視頻基礎知識
電影的原理
電影的發明要比電視要早，我們先來簡單瞭解電影的原理。
人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束後，視覺形象並不立即消失，視覺的這一現象則被稱爲“視覺暫留”或“視覺惰性”。視覺暫留是由視神經的反應速度造成的。而視覺暫留正是動畫、電影等視覺媒體形成的根據。
攝像機拍攝時，會通過感光元件將連續的畫面記錄在膠片上，在放映時，電影膠片在放映機中以每秒24格畫面勻速轉動，放映機通過光線將其投射到幕布上，一系列靜態畫面就會因視覺暫留作用而造成一種連續的視覺印象，這就是電影。動畫的原理也類似。
每個畫面稱爲1幀（frame，f），每秒鐘錄製或播放的畫面數量被稱爲幀率（f/s，fps），每秒24張畫面，我們稱爲每秒24幀，幀率爲 24fps。電影一般每秒是24幀，動畫12幀就可以。當然採用更高的幀率會有更好的觀影效果，但是電影行業一般都是24幀每秒。
PS. 關於電影幀率和遊戲幀率的區別：爲什麼24幀的電影很順暢，30幀的遊戲沒法兒玩？
電視的原理
電視機本身的成像原理和電影不同，電視機沒有膠片，而是通過信號成像的。早期的電視都是模擬信號電視，攝像機將光信號轉爲電信號，之後通過電磁波或電流信號發送給電視機。以前的電視機都是 CRT（陰極射線顯像管）顯示器（俗稱大屁股顯示器，現在很少見到了），顯示器的熒光屏上塗滿了按一定方式緊密排列的紅、綠、藍三種顏色的熒光粉點或熒光粉條，稱爲熒光粉單元，相鄰的紅、綠、藍熒光粉單元各一個爲一組，這就是像素。電視機收到電視信號後，可以根據電信號，通過內部的電子槍發射電子撞擊到熒光屏上，讓熒光粉單元發光，就形成了圖像。具體原理比較複雜，這裏不再做過多介紹。
電子槍發射電子時，是一行一行發射的，這個發射過程被稱爲掃描。對於一張1920*1080的圖像，則需要掃描1080行，才能將一幅圖像完全顯示。
隔行掃描與逐行掃描
由於早期的模擬信號帶寬限制，電視領域採用了隔行掃描的方法，將一幀圖像分成兩場來掃，第一場稱奇數場（即第1，3，5。。。行），而第二場（偶數場）只偶數行，通過兩場掃描完成原來一幀圖像掃描的行數，這樣就可以將帶寬減少一半。由於這個過程非常快，人眼的感知並不明顯。
不過後來隨着信號帶寬的增加，逐行掃描普及開來，但是於此同時，數字電視和新的顯示器技術也迅速發展，CRT顯示器被淘汰了。可以說，現在的顯示器（包括手機，電腦屏幕）都是逐行掃描。逐行掃描的英文單詞爲 Progressive，我們現在經常說的 720P，1080P 的視頻，這個字母 P 就是逐行掃描的縮寫。
現在常見的視頻分辨率有：
- 640 * 360：360P
- 800 * 480：480P，也稱標清視頻
- 1280 * 720：720P，也稱 HD/高清視頻
- 1920 * 1080：1080P，也稱 HD/高清 或 Full HD/全高清視頻
- 2560 * 1440：2K 視頻
黑白與彩色電視
早期的電視都是黑白的。如果顯示器只需要顯示黑白畫面，那麼我們根本不需要RGB三個分量，只需要一個灰色分量，調整其灰度值即可。實際原理比這複雜，但是本質上差不多。
在建立彩色廣播電視的過程中，人們曾試圖使用RGB模式來發送視頻模擬信號，顯然，這種方式需要的模擬信號帶寬是黑白模式的三倍甚至更多。爲了降低信號帶寬，人們發明了另一種彩色信號傳輸模式：YUV 模式，這種技術只需要使用和黑白電視同樣的帶寬即可傳輸彩色信號，這種信號被稱爲複合視頻信號，直到今天還在使用。
還記得我們之前將 JPEG 壓縮時提到的 YUV 色彩模式嗎，其實就是從彩色電視這裏演變來的。由於彩色電視發明的時間比圖形化的計算機早，所以後來計算機中的數字視頻依然使用 YUV 色彩模式，只是細節上不同。
由於各國使用的彩色電視標準不太一樣，例如美國和歐美使用的 NTSC標準，中國和歐洲使用的 PAL 標準，實際上會基於 YUV 模式進行一些修改，所以有時 YUV 指的是確切的色彩模式，有時候指的是個統稱，根據語境區別即可。YUV 的子模式包括彩色電視模擬信號中的 YUV/YIQ/YPbPr，用在計算機圖像和視頻領域的 YCbCr 等等。
NTSC
NTSC：美國國家電視標準委員會，世界上第一個彩色電視標準就是這個組織發佈的，包含很多關於色彩，圖像和視頻方面的標準，對後來的彩色電視，顯示器，圖像視頻領域影響深遠。
數字視頻介紹
最早的攝像機都是模擬攝像機，即拍攝的畫面會被轉爲電信號，依然是模擬信號，後來纔有了數字攝像機，可將模擬信號轉爲數字信號，寫入存儲設備（這段描述不是很嚴謹，但這不是我們討論的重點）。
我們介紹圖像壓縮時講過，照相機可以將光信號最終轉化爲 RAW 格式圖片。攝像機錄製視頻時，是否就是錄製了一張張 RAW 格式圖片呢？
不是的。我們計算一下，假設攝像機拍攝的視頻分辨率是1920 * 1080，那麼使用RGB模式，比特深度8bit，一個像素 3Byte，那麼一張圖片就是6MB，一秒鐘24幀的話，一秒鐘的數據就是144MB，一分鐘就是8640MB，約爲8G。
如果使用 RGB 模式編碼，數據量太大了。我們之前講彩色電視原理時提到，彩色電視模擬信號是 YUV 模式，其實攝像機/攝像頭拍攝的數據同樣是使用 YUV 格式進行編碼的。當然本質上是從RGB轉成了YUV，整個拍攝，AD轉換，編碼過程極其複雜的，但是我們只需要記住一點，數字攝像機/攝像頭錄製的原始視頻，使用的編碼方式是 YUV 編碼，即視頻中都是 YUV 數據。和 PCM 音頻，RAW 圖像類似，可以說 YUV數據就是視頻原始數據。
我們前面說過，計算機圖像和視頻中使用的 YCbCr，但是叫起來太不方便，所以一般還是叫做 YUV，我們瞭解其中的區別即可。
另外，還是要再強調一下，顯示器最終在顯示的時候，都是採樣 RGB 色彩模式，而 YUV 模式只是爲了減小數據量。
YUV（YCbCr）採樣格式
我們在講 JPEG 壓縮原理是，就提到了，RGB 圖像在轉化成 YCbCr 之後，會對 Cb，Cr 進行降採樣。其實在數字視頻中也是同樣的做法。這裏我們就來具體說說幾種降採樣的方式，也叫 YUV 採樣格式，或者色度採樣格式。
常用的 YUV 採樣格式有三種：
- YUV 4:4:4 每一個Y對應一組UV分量
- YUV 4:2:2 每兩個Y共用一組UV分量
- YUV 4:2:0 每四個Y共用一組UV分量
我們會發現 Y 分量對應的採樣都是 4，沒錯，Y 分量表示的是亮度信息，由於人眼對亮度敏感，所以需要全部保留下來，只對 U，V 進行降採樣。
YUV 4:4:4
YUV 4:4:4 表示 Y、U、V 三分量採樣率相同，即每個像素的三分量信息完整，都是 8bit，每個像素佔用 3 個字節。如下圖所示：
圖中的黑點表示亮度（Y）採樣信息，圓圈表示色度（UV）的採樣信息，很明顯，這種採樣方式與 RGB 圖像大小是一樣的，意義不大。
YUV 4:2:2
YUV 4:2:2 表示 UV 分量的採樣率在水平方向是 Y 分量的一半，垂直方向上不變。每採樣一個像素點，都會採樣其 Y 分量，而 U、V 分量會間隔採集一個，如下圖所示：
當從YUV映射爲RGB像素時，第一個像素點和第二個像素點共用了一組UV分量，以此類推。從而節省了圖像空間。
YUV 4:2:0
YUV 4:2:0 表示 UV 分量的採樣率在水平和豎直方向上都是 Y 分量的一半。如下圖所示：
當從YUV映射爲RGB像素時，每4個像素點共用一組UV分量，以此類推。YUV 4:2:0 是最常用的採樣格式，比 YUV 4:4:4 少一半存儲空間。
但是，色度信息丟失了這麼多，圖像不會失真嗎？這個倒不必擔心，顏色的處理有極其複雜的算法，以保證其最大限度地減少失真，接近原始質量。