汽车多媒体上的图像数字化处理原理与压缩技术

　　1.颜色的处理

　　在自然界中，有些物体是不发光的，有些物体是发光的。不发光的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收哪些波长的光波来决定，它的亮度由该物体没有吸收的光波即反射光来决定。例如印在纸上的彩色图，彩色印刷和打印的彩色图像采用相减的方式产生。发光的物体称为有源物体，可以发出不同波长的光波到达人们的眼睛，就可以看到彩色图像，例如显示器的射线管，电视机和显示器显示的彩色图像是用相加混色的方法产生的。

　　RGB模型

　　彩色电视机和显示器中就是利用这种三基色构成彩色图像的，因为是将RGB三种颜色按照不同比例相加构成其他的颜色，所以属于相加混色（见表）

　　表 RGB三基色模型相加混色构成

　　YUV 与YIQ模型

　　YUV模型是PAL制式彩色电视使用的颜色模型，YIQ是NTSC制式彩色电视机使用的颜色模型，这是一种基于色差信号组合的模型。

　　RGB和YUV的对应关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的对应关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.图像分辨率

　　图像分辨率是试题像素密度的一种方法。对同样的尺寸的一幅图像，图像刻度和图像质量、存储图像所需要的存储空间以及在显示器上显示的图像大小有一定的关系。

　　像素密度越高，组成这幅图像的像素就越多，图像看起来就显得越清晰。相反，图像看起来就显得粗糙；像素密度越高，组成这幅图像的像素就越多存储这幅图像所需要的存储空间就越大。相反所需要的存储空间就越小；像素密度越高，组成这幅图像的像素就越多，在显示器上显示的图像就越大。相反，在显示器上显示的图像就越小。

　　3.显示器与图像

　　显示器为了很好地表达图像的真实面貌，需要注意以下几个参数：

　　（1）刷新频率：显示器为了不使显示的图像主生闪烁感，必须维持一定的刷新频率，对于电子管显示器来说，电子束从屏幕的顶部移到底部再回到顶部称为刷新一次。

　　（2）分辨率：显示屏幕是由许多的显像点组成的，显像点越多分辨率越高，显示的图像就越清晰。注意不要把图像的分辨率和显示器的分辨率相混淆。

　　（3）点距（Dot Pitch）：点距就是显像管玻璃面上孔眼之间的距离，电视机的点距平均为0.76mm；在计算机显示器中的点距比电视一般要小，现在大部分计算机的点距小于0.26mm，所以同样尺寸的电视机和计算机显示器相比，计算机显示器价格要贵一些。

　　4.图像数字化

　　在模拟电视中使用RGB来表示颜色，但在处理每个像素并数字化时，RGB三个彩色分量带宽必须相等，这样在硬件上就非常复杂而且处理速度很慢。而YUV方式则简化了对比度、亮度和饱合度的调整，因为对比度和亮度都可以通过调整Y分量的数值来改变，其中对比度同时用存储在RAM/ROM查找表中的系数去做乘法来实现，而亮度调整则通过增加或减少当前的Y值来实现。饱合度的调整是通过改变色差分量的数值来实现，例如乘一个系数。在数字域中，RGB和YcbCr两个彩色空间之间的转换关系如下（见图表）

　　Y=0.299R+0.587G+0.114B

　　Gr=(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128

　　Gb=(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128

　　图像采样频率和其他频率之间的关系

　　5.图像压缩

　　电视图像和声音数字化后的数据量都非常大，在数字存储和网络上传输都非常困难，所以需要压缩技术。在VCD和DVD电视图像的压缩技术中综合采用了有损压缩和无损压缩。

　　常用的算法有香农-范诺（Shannon-Fano）编码算法和霍夫曼（Huffman）编码算法。

　　1982年，CCIR制定了CCIR601标准，确定了PAL、NTSC和SCEAM有一种电视制式之间共同的数字化参数。按照这个标准，Y信号的采样频率为13.5MHz，CrCb信号的采用频率为6.75MHz，在传输数字电视信号通道上的数据传输率就达到了270Mb/s，即：

　　亮度（Y）：

　　858样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≌135兆比特/秒（NTSC）864样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本≌135兆比特/秒(PAL)

　　CR(R-Y):

　　429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≌68兆比特/秒(NTSC)

　　429样本/行×625行/帧×25帧/秒×10比特/样本≌68兆比特/秒(PAL)

　　CB(B-Y)

　　429样本/行×525行/帧×30帧/秒×10比特/样本≌68兆比特/秒

　　429样本/行×625行/帧×30帧/秒×10比特/样本≌68兆比特/秒

　　总讲：27兆样本/秒×10比特/样本=270兆比特/秒

　　实际上，显示屏上显示出来的有效图像的数据传输率并没有那么高：

　　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)

　　如果每个样本的采样精度 从10比特降到8比特，彩色电视信号的数据传输率就降为166Mb/s。VCD存储数据传输为1.4112Mb/s，分配给电视信号的数据传输率为1.15Mb/s，显而易见存储这样的电视信号需要对它进行高度压缩，压缩比高达 166/1.15≈144：1。

　　根据当前成熟的压缩技术，非专家难以区分的电视图像压缩前后差别时的数据传输率平均为从3.5Mb/s至4.7Mb/s。DVD-Video数据传输率虽然可以达到10.08Mb/s，但一张4.7GB的单面单层DVD光盘要存放133min的电视节目，按照数字电视信号的平均数据传输率为4.1Mb/s来计算，压缩比要达到166/4.10≈40:1。

　　彩色电视图像依据人的祧系统的两条特性，一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的第三度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号多去掉一些而不使人觉察；二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而不使人觉察。子采样就是利用这种特性来达到压缩彩色电视信号的。

　　在DVD-Video中电视图像的子采样使用4：2：0格式，因此数字电视信号的数据传输率就减小到720×480×30×8×1.5≈124Mb/s。

　　对于VCD，首先把NTSC和PAL电视转换成通用中间格式（Common Intermediate Format，CIF），这种格式就相当于家用录像机的质量，于是彩色电视的数据传输率就减小到：

　　352×240×30×8×1.5≈30Mb/s（NTSC）

　　352×288×25×8×1.5≈30Mb/s（PAL）

　　把这种彩色电视信号存储到CD盘上所压根的压缩比为30/1.15≈26:1。

　　对于DVD-Video，存储广播级的数字电视图像需要的压缩比为124/4.1≈30:1.

　　在DVD上的影视图像包括MPEG-1Video（ISO/IEC 1117-2）和MPEG-2 Video（ISO/IEC 13818-2）。在满足质量的前提下，压缩后的影视图像可以是固定速率的MPEG-1（图像分辨率为352×240，30帧/秒），也可以是可变速率的MPEG-2（图像麄率为720×480，60场/秒）。

　　摘自：姜卫忠《汽车多媒体导航系统蓝皮书》