内容简介

本书阐述了数字视频系统工程理论，涵盖标清、高清和压缩系统。本书内容主要包括：基本的数字化、采样、量化和过滤概念，图像采集与显示，标清和高清编码，彩色视频编码，压缩技术，以及新兴的压缩系统，具体有NTSC、PAL、H.264和VP8/WebM，增强JPEG，详细的信息编码及MPEG-2系统，数字视频处理中的元数据。

作者简介

英国电影电视工程师协会（SMPTE）金牌会员，从事数字彩色成像系统，包括数字视频，高清晰度电视，数字电影的制作，目前主要从事视频技术的计算和通信的结合的研究。

目录

出版者的话
译者序
前言
致谢
第一部分引言
第1章光栅图像2
1��1幅型比概念3
1��2几何4
1��3图像采样4
1��4数字化4
1��4��1量化5
1��4��2一维采样5
1��4��3二维采样5
1��5感知均匀性5
1��6色彩6
1��7亮度和色差分量6
1��8数字图像的表示方法7
1��9标清和高清8
1��10方形采样8
1��11幅型比的比较9
1��12幅型比9
1��13帧频11
第2章图像的采样和显示12
2��1图像状态12
2��2EOCF标准13
2��3娱乐节目14
2��4图像获取14
2��5面向消费者的视频获取14
2��6消费类电子显示器15
第3章线性光和感知均匀性16
3��1对比16
3��2对比度17
3��3感知均匀性18
3��4“编码100”难题和非线性图像编码18
3��5线性和非线性21
第4章量化22
4��1线性度22
4��2分贝22
4��3噪声、信号和灵敏度23
4��4量化误差24
4��5全摆幅24
4��6演播室摆幅（下余量和上余量）25
4��7接口偏移量26
4��8处理编码26
4��9二进制补码回绕27
第5章对比度和明亮度28
5��1感知特性28
5��2显示处理信号的历史28
5��3数字驱动电平29
5��4信号和明度之间的关系30
5��5算法31
5��6黑色电平设置33
5��7对比度和明亮度控制的影响33
5��8交替传译35
5��9LCD中的明亮度和对比度控制36
5��10PDP中的明亮度和对比度控制36
5��11桌面图形的明亮度和对比度控制36
第6章计算中的光栅图像38
6��1特征图像的描述39
6��2光栅图像39
6��2��1二值图像39
6��2��2灰度图像40
6��2��3真彩色图像40
6��2��4伪彩色图像41
6��3不同类型之间的转换41
6��4图像文件42
6��5计算机图形学中的“分辨率”42
第7章图像结构43
7��1图像重建43
7��2采样孔径44
7��3光斑轮廓45
7��4“箱”分布46
7��5高斯分布46
第8章光栅扫描47
8��1闪烁率、刷新率和帧频47
8��2扫描简介48
8��3扫描参数48
8��4隔行扫描49
8��5抖动50
8��6模拟系统中的隔行扫描51
8��7隔行扫描和逐行扫描51
8��8扫描表示法52
8��9运动描绘53
8��10分段帧（24PsF）53
8��11视频系统的分类53
8��12系统之间的转换53
第9章分辨率55
9��1幅频响应和带宽55
9��2视觉灵敏度56
9��3观看距离和角度56
9��4克尔效应57
9��5分辨率58
9��6视频中的分辨率59
9��7观看距离59
9��8再谈隔行扫描59
第10章恒定照度61
10��1恒定照度原理61
10��2CRT补偿62
10��3从恒定照度的分离62
10��4亮度63
10��5照度转换成色度的“泄露”63
第11章图片渲染66
11��1环绕效果 66
11��2色调比例调整66
11��3渲染合并67
11��4桌面计算中的图像渲染68
第12章亮度和色度简介69
12��1亮度69
12��2照度简述69
12��3色差编码（色度）69
12��3��1Y′PBPR70
12��3��2Y′CBCR70
12��3��3Y′UV70
12��3��4Y′IQ70
12��4色度亚采样71
12��4��14∶4∶471
12��4��24∶2∶271
12��4��34∶1∶171
12��4��44∶2∶071
12��5色度亚采样符号71
12��6色度亚采样滤波器72
12��7复合NTSC和PAL的色度73
第13章SD分量介绍74
13��1扫描标准74
13��2宽屏（16∶9）SD76
13��3方形和非方形采样76
13��4重采样77
第14章复合NTSC和PAL的介绍78
14��1NTSC和PAL编码78
14��2NTSC和PAL解码79
14��3S视频接口80
14��4频率交织80
14��5复合模拟SD80
第15章HD介绍81
15��1HD扫描81
15��2BT��709 HD彩色编码83
第16章视频压缩简介84
16��1数据压缩84
16��2图像压缩84
16��3有损压缩84
16��4JPEG85
16��5运动JPEG85
16��6JPEG 200086
16��7夹层压缩86
16��8MPEG87
16��9图像编码类型（I、P、B）87
16��10重排 89
16��11MPEG��189
16��12MPEG��289
16��13其他MPEG标准90
16��14MPEG IMX90
16��15MPEG��490
16��16H��26490
16��17帧内AVC91
16��18WM9、WM10、VC��1编解码91
16��19CE采样压缩91
16��20HDV91
16��21AVCHD92
16��22IP传输到用户的压缩92
16��23VP8（WebM）编解码92
16��24狄拉克（基本）92
第17章流和文件93
17��1历史概述93
17��2物理层94
17��3流接口94
17��4IEEE 1394（火线接口、i�盠INK）95
17��5HTTP实时流媒体（HLS）96
第18章元数据97
18��1元数据例1：CD�睤A97
18��2元数据例2：�眣uv文件98
18��3元数据例3：RFF98
18��4元数据例4：JPEG或JFIF99
18��5元数据例5：序列显示扩展100
18��6小结102
第19章立体（三维）视频104
19��1图像获取104
19��2S3D显示104
19��3立体电影104
19��4时间多路复用105
19��5偏光法105
19��6波长复用（光谱立体/杜比）106
19��7裸眼立体显示106
19��8视差屏障显示106
19��9立体光栅显示106
19��10录制和压缩107
19��11用户接口和显示107
19��12幻影108
19��13聚散度和调节108
第二部分理论
第20章滤波和采样110
20��1采样定理110
20��2对频率为0��5fS的信号进行采样111
20��3幅频响应112
20��4矩形函数的幅频响应113
20��5sinc（·）加权函数114
20��6点采样的频率响应114
20��7傅里叶变换对115
20��8模拟滤波器116
20��9数字滤波器116
20��10冲激响应119
20��11有限冲激响应滤波器119
20��12滤波器的实际可实现性120
20��13

前言/序言

　　前言自2003年年初本书第1版问世以来，视频技术不断发展，视频和计算机图形学两者进一步地“融合”（JimBlinn称之为碰撞）。电视正在没落，而计算机技术和网络传输正高奏凯歌。如今，哪怕“TV”这个缩写也是值得怀疑的：在过去的半个世纪中，TV意味着广播，但今天大部分的视频——来自苹果的iTunes商店、Hulu、Netflix、YouTube等——都不是传统意义上的广播。在这一版中，我用SD（标清）和HD（高清）取代SDTV（标清电视）和HDTV（高清电视）。

　　现在，数字视频无处不在，而图P��1所示的模拟扫描已过时。在这一版中，我把像素阵列提高到首要地位。第1版介绍了扫描线，而这一版改用图像行和图像列。这一版删除了微秒，改用样本计数；删除了毫伏，改用像素值。第1版中“巨大的数据容量”等已经被“相当大”或甚至“适中的数据容量”代替。�∫丫�过时。在现代视频和高清中，图像为像素阵列的形式。任何著作若用此类图描述图像的采集或显示，都没有准确地描述数字视频图P��1模拟扫描�≡谖�1996年出版的第一本书《数字视频技术介绍》和本书第1版中，我先介绍编码，然后介绍解码。从工程角度来看，这样的顺序是有道理的。然而，现在我认为这样的顺序里隐藏着一条深深的哲学裂痕。一旦节目素材准备就绪，经过解码并在演播室的参考显示器上播放，同时进行加工，也就是在下行流最终审定播出后，只有解码和显示过程才重要。为了在再次观看时显示一幅逼真的图像而进行图像数据采样和编码还算方便，但在加工时解码并显示图像数据的难度太高。如果创作人员在编码时为了达到某个美学效果而歪曲了颜色，例如，他们将黑电平提升0��15倍，或将色调旋转123°——经典编码方程便不再适用，但这些图像数据的修改并不是编码出错引起的，而是创作意图运用的结果。传统的观念认为编码过程是固定的，但真正重要的是解码过程才是固定的。我提倡的原则很像MPEG的原则，精确定义了解码器，而只要产生的是合法的位流，编码器被允许做任何事。这一版里我强调解码。第2章作为新的一章，概述了这一哲学观点。

　　视频技术涉及的领域很广。对于本书重点阐述的图像编码，尤其是视觉科学、色彩学、图像学、信号处理与视频技术之间的关系。

　　如果别处有关于某一章主题的延伸、权威的信息，那么该章的结尾处会有“延伸阅读”部分。

　　SMPTE是许多老式标准和现代标准的根源。在本书第1版和第2版相隔出版的时间里，SMPTE弃用了许多历史标准的M后缀，而给标准加上ST前缀（并列使用EG表示工程指南，以及RP表示实践建议）。本书根据新的命名引用近期的SMPTE标准。

　　来到2012年，我们可以肯定地说，模拟电视技术和复合电视技术已经过时。写作本书第1版时，我把精力集中在我认为不会迅速改变的事情上。然而，第1版中可能有15%或20%的内容介绍了现在会被归类为“老式”的技术，主要是模拟电视和复合电视，以及NTSC和PAL。由于对自己花了数百或数千小时写就的内容难以割舍，我虽然把这部分内容拿掉了，但却将其放在《CompositeNTSCandPAL:LegacyVideoSystems》书中，在www�眕oynton�眂om/CNPLVS/上可免费获得。

　　据说一本书中每出现一个公式就会让潜在的读者减少一半。对于本书,我希望读者在计算过10个公式之后，数量下降到2-10！本书保留了部分公式，但这些公式一般对于理解概念并非必需。如果你被某个公式吓到了，可跳过它，如果你愿意计算的话，也可以稍后再回来。我希望读者能用Bringhurst建议的关于页面组成原则的数学描述的方法来看待数学公式。在其经典著作《字体风格的要素》的第8章，Bringhurst说道：“数学在此不是强加给任何人的苦差事。相反，它们在此完全是为了娱乐。它们的目的是为了愉悦那些也许是希望把事情做得更好而乐意检验自己正在做的或要做的或已做的事情的读者。那些在任何时候都更喜欢直接行动而把分析留给别人的读者，在本章中也会满足于研究图画而忽略文字。”

　　在写作本书时，我小心翼翼地避免引入错误。不过，尽管我和我的审稿人尽了最大的努力，但仍可能会有一些错误。就像我的前一本书一样，我将为这本书编写勘误表，并放在www�眕oynton�眂om/DVAI2/中。请在此页面报告您发现的任何错误，我将努力订正它并把这归功于你！

　　CharlesPoynton2012年1月于多伦多致谢我对数字视频的入门是在很多年前为由JohnLowry构想而由RichardKupnicki设计的硬件写微代码。RossVideo的创始人Ross继续了我在视频方面的教育。感谢这三个人。

　　应CJOH的工程副总裁AustinReeve之邀，我花了很多时间在加拿大渥太华的CJOH�睺V测试我的理论。感谢他的自信、幽默和耐心。

　　非常感激这几十年来不仅是我同事，更是我密友的4个人：C�盧�盋aillouet、PierreDeguire、CharliePantuso和MarkSchubin。

　　感谢鼓励我参加这个项目的同事，他们都在不同阶段审阅了我的手稿：DavidBancroft、GeorgeJoblove、PeterSymes，还有DaveLehoty——在很久以前就建议了本书所用的书名！

　　以下诸位审阅了部分手稿并指出了错误：DonCraig、JosephGoldstone和AdamWilt。也向他们致歉，因为这次无法把他们所有的建议都包含进来。

　　感谢为第1版提供错误报告的网友，特别是KenGreenebaum、DraganMatkovic＇和AndrewMurray；特别感谢JayZipnick关于颜色计算的几点建议。

　　写作本书之时，我正在BrianFunt的指导下攻读博士学位。感谢他对本书的贡献，其中许多相关内容都可在本书中找到。

　　DianeCerra是我第一本书以及本书第1版的耐心细致的编辑。她的意见和辛勤工作使第2版成形。SaraBinns、LauraLewin、SaraScott和GrahamSmith是MorganKaufmann出版社负责本书的全体专业编辑，感谢他们。也感谢优秀的文字编辑CharlesRoumeliotis。

　　感谢我的家人，感谢他们的爱和鼓励：Peg、Al、Kim、Brenna、Alana、爸爸，还有Jean。也感谢Jeri、Corot、Ben和Paige。

　　感谢Barbara，我生命中的爱，以及我们的女儿Quinn和Georgia。

　　译者序图像是人类认识世界并且传递信息的重要技术手段，数字视频就是以数字形式记录的连续图像信息。随着计算机技术和智能设备的快速发展，数字视频与高清技术已经渗透到人们的日常生活、工作和社会生产中。数字视频技术的发展必然会影响人们生活和工作的方方面面，随着科学技术的不断发展，数字视频技术的应用领域将会不断扩大。

　　本书从基本概念、基础理论、实际问题、演播室标准、视频压缩、发行标准6个大的方面系统阐述了数字视频与高清技术。作者多年从事数字视频与高清技术方面的学术及工程应用研究，在书中对基本概念的诠释极为精准，这使得本书在同类书籍中脱颖而出。希望本书中文版的发行能吸引我国更多的科研人员从事相关的理论研究和系统研制，提高国内学者在数字视频和高清技术方面的基础素养，为将来的创新研究打下基础。

　　全书由褚晶辉、吕卫、马永涛和宫霄霖共同翻译，全书的译文由刘开华教授统一术语、格式，并进行一致性检查和统稿。在翻译的过程中，译者对原著关于图的细微描述做了删减，对原著的排版格式进行了修改，以适应国内读者的习惯。刘开华教授课题组的研究生薛蒙蒙、付伟、汪忠伟、徐文会、张忍、王晶、沈郭浩、申倩伟、曾亚辉对本书翻译做出很大贡献，在此表示谢意！感谢机械工业出版社积极引进本书，使得本书中文版能够尽快与读者见面。

　　在本书的翻译过程中，我们力求忠实、准确地表达原著的本意，同时保留原著的写作风格。尽管数字视频与高清技术是译者从事科学研究的重要方向，但由于水平有限，译文中难免存在一些错误和不当之处，敬请广大读者批评指正。

　　本书适合作为高等院校计算机、电子与信息工程、通信工程、数字媒体等相关专业高年级本科生和研究生的“数字视频技术”课程教材或教学参考书；也可作为工程技术人员的参考资料或培训教材；还可供在视频技术、图像处理与通信、电视工程技术、影视技术、多媒体技术、电影技术等领域从事研究、开发、生产及维护的科技人员阅读、参考。

　　译者2017年4月