视频基础知识详解

视频基础知识详解

视频技术发展到现在已经有100多年的历史，虽然比照相技术历史时间短，但在过去很长一段时间之内都是最重要的媒体。

由于互联网在新世纪的崛起，使得传统的媒体技术有了更好的发展平台，应运而生了新的多媒体技术。而多媒体技术不仅涵盖了传统媒体的表达，又增加了交互互动功能，成为了目前最主要的信息工具。

在多媒体技术中，最先获得发展的是图片信息技术，由于信息来源更加广泛，生成速度高生产效率高，加上应用门槛较低，因此一度是互联网上最有吸引力的内容。

然而随着技术的不断进步，视频技术的制作加工门槛逐渐降低，信息资源的不断增长，同时由于视频信息内容更加丰富完整的先天优势，在近年来已经逐渐成为主流。

那么我们就对视频信息技术做一个详细的介绍。

模拟时代的视频技术

最早的视频技术来源于电影，电影技术则来源于照相技术。由于现代互联网视频信息技术原理则来源于电视技术，所以这里只做电视技术的介绍。

世界上第一台电视诞生于1925年，是由英国人约翰贝德发明。同时也是世界上第一套电视拍摄、信号发射和接收系统。而电视技术的原理大概可以理解为信号采集、信号传输、图像还原三个阶段。

摄像信号的采集，通过感光器件获取到光线的强度（早期的电视是黑白的，所以只取亮度信号）。然后每隔30～40毫秒，将所采集到光线的强度信息发送到接收端。而对于信号的还原，也是同步的每隔30～40毫秒，将信号扫描到荧光屏上进行展示。

那么对于信号的还原，由于荧光屏电视采用的是射线枪将射线打到荧光图层，来激发荧光显示，那么射线枪绘制整幅图像就需要一段时间。射线枪从屏幕顶端

开始一行一行的发出射线，一直到屏幕底端。然后继续从顶部开始一行一行的发射，来显示下一幅图像。但是射线枪扫描速度没有那么快，所以每次图像显示，要么只扫单数行，要么只扫双数行。然后两幅图像叠加，就是完整的一帧画面。所以电视在早期都是隔行扫描。

那么信号是怎么产生的呢？

跟相机感光原理一样，感光器件是对光敏感的设备，对于进光的强弱可以产生不同的电压。然后再将这些信号转换成不同的电流发射到接收端。电视机的扫描枪以不同的电流强度发射到荧光屏上时，荧光粉接收到的射线越强，就会越亮，越弱就会越暗。这样就产生了黑白信号。

那么帧和场的概念是什么？

前面说到，由于摄像采集信号属于连续拍摄图像，比如每隔40毫秒截取一张图像，也就是说每秒会产生25副图像。而每个图像就是一帧画面，所以每秒25副图像就可以描述为帧率为25FPS（frames per second）。而由于过去电视荧光屏扫描是隔行扫描，每两次扫描才产生一副图像，而每次扫描就叫做1场。也就是说每2场扫描生成1帧画面。所以帧率25FPS时，隔行扫描就是50场每秒。

模拟时代在全世界电视信号标准并不是统一的，电视场的标准有很多，叫做电视信号制式标准。黑白电视的时期制式标准非常多，有A、B、C、D、E、G、H、I、K、K1、L、M、N等，共计13种（我国采用的是D和K制）。到了彩色电视时代，制式简化成了三种：NTSC、PAL、SECAM，其中NTSC又分为NTSC4.43和NTSC3.58。我国彩色电视采用的是PAL制式中的D制调幅模式，所以也叫PAL-D 制式。有兴趣的可以百度百科“电视制式”来详细了解。

另外你可能会发现，场的频率其实是和交流电的频率一致的。比如我国的电网交流电的频率是50Hz，而电视制式PAL-D是50场每秒，也是50Hz。这之间是否有关联呢？可以告诉你的是，的确有关联，不过建议大家自己去研究。如果确实不懂的同学可以@我。

彩色信号又是怎么产生的呢？

其实有了基础的黑白摄像技术之后，人们就一直想实现彩色摄像。早在1861年，英国物理学家麦克斯韦就论证了所有彩色都可以使用红、蓝、绿三种基色来叠加生成。但是感光器件只是对光线敏感，但是对颜色却无法识别。为了实现对颜色的识别，人们用分光镜加滤光片的方式，将光线分解成为三种基色的纯色模式。然后分别对三个基色的纯色亮度进行采集，然后再把信号叠加实现了对彩色信号的采集能力。

色彩信号是如何表达的？

因为原来黑白电视的时候，基本上只需要一路信号就可以还原图像（同步信号后面讲）。但是有了彩色之后，一路信号能否表达一副完整的彩色图像，以及

如何表达呢？

彩色电视出现之后，为了兼容早期的黑白电视信号（也就是黑白电视机可以接收彩色信号，但是只显示黑白），科学家引入了YUV色彩表示法。

YUV信号有多种叫法，可以称作色差信号（Y，R-Y，B-Y），也可以称作分量信号（YCbCr，或者Component、YPbPr）。它是由一个亮度信号Y （Luminance 或Luma），和两个色度信号U和V组成（Chrominance或Chroma）。黑白电视只使用亮度信号Y，彩色电视可以额外使用两个色度信号，来实现彩色效果。但是YUV信号是怎么来的呢？

首先，是因为考虑到黑白电视兼容，所以基础信号仍然采用亮度信号。而颜色表达本身是通过RGB三基色的叠加来实现的，为了能够将YUV信号可以还原成三基色RGB色彩值，数学家利用了色差算法，即选取一路Cr信号和一路Cb 信号。Cr信号是指RGB的红色信号部分与RGB亮度值之间的差异，Cb信号是指RGB的蓝色信号与RGB亮度值之间的差异。所以YUV信号有时候也表达为Y，R-Y和B-Y，所以也叫色差信号。

为什么YUV色彩会延续至今？

如果大家平时经常拿手机拍摄视频，你可以把拍摄的视频文件传输到电脑上，然后用MediaInfo软件打开，你会发现很多关于视频的参数信息。而这些参数信息里面，你一定会发现手机拍摄的视频色彩也是使用YUV信号模式。为什么不用RGB来表达？现在早都没有黑白电视了啊？

其实不必考虑兼容性的原因，因为你无论是什么信号模式拍摄的视频，只要是数字化的信息文件形式，都可以与播放设备的信号模式无关。因为播放设备在播放视频文件时需要解码，再进行渲染。这时候不管什么信号模式还是色彩空间，都能转化成设备兼容的方式。

至于为什么YUV信号模式一直会持续至今，最主要的原因不是因为兼容性考虑，而是YUV信号有个巨大的优势，就是节省带宽。这在数字媒体领域是很重要的。

人眼的视觉特点是，人眼对于亮度信号最为敏感，对色度信号敏感度要弱一些。所以可以适当减少色度信号的容量，也不会被人眼观察到差异。就好比音频