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【音視訊基礎】(九):YUV顔色空間之電視的發展史1、黑白電視2、彩色電視3、模拟電視信号(Analog Television Signal)4、數字電視(Digital Television,簡稱DTV)5、數字電視和數字信号

從這篇開始,我們開始介紹YUV顔色空間,它并不是CIE的産物,但是和CIE的XYZ、xyY很類似。是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顔色空間時,我們需要首先明白,它和CIE YUV并不是一回事。為什麼呢?首先他們的産生原因就不一樣,CIE YUV是在CIE xyY的基礎上,經過線性變換而産生,而YUV,則是在電視的基礎上發展起來的。是以他們的用途也不一緻,CIE YUV不做研究,而YUV則一直用在電視系統、視訊編碼等領域。

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

在電視發展的過程中,它經曆了以下階段:

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

不過在這裡,我們并不會對每個階段都進行分析,因為在所有的階段中,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,但是分析它對視訊處理用處很小,而智能電視和3D電視,隻是在之前電視的基礎上,接入了網絡和3D技術。

是以要深刻明白視訊是怎麼一回事,我們得先分析黑白、彩色、數字電視。并且在這篇文章裡,我預設你已經看過顯示器是如何顯示圖形資料的一和二,知道CRT,并知道彩色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,并且還隻能顯示黑白灰。

【音視訊基礎】(九):YUV顔色空間之電視的發展史1、黑白電視2、彩色電視3、模拟電視信号(Analog Television Signal)4、數字電視(Digital Television,簡稱DTV)5、數字電視和數字信号

黑白電視

這就是黑白電視,它的工作方式是:

錄影機通過采集圖像,将圖像栅格化,轉換成一行一行的像素點,每個像素點有各自的黑白灰階值(也就是亮度,在視訊裡,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,因為我們在顯示器上,可以手動控制顯示器的亮度,也即光通量。這裡了解亮度的這兩個屬性就好,一個是它呈現的顔色,一個是光通量),然後使用不同的電視制式(下篇講),通過射頻調制(RF modulation),把電視信号調制到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,接收廣播信号,并通過數據機解調,将收到的像素值通過CRT顯示在螢幕上。這就是電視機的工作流程,隻不過實際上,為了使像素點和原圖像保持一緻,在發送端的時候,還會比對上水準和垂直同步信号,這樣CRT就能正确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緻,之是以稱為彩色電視,是因為它比黑白電視多廣播了色度值。這也就是YUV的由來,因為黑白電視隻有亮度值,也就是Y,是以如果在這個基礎上增加色度值,也就是新開發一個顔色空間,就可以用來描述彩色像素。那為什麼選擇了YUV,而不用RGB或者其他的顔色空間呢?

為什麼是YUV?

有兩點原因:

  • 1.YUV可以實作前後相容,假設彩色電視采用了RGB,相當于廣播系統也得另建一套,而且會導緻彩色電視處理不了黑白電視信号,黑白電視也處理不了彩色電視信号。而如果使用YUV,黑白電視能接受彩色信号,相當于隻處理Y,而彩色電視,也能接受黑白電視信号。
  • 2.YUV更友善對視訊信号進行壓縮,占用的帶寬更低。在上篇我們知道,人眼對亮度的敏感度要大于紅藍,是以我們可以保留Y原始值的基礎上,降低U和V的值,而不影響觀看。

至于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,有了大概的了解,不過它們卻有一個很大的缺點,因為它們使用的,都是模拟電視信号(Analog television),這就是為什麼還會有數字電視的原因。

3、模拟電視信号(Analog Television Signal)

模拟電視信号,其實就是電視傳播信号的一種方式。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?

【音視訊基礎】(九):YUV顔色空間之電視的發展史1、黑白電視2、彩色電視3、模拟電視信号(Analog Television Signal)4、數字電視(Digital Television,簡稱DTV)5、數字電視和數字信号

模拟電視信号

這張圖是視訊載波,經過解調器解調之後得到的複合視訊信号。從這張圖可以看出,在電磁波傳播過程中,顔色資訊使用波的屬性來描述,比如亮度(Luminance)、色度(Chrominance)、還有顔色值,它們分别用波的相位、振幅來表示,更深入的細節不必深究,不過這種使用相位、振幅來表示資訊的方式,就是模拟電視信号。

模拟信号的抗幹擾能力很差,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。因為數字電視,其實和計算機的發展相輔相成,是以直到二十世紀末期,數字電視才開始普及。

數字信号不同于模拟信号,它在傳輸視訊和音頻信号的時候,使用的都是數字編碼,隻用簡單的0和1,這樣即使是地面廣播來發送電視信号,效果也比模拟信号要好得多。而且在數字電視出現之後,電纜開始全面鋪開,在家裡我們隻要通過機頂盒,就可以收看數字電視訊道。

5、數字電視和數字信号

在這裡我們要區分這兩者,數字電視隻是一種電視産品,現在市面上的數字電視幾乎都不是真正的數字電視,因為它們沒有内置機頂盒,也就是沒有數字信号的解碼裝置。是以無論是模拟電視還是數字電視,隻要裝上機頂盒,或者裝上數字信号轉模拟信号的裝置,就可以收看數字頻道。而在文中所指的數字電視,預設是真正的數字電視。

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

這裡還有一個YouTube的視訊,可以翻牆的同學可以點進去檢視。下載下傳下來的沒有字幕,就不貼了。

【視訊】模拟電視是如何工作的?

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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