讨论时有时把视频（video）与视像（visual）等同，而声音或伴音则总是用audio表示。所以，在用到“视频”这个概念时，它是否包含伴音要视具体情况而定。 《多媒体通信》
2、模拟电视信号和制式 • 电视系统是采用电子学的方法来传送和显示活动景物或静止图像的设备。 • 在电视系统中，可以说视频信号是连接系统中各部分的纽带，其标准和要求也就是系统各部分的技术目标和要求。 • 电视的发展前景是数字彩色电视； • 数字视频系统的基础是模拟视频系统； • 彩色电视又是在黑白电视的基础上发展起来的。 《多媒体通信》
(1) 黑白电视信号 • 电视原理： • 电视同样也是采用动画的视觉原理构造而成的，其基本原理为顺序扫描和传输图像信号，然后在接收端同步再现。 • CRT显示器的显示原理是：显像管内部的电子枪（阴极）通电，发出电子束，经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，由偏转线圈控制电子的方向，穿过荫罩的小孔或荫栅并经荫罩或荫栅调正，然后高速轰击到荧光屏上的荧光粉，荧光粉被激活，就可以发出光来。R、G、B三色荧光点被按不同强度的电子流点亮，就会产生各种色彩。 《多媒体通信》
电视图像扫描是由隔行扫描组成场，由场组成帧，一帧为一幅图像。定义每秒钟扫多少帧为帧频；每秒钟扫描多少场为场频；每秒钟扫描多少行为行频电视图像扫描是由隔行扫描组成场，由场组成帧，一帧为一幅图像。定义每秒钟扫多少帧为帧频；每秒钟扫描多少场为场频；每秒钟扫描多少行为行频 逐行扫描 隔行扫描 图像的光栅扫描 《多媒体通信》
在逐行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像，如前图(a)所示。在逐行扫描中，电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像，如前图(a)所示。 • 在隔行扫描中，电子束扫完第1行后回到第3行开始的位置接着扫，如前图(b)所示，然后在第5、7、……，行上扫，直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行，这样就完成了一帧(frame)的扫描。 • 可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中，无论是摄像机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。 《多媒体通信》
场频和帧频： • 我国的电视画面传输率是每秒25帧、50场。25Hz的帧频能以最少的信号容量有效地满足人眼的视觉残留特性；50Hz的场频隔行扫描，把一帧分成奇、偶两场，奇偶的交错扫描相当于有遮挡板的作用。这样，在其它行还在高速扫描时，人眼不易觉察出闪烁，同时也解决了信号带宽的问题。 《多媒体通信》
一个有趣的图像 《多媒体通信》
PAL制的电视信号 • 一帧图像的总行数为625，分两场扫描。 • 行扫描频率是15 625 Hz，周期为64μs； • 场扫描频率是50 Hz,周期为20 ms； • 帧频是25 Hz，是场频的一半，周期为40 ms。 • 在发送电视信号时，每一行中传送图像的时间是52.2μs，其余的11.8μs不传送图像，是行扫描的逆程时间，同时用作行同步及消隐用。每一场的扫描行数为625/2=312.5行，其中25行作场回扫，不传送图像，传送图像的行数每场只有287.5行，因此每帧只有575行有图像显示。下图所示表示的是一个行周期的电视信号，彩色电视信号与它相似。 《多媒体通信》
全电视信号： • 电视信号中除了图像信号以外，还包括同步信号。所谓同步是指摄像端（发送端）的行、场扫描步调要与显像端（接收端）扫描步调完全一致，即要求同频率、同相位才能得到一幅稳定的画面。 • 一帧电视信号称为一个全电视信号，它又由奇数场行信号和偶数场行信号顺序构成。 《多媒体通信》
伴音： • 音频信号的频率范围一般为20Hz－20KHz，其频带比图像信号窄得多。 • 电视的伴音要求与图像同步，而且不能混迭。因此一般把伴音信号放置在图像频带以外，放置的频率点称为声音载频，我国电视信号的声音载频为6.5MHz，伴音质量为单声道调频广播。 《多媒体通信》
(2) 彩色电视信号 • 彩色与黑白电视信号的兼容： • 黑白电视只传送一个反映景物亮度的电信号就行了，而彩色电视除了传送亮度信号以外还要传送色度信号。 • 所谓黑白电视与彩色电视的兼容是指黑白电视机接收彩色电视信号时能够产生相应的黑白图像；而彩色电视机在接收黑白电视信号时，也能产生相应的黑白电视图像。黑白和彩色电视都能正常工作。 《多媒体通信》
兼容的实现： • 在彩色电视信号中首先必须使亮度和色度信号分开传送，以便使黑白电视和彩色电视能够分别重现黑白和彩色图像。 • 用YUV空间表示法就能解决这个问题。采用YUV空间还可以充分利用人眼对亮度细节敏感而对彩色细节迟钝的视觉特性，大大压缩色度信号的带宽。 《多媒体通信》
我国规定的亮度信号带宽为6MHz，而色度信号U、V的带宽分别仅为1.3MHz。色度信号的高频分量几乎都被压缩掉了，如果仅靠两个1.3MHz的色信号来反映图像细节将会使图像模糊，界限不清楚。实际上由于亮度信号具有6MHz的带宽，其细节是很清晰的，用它完全可以补偿色度信号缺少高频分量的缺陷。我国规定的亮度信号带宽为6MHz，而色度信号U、V的带宽分别仅为1.3MHz。色度信号的高频分量几乎都被压缩掉了，如果仅靠两个1.3MHz的色信号来反映图像细节将会使图像模糊，界限不清楚。实际上由于亮度信号具有6MHz的带宽，其细节是很清晰的，用它完全可以补偿色度信号缺少高频分量的缺陷。 • 这种用亮度信号来补偿色度信号高频不足的方法称为高频混合法， 它类似于大面积着色原理，图像细节完全依靠黑白细节来满足。 《多媒体通信》
(3) 彩色电视制式 • 电视信号的标准也称为电视的制式。 • 目前各国的电视制式不尽相同，制式的区分主要在于其帧频（场频）的不同、分辨率的不同、信号带宽以及载频的不同、色彩空间的转换关系不同等等。 • 世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC（National Television System Committee）制（简称N制）、PAL（Phase Alternation Line）制和SECAM制。 《多媒体通信》
PAL制式： • 它是西德在1962年指定的彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。 • PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中PAL－D制是我国大陆采用的制式。 《多媒体通信》
NTSC彩色电视制式： • 它是1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正交平衡调幅的技术方式，故也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中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。 • SECAM制式： • SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色电视制式。它也克服NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。 《多媒体通信》
电视制式的应用 • 不同制式的电视机只能接收和处理其对应制式的电视信号； • 多制式或全制式的电视机，这为处理和转换不同制式的电视信号提供了极大的方便。 • 全制式电视机可在各国各地区使用，而多制式电视机一般为指定范围的国家生产 • 如Panasonic TC-2188M多制式电视机，适用于PAL－D，I制和NTSC（3.58）制，也即它可以在中国大陆（PAL－D）、香港（PAL－I）和日本（NTSC 3.58）使用。 《多媒体通信》
不同制式应用的全球分布图 《多媒体通信》
(4) 电视接收机的输入输出信号类型 • 1.高频或射频信号 • 目的：为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频（RF－Radio Frequency）信号，每个信号占用一个频道，实现频分复用； • 特征： • 我国采样PAL制，每个频道占用8MHz的带宽； • 美国采用NTSC制，电视从2频道至69频道，每个频道的带宽为4MHz； • 电视射频信号频带共占用54 MHz至806 MHz的信道。 • 有线电视CATV（Cable Television）的工作方式类似，只是它通过电缆而不是通过空中传播电视信号。 • 应用： • 电视机在接收受到某一频道的高频信号后，要把全电视信号从高频信号中解调出来，才能在屏幕上重现视频图像。 《多媒体通信》
2. 复合视频（Composite Video）信号 • 定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号； • 这种信号一般可通过电缆输入或输出到家用录像机上，其信号带宽较窄； • 视频信号已不包含高频分量，处理起来相对简单一些，因此计算机的视频卡一般都采用视频输入端获取视频信号。 • 由于视频信号中已不包含伴音，故一般与视频输入、输出端口配套的还有音频输入、输出端口以便同步传输伴音。因此，有时复合式视频接口也称为AV（Audio Video）口。 《多媒体通信》
3. S－Video信号 • 目前有的电视机还备有两分量视频输入端口（S－Video In），S－Video 是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输； • 这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线。与复合视频信号相比，S－Video可以更好地重现色彩。 • 两分量视频可来自于高档摄像机，它采用两分量视频的方式记录和传输视频信号。其它如高档录像机、激光视盘LD机的输出也可按分量视频的格式，其清晰度比从家用录像机获得的电视节目的清晰度要高得多。 《多媒体通信》
插座号 信号 信号电平 阻抗 1 地(亮度) - - 2 地(色度) - - 3 亮度(包含同步信号) 1V 75 ohms 4 色度 0.3V 75 ohms S-Video连接器 《多媒体通信》
以上每一种电视信号的组成类似，主要包括： • 五种成分：亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号和伴音信号； • 这些信号或者可通过频率域，或者可通过时间域相互分离出来。电视接收机是能够将所接收到的高频电视信号还原成视频信号和低频伴音信号，并能够在其荧光屏上重现图像，在其扬声器上重现伴音的电子设备。 《多媒体通信》
4.其它接口 • 数字接口 • YCbCr • VGA接口 《多媒体通信》
第八节：数字视频基础 • 模拟视频的数字化包括不少技术问题： • 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。 • 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。 《多媒体通信》
1、视频信号的数字化 • 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进行数字化，最后再转换成RGB空间。 • 其它方法（应用较少） • 用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ或RGB分量数据。 《多媒体通信》
（1）彩色空间之间的转换 • 在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128 《多媒体通信》
（2）采样频率 • CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信网络中的电视图像信号采样。 • 对PAL制、SECAM制，采样频率fs为： fs=625×25×N=15625×N=13.5 MHz, N=864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 • 对NTSC制，采样频率fs为： fs=525×29.97×N=15734×N=13.5 MHz, N=858其中，N为每一扫描行上的采样数目。 《多媒体通信》
（3）数字视频的格式 《多媒体通信》
2、数字视频的子采样 • 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(subsampling)。 《多媒体通信》
图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。 • 在彩色图像压缩技术中，图像子采样是最简便的图像压缩技术； • 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号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号去掉而使人不易察觉。 • 子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达到压缩彩色电视信号。 《多媒体通信》
试验表明，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：试验表明，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： • (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。 《多媒体通信》
