【音視頻基礎】(九):YUV顏色空間之電視的發展史

原文鏈接:https://blog.csdn.net/u011399342/article/details/80472814

從這篇開始,我們開始介紹YUV顏色空間,它並不是CIE的產物,但是和CIE的XYZ、xyY很類似。所以即使你完全是個新手,或者沒有計算機基礎,或者是其他行業從業者,這樣一篇篇看下來,我能保證你能看得懂。

在介紹YUV顏色空間時,我們需要首先明白,它和CIE YUV並不是一回事。爲什麼呢?首先他們的產生原因就不一樣,CIE YUV是在CIE xyY的基礎上,經過線性變換而產生,而YUV,則是在電視的基礎上發展起來的。所以他們的用途也不一致,CIE YUV不做研究,而YUV則一直用在電視系統、視頻編碼等領域。

所以在這篇文章裏,我們先來談談電視的發展史,相信看完這篇文章,你會對YUV有了初步的瞭解,後面我們會對YUV專門進行分析。而且在接下來的幾篇中,會在視頻顯示和處理上,漸入佳境。

在電視發展的過程中,它經歷了以下階段:

機械電視 -> 黑白電視 -> 彩色電視 -> 數字電視 -> 智能電視 -> 3D電視

不過在這裏,我們並不會對每個階段都進行分析,因爲在所有的階段中,黑白電視、彩色電視和數字電視是比較重要的。雖然機械電視是電視的起點,但是分析它對視頻處理用處很小,而智能電視和3D電視,只是在之前電視的基礎上,接入了網絡和3D技術。

所以要深刻明白視頻是怎麼一回事,我們得先分析黑白、彩色、數字電視。並且在這篇文章裏,我默認你已經看過顯示器是如何顯示圖形數據的一,知道CRT,並知道彩色CRT。下面我們開始按時間順序,來一一介紹。

1、黑白電視

相信大家對黑白電視都應該比較熟悉,那時候電纜還沒有鋪開,家家看電視,都需要豎一根天線,並且還只能顯示黑白灰。

在這裏插入圖片描述
黑白電視

這就是黑白電視,它的工作方式是:

攝像機通過採集圖像,將圖像柵格化,轉換成一行一行的像素點,每個像素點有各自的黑白灰度值(也就是亮度,在視頻裏,亮度通常指黑白灰,而與光強即光通量,亮度的另一個屬性,可以區分開,因爲我們在顯示器上,可以手動控制顯示器的亮度,也即光通量。這裏理解亮度的這兩個屬性就好,一個是它呈現的顏色,一個是光通量),然後使用不同的電視制式(下篇講),通過射頻調製(RF modulation),把電視信號調製到VHF(甚高頻)或者UHF(超高頻)載波上廣播出去。

在接收端,也就是電視機,通過天線,接收廣播信號,並通過調制解調器解調,將收到的像素值通過CRT顯示在屏幕上。這就是電視機的工作流程,只不過實際上,爲了使像素點和原圖像保持一致,在發送端的時候,還會匹配上水平和垂直同步信號,這樣CRT就能正確的顯示像素點的位置。

2、彩色電視

彩色電視工作流程和黑白電視一致,之所以稱爲彩色電視,是因爲它比黑白電視多廣播了色度值。這也就是YUV的由來,因爲黑白電視只有亮度值,也就是Y,所以如果在這個基礎上增加色度值,也就是新開發一個顏色空間,就可以用來描述彩色像素。那爲什麼選擇了YUV,而不用RGB或者其他的顏色空間呢?

爲什麼是YUV?

有兩點原因:

  • 1.YUV可以實現前後兼容,假設彩色電視採用了RGB,相當於廣播系統也得另建一套,而且會導致彩色電視處理不了黑白電視信號,黑白電視也處理不了彩色電視信號。而如果使用YUV,黑白電視能接受彩色信號,相當於只處理Y,而彩色電視,也能接受黑白電視信號。

  • 2.YUV更方便對視頻信號進行壓縮,佔用的帶寬更低。在上篇我們知道,人眼對亮度的敏感度要大於紅藍,所以我們可以保留Y原始值的基礎上,降低U和V的值,而不影響觀看。

至於YUV三個值怎麼來的,以及更詳細的介紹,我們後面再談,接下來回到電視上。

現在我們應該對黑白電視和彩色電視,有了大概的瞭解,不過它們卻有一個很大的缺點,因爲它們使用的,都是模擬電視信號(Analog television),這就是爲什麼還會有數字電視的原因。

3、模擬電視信號(Analog Television Signal)

模擬電視信號,其實就是電視傳播信號的一種方式。在上面我們知道,圖像的像素值,通過電磁波廣播出去,那圖像的像素值,在廣播過程中,以什麼方式表示呢?

在這裏插入圖片描述
模擬電視信號

這張圖是視頻載波,經過解調器解調之後得到的複合視頻信號。從這張圖可以看出,在電磁波傳播過程中,顏色信息使用波的屬性來描述,比如亮度(Luminance)、色度(Chrominance)、還有顏色值,它們分別用波的相位、振幅來表示,更深入的細節不必深究,不過這種使用相位、振幅來表示信息的方式,就是模擬電視信號。

模擬信號的抗干擾能力很差,而且傳輸的距離越遠,越容易受到噪聲的影響,我們小時候看電視經常能夠看見雪花點,這就是受到噪聲的影響。

4、數字電視(Digital Television,簡稱DTV)

數字電視在彩色電視之後不久,就已經研發出來了,但是那時候價格很貴,而且不便捷。因爲數字電視,其實和計算機的發展相輔相成,所以直到二十世紀末期,數字電視纔開始普及。

數字信號不同於模擬信號,它在傳輸視頻和音頻信號的時候,使用的都是數字編碼,只用簡單的0和1,這樣即使是地面廣播來發送電視信號,效果也比模擬信號要好得多。而且在數字電視出現之後,電纜開始全面鋪開,在家裏我們只要通過機頂盒,就可以收看數字電視頻道。

5、數字電視和數字信號

在這裏我們要區分這兩者,數字電視只是一種電視產品,現在市面上的數字電視幾乎都不是真正的數字電視,因爲它們沒有內置機頂盒,也就是沒有數字信號的解碼裝置。所以無論是模擬電視還是數字電視,只要裝上機頂盒,或者裝上數字信號轉模擬信號的裝置,就可以收看數字頻道。而在文中所指的數字電視,默認是真正的數字電視。

篇幅原因,剩下的ITU-R 601、ITU-R 709、電視制式放到下篇再講。

這裏還有一個YouTube的視頻,可以翻牆的同學可以點進去查看。下載下來的沒有字幕,就不貼了。

【視頻】模擬電視是如何工作的?

https://youtu.be/r38nVmxBfvM

參考資料(需要翻牆):

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_television

https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_television

https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_television

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