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汽車多媒體上的圖像數(shù)字化處理原理與壓縮技術(shù)
1.顏色的處理
在自然界中，有些物體是不發(fā)光的，有些物體是發(fā)光的。不發(fā)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(chǎn)生。發(fā)光的物體稱為有源物體，可以發(fā)出不同波長的光波到達(dá)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(jī)和顯示器顯示的彩色圖像是用相加混色的方法產(chǎn)生的。
RGB模型
彩色電視機(jī)和顯示器中就是利用這種三基色構(gòu)成彩色圖像的，因?yàn)槭菍GB三種顏色按照不同比例相加構(gòu)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(gòu)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(jī)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(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)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(zhì)量、存儲(chǔ)圖像所需要的存儲(chǔ)空間以及在顯示器上顯示的圖像大小有一定的關(guān)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(chǔ)這幅圖像所需要的存儲(chǔ)空間就越大。相反所需要的存儲(chǔ)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(dá)圖像的真實(shí)面貌，需要注意以下幾個(gè)參數(shù)：
（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(diǎn)組成的，顯像點(diǎn)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(diǎn)距（Dot Pitch）：點(diǎn)距就是顯像管玻璃面上孔眼之間的距離，電視機(jī)的點(diǎn)距平均為0.76mm；在計(jì)算機(jī)顯示器中的點(diǎn)距比電視一般要小，現(xiàn)在大部分計(jì)算機(jī)的點(diǎn)距小于0.26mm，所以同樣尺寸的電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器相比，計(jì)算機(jī)顯示器價(jià)格要貴一些。
4.圖像數(shù)字化
在模擬電視中使用RGB來表示顏色，但在處理每個(gè)像素并數(shù)字化時(shí)，RGB三個(gè)彩色分量帶寬必須相等，這樣在硬件上就非常復(fù)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(diào)整，因?yàn)閷Ρ榷群土炼榷伎梢酝ㄟ^調(diào)整Y分量的數(shù)值來改變，其中對比度同時(shí)用存儲(chǔ)在RAM/ROM查找表中的系數(shù)去做乘法來實(shí)現(xiàn)，而亮度調(diào)整則通過增加或減少當(dāng)前的Y值來實(shí)現(xiàn)。飽合度的調(diào)整是通過改變色差分量的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)，例如乘一個(gè)系數(shù)。在數(shù)字域中，RGB和YcbCr兩個(gè)彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(guān)系
5.圖像壓縮
電視圖像和聲音數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量都非常大，在數(shù)字存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)上傳輸都非常困難，所以需要壓縮技術(shù)。在VCD和DVD電視圖像的壓縮技術(shù)中綜合采用了有損壓縮和無損壓縮。
常用的算法有香農(nóng)-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(biāo)準(zhǔn)，確定了PAL、NTSC和SCEAM有一種電視制式之間共同的數(shù)字化參數(shù)。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)字電視信號通道上的數(shù)據(jù)傳輸率就達(dá)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(shí)際上，顯示屏上顯示出來的有效圖像的數(shù)據(jù)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(gè)樣本的采樣精度 從10比特降到8比特，彩色電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率就降為166Mb/s。VCD存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸為1.4112Mb/s，分配給電視信號的數(shù)據(jù)傳輸率為1.15Mb/s，顯而易見存儲(chǔ)這樣的電視信號需要對它進(jìn)行高度壓縮，壓縮比高達(dá) 166/1.15≈144：1。
根據(jù)當(dāng)前成熟的壓縮技術(shù)，非專家難以區(qū)分的電視圖像壓縮前后差別時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸率平均為從3.5Mb/s至4.7Mb/s。DVD-Video數(shù)據(jù)傳輸率雖然可以達(dá)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(jié)目，按照數(shù)字電視信號的平均數(shù)據(jù)傳輸率為4.1Mb/s來計(jì)算，壓縮比要達(dá)到166/4.10≈40:1。
彩色電視圖像依據(jù)人的祧系統(tǒng)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(gè)特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號多去掉一些而不使人覺察；二是人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個(gè)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(dá)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(shù)字電視信號的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成通用中間格式（Common Intermediate Format，CIF），這種格式就相當(dāng)于家用錄像機(jī)的質(zhì)量，于是彩色電視的數(shù)據(jù)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(chǔ)到CD盤上所壓根的壓縮比為30/1.15≈26:1。
對于DVD-Video，存儲(chǔ)廣播級的數(shù)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(zhì)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(wèi)忠《汽車多媒體導(dǎo)航系統(tǒng)藍(lán)皮書》
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