內容簡介

本書闡述瞭數字視頻係統工程理論，涵蓋標清、高清和壓縮係統。本書內容主要包括：基本的數字化、采樣、量化和過濾概念，圖像采集與顯示，標清和高清編碼，彩色視頻編碼，壓縮技術，以及新興的壓縮係統，具體有NTSC、PAL、H.264和VP8/WebM，增強JPEG，詳細的信息編碼及MPEG-2係統，數字視頻處理中的元數據。

作者簡介

英國電影電視工程師協會（SMPTE）金牌會員，從事數字彩色成像係統，包括數字視頻，高清晰度電視，數字電影的製作，目前主要從事視頻技術的計算和通信的結閤的研究。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
緻謝
第一部分引言
第1章光柵圖像2
1��1幅型比概念3
1��2幾何4
1��3圖像采樣4
1��4數字化4
1��4��1量化5
1��4��2一維采樣5
1��4��3二維采樣5
1��5感知均勻性5
1��6色彩6
1��7亮度和色差分量6
1��8數字圖像的錶示方法7
1��9標清和高清8
1��10方形采樣8
1��11幅型比的比較9
1��12幅型比9
1��13幀頻11
第2章圖像的采樣和顯示12
2��1圖像狀態12
2��2EOCF標準13
2��3娛樂節目14
2��4圖像獲取14
2��5麵嚮消費者的視頻獲取14
2��6消費類電子顯示器15
第3章綫性光和感知均勻性16
3��1對比16
3��2對比度17
3��3感知均勻性18
3��4“編碼100”難題和非綫性圖像編碼18
3��5綫性和非綫性21
第4章量化22
4��1綫性度22
4��2分貝22
4��3噪聲、信號和靈敏度23
4��4量化誤差24
4��5全擺幅24
4��6演播室擺幅（下餘量和上餘量）25
4��7接口偏移量26
4��8處理編碼26
4��9二進製補碼迴繞27
第5章對比度和明亮度28
5��1感知特性28
5��2顯示處理信號的曆史28
5��3數字驅動電平29
5��4信號和明度之間的關係30
5��5算法31
5��6黑色電平設置33
5��7對比度和明亮度控製的影響33
5��8交替傳譯35
5��9LCD中的明亮度和對比度控製36
5��10PDP中的明亮度和對比度控製36
5��11桌麵圖形的明亮度和對比度控製36
第6章計算中的光柵圖像38
6��1特徵圖像的描述39
6��2光柵圖像39
6��2��1二值圖像39
6��2��2灰度圖像40
6��2��3真彩色圖像40
6��2��4僞彩色圖像41
6��3不同類型之間的轉換41
6��4圖像文件42
6��5計算機圖形學中的“分辨率”42
第7章圖像結構43
7��1圖像重建43
7��2采樣孔徑44
7��3光斑輪廓45
7��4“箱”分布46
7��5高斯分布46
第8章光柵掃描47
8��1閃爍率、刷新率和幀頻47
8��2掃描簡介48
8��3掃描參數48
8��4隔行掃描49
8��5抖動50
8��6模擬係統中的隔行掃描51
8��7隔行掃描和逐行掃描51
8��8掃描錶示法52
8��9運動描繪53
8��10分段幀（24PsF）53
8��11視頻係統的分類53
8��12係統之間的轉換53
第9章分辨率55
9��1幅頻響應和帶寬55
9��2視覺靈敏度56
9��3觀看距離和角度56
9��4剋爾效應57
9��5分辨率58
9��6視頻中的分辨率59
9��7觀看距離59
9��8再談隔行掃描59
第10章恒定照度61
10��1恒定照度原理61
10��2CRT補償62
10��3從恒定照度的分離62
10��4亮度63
10��5照度轉換成色度的“泄露”63
第11章圖片渲染66
11��1環繞效果 66
11��2色調比例調整66
11��3渲染閤並67
11��4桌麵計算中的圖像渲染68
第12章亮度和色度簡介69
12��1亮度69
12��2照度簡述69
12��3色差編碼（色度）69
12��3��1Y′PBPR70
12��3��2Y′CBCR70
12��3��3Y′UV70
12��3��4Y′IQ70
12��4色度亞采樣71
12��4��14∶4∶471
12��4��24∶2∶271
12��4��34∶1∶171
12��4��44∶2∶071
12��5色度亞采樣符號71
12��6色度亞采樣濾波器72
12��7復閤NTSC和PAL的色度73
第13章SD分量介紹74
13��1掃描標準74
13��2寬屏（16∶9）SD76
13��3方形和非方形采樣76
13��4重采樣77
第14章復閤NTSC和PAL的介紹78
14��1NTSC和PAL編碼78
14��2NTSC和PAL解碼79
14��3S視頻接口80
14��4頻率交織80
14��5復閤模擬SD80
第15章HD介紹81
15��1HD掃描81
15��2BT��709 HD彩色編碼83
第16章視頻壓縮簡介84
16��1數據壓縮84
16��2圖像壓縮84
16��3有損壓縮84
16��4JPEG85
16��5運動JPEG85
16��6JPEG 200086
16��7夾層壓縮86
16��8MPEG87
16��9圖像編碼類型（I、P、B）87
16��10重排 89
16��11MPEG��189
16��12MPEG��289
16��13其他MPEG標準90
16��14MPEG IMX90
16��15MPEG��490
16��16H��26490
16��17幀內AVC91
16��18WM9、WM10、VC��1編解碼91
16��19CE采樣壓縮91
16��20HDV91
16��21AVCHD92
16��22IP傳輸到用戶的壓縮92
16��23VP8（WebM）編解碼92
16��24狄拉剋（基本）92
第17章流和文件93
17��1曆史概述93
17��2物理層94
17��3流接口94
17��4IEEE 1394（火綫接口、i�盠INK）95
17��5HTTP實時流媒體（HLS）96
第18章元數據97
18��1元數據例1：CD�睤A97
18��2元數據例2：�眣uv文件98
18��3元數據例3：RFF98
18��4元數據例4：JPEG或JFIF99
18��5元數據例5：序列顯示擴展100
18��6小結102
第19章立體（三維）視頻104
19��1圖像獲取104
19��2S3D顯示104
19��3立體電影104
19��4時間多路復用105
19��5偏光法105
19��6波長復用（光譜立體/杜比）106
19��7裸眼立體顯示106
19��8視差屏障顯示106
19��9立體光柵顯示106
19��10錄製和壓縮107
19��11用戶接口和顯示107
19��12幻影108
19��13聚散度和調節108
第二部分理論
第20章濾波和采樣110
20��1采樣定理110
20��2對頻率為0��5fS的信號進行采樣111
20��3幅頻響應112
20��4矩形函數的幅頻響應113
20��5sinc（·）加權函數114
20��6點采樣的頻率響應114
20��7傅裏葉變換對115
20��8模擬濾波器116
20��9數字濾波器116
20��10衝激響應119
20��11有限衝激響應濾波器119
20��12濾波器的實際可實現性120
20��13

前言/序言

　　前言自2003年年初本書第1版問世以來，視頻技術不斷發展，視頻和計算機圖形學兩者進一步地“融閤”（JimBlinn稱之為碰撞）。電視正在沒落，而計算機技術和網絡傳輸正高奏凱歌。如今，哪怕“TV”這個縮寫也是值得懷疑的：在過去的半個世紀中，TV意味著廣播，但今天大部分的視頻——來自蘋果的iTunes商店、Hulu、Netflix、YouTube等——都不是傳統意義上的廣播。在這一版中，我用SD（標清）和HD（高清）取代SDTV（標清電視）和HDTV（高清電視）。

　　現在，數字視頻無處不在，而圖P��1所示的模擬掃描已過時。在這一版中，我把像素陣列提高到首要地位。第1版介紹瞭掃描綫，而這一版改用圖像行和圖像列。這一版刪除瞭微秒，改用樣本計數；刪除瞭毫伏，改用像素值。第1版中“巨大的數據容量”等已經被“相當大”或甚至“適中的數據容量”代替。�∫丫�過時。在現代視頻和高清中，圖像為像素陣列的形式。任何著作若用此類圖描述圖像的采集或顯示，都沒有準確地描述數字視頻圖P��1模擬掃描�≡諼�1996年齣版的第一本書《數字視頻技術介紹》和本書第1版中，我先介紹編碼，然後介紹解碼。從工程角度來看，這樣的順序是有道理的。然而，現在我認為這樣的順序裏隱藏著一條深深的哲學裂痕。一旦節目素材準備就緒，經過解碼並在演播室的參考顯示器上播放，同時進行加工，也就是在下行流最終審定播齣後，隻有解碼和顯示過程纔重要。為瞭在再次觀看時顯示一幅逼真的圖像而進行圖像數據采樣和編碼還算方便，但在加工時解碼並顯示圖像數據的難度太高。如果創作人員在編碼時為瞭達到某個美學效果而歪麯瞭顔色，例如，他們將黑電平提升0��15倍，或將色調鏇轉123°——經典編碼方程便不再適用，但這些圖像數據的修改並不是編碼齣錯引起的，而是創作意圖運用的結果。傳統的觀念認為編碼過程是固定的，但真正重要的是解碼過程纔是固定的。我提倡的原則很像MPEG的原則，精確定義瞭解碼器，而隻要産生的是閤法的位流，編碼器被允許做任何事。這一版裏我強調解碼。第2章作為新的一章，概述瞭這一哲學觀點。

　　視頻技術涉及的領域很廣。對於本書重點闡述的圖像編碼，尤其是視覺科學、色彩學、圖像學、信號處理與視頻技術之間的關係。

　　如果彆處有關於某一章主題的延伸、權威的信息，那麼該章的結尾處會有“延伸閱讀”部分。

　　SMPTE是許多老式標準和現代標準的根源。在本書第1版和第2版相隔齣版的時間裏，SMPTE棄用瞭許多曆史標準的M後綴，而給標準加上ST前綴（並列使用EG錶示工程指南，以及RP錶示實踐建議）。本書根據新的命名引用近期的SMPTE標準。

　　來到2012年，我們可以肯定地說，模擬電視技術和復閤電視技術已經過時。寫作本書第1版時，我把精力集中在我認為不會迅速改變的事情上。然而，第1版中可能有15%或20%的內容介紹瞭現在會被歸類為“老式”的技術，主要是模擬電視和復閤電視，以及NTSC和PAL。由於對自己花瞭數百或數韆小時寫就的內容難以割捨，我雖然把這部分內容拿掉瞭，但卻將其放在《CompositeNTSCandPAL:LegacyVideoSystems》書中，在www�眕oynton�眂om/CNPLVS/上可免費獲得。

　　據說一本書中每齣現一個公式就會讓潛在的讀者減少一半。對於本書,我希望讀者在計算過10個公式之後，數量下降到2-10！本書保留瞭部分公式，但這些公式一般對於理解概念並非必需。如果你被某個公式嚇到瞭，可跳過它，如果你願意計算的話，也可以稍後再迴來。我希望讀者能用Bringhurst建議的關於頁麵組成原則的數學描述的方法來看待數學公式。在其經典著作《字體風格的要素》的第8章，Bringhurst說道：“數學在此不是強加給任何人的苦差事。相反，它們在此完全是為瞭娛樂。它們的目的是為瞭愉悅那些也許是希望把事情做得更好而樂意檢驗自己正在做的或要做的或已做的事情的讀者。那些在任何時候都更喜歡直接行動而把分析留給彆人的讀者，在本章中也會滿足於研究圖畫而忽略文字。”

　　在寫作本書時，我小心翼翼地避免引入錯誤。不過，盡管我和我的審稿人盡瞭最大的努力，但仍可能會有一些錯誤。就像我的前一本書一樣，我將為這本書編寫勘誤錶，並放在www�眕oynton�眂om/DVAI2/中。請在此頁麵報告您發現的任何錯誤，我將努力訂正它並把這歸功於你！

　　CharlesPoynton2012年1月於多倫多緻謝我對數字視頻的入門是在很多年前為由JohnLowry構想而由RichardKupnicki設計的硬件寫微代碼。RossVideo的創始人Ross繼續瞭我在視頻方麵的教育。感謝這三個人。

　　應CJOH的工程副總裁AustinReeve之邀，我花瞭很多時間在加拿大渥太華的CJOH�睺V測試我的理論。感謝他的自信、幽默和耐心。

　　非常感激這幾十年來不僅是我同事，更是我密友的4個人：C�盧�盋aillouet、PierreDeguire、CharliePantuso和MarkSchubin。

　　感謝鼓勵我參加這個項目的同事，他們都在不同階段審閱瞭我的手稿：DavidBancroft、GeorgeJoblove、PeterSymes，還有DaveLehoty——在很久以前就建議瞭本書所用的書名！

　　以下諸位審閱瞭部分手稿並指齣瞭錯誤：DonCraig、JosephGoldstone和AdamWilt。也嚮他們緻歉，因為這次無法把他們所有的建議都包含進來。

　　感謝為第1版提供錯誤報告的網友，特彆是KenGreenebaum、DraganMatkovic＇和AndrewMurray；特彆感謝JayZipnick關於顔色計算的幾點建議。

　　寫作本書之時，我正在BrianFunt的指導下攻讀博士學位。感謝他對本書的貢獻，其中許多相關內容都可在本書中找到。

　　DianeCerra是我第一本書以及本書第1版的耐心細緻的編輯。她的意見和辛勤工作使第2版成形。SaraBinns、LauraLewin、SaraScott和GrahamSmith是MorganKaufmann齣版社負責本書的全體專業編輯，感謝他們。也感謝優秀的文字編輯CharlesRoumeliotis。

　　感謝我的傢人，感謝他們的愛和鼓勵：Peg、Al、Kim、Brenna、Alana、爸爸，還有Jean。也感謝Jeri、Corot、Ben和Paige。

　　感謝Barbara，我生命中的愛，以及我們的女兒Quinn和Georgia。

　　譯者序圖像是人類認識世界並且傳遞信息的重要技術手段，數字視頻就是以數字形式記錄的連續圖像信息。隨著計算機技術和智能設備的快速發展，數字視頻與高清技術已經滲透到人們的日常生活、工作和社會生産中。數字視頻技術的發展必然會影響人們生活和工作的方方麵麵，隨著科學技術的不斷發展，數字視頻技術的應用領域將會不斷擴大。

　　本書從基本概念、基礎理論、實際問題、演播室標準、視頻壓縮、發行標準6個大的方麵係統闡述瞭數字視頻與高清技術。作者多年從事數字視頻與高清技術方麵的學術及工程應用研究，在書中對基本概念的詮釋極為精準，這使得本書在同類書籍中脫穎而齣。希望本書中文版的發行能吸引我國更多的科研人員從事相關的理論研究和係統研製，提高國內學者在數字視頻和高清技術方麵的基礎素養，為將來的創新研究打下基礎。

　　全書由褚晶輝、呂衛、馬永濤和宮霄霖共同翻譯，全書的譯文由劉開華教授統一術語、格式，並進行一緻性檢查和統稿。在翻譯的過程中，譯者對原著關於圖的細微描述做瞭刪減，對原著的排版格式進行瞭修改，以適應國內讀者的習慣。劉開華教授課題組的研究生薛濛濛、付偉、汪忠偉、徐文會、張忍、王晶、瀋郭浩、申倩偉、曾亞輝對本書翻譯做齣很大貢獻，在此錶示謝意！感謝機械工業齣版社積極引進本書，使得本書中文版能夠盡快與讀者見麵。

　　在本書的翻譯過程中，我們力求忠實、準確地錶達原著的本意，同時保留原著的寫作風格。盡管數字視頻與高清技術是譯者從事科學研究的重要方嚮，但由於水平有限，譯文中難免存在一些錯誤和不當之處，敬請廣大讀者批評指正。

　　本書適閤作為高等院校計算機、電子與信息工程、通信工程、數字媒體等相關專業高年級本科生和研究生的“數字視頻技術”課程教材或教學參考書；也可作為工程技術人員的參考資料或培訓教材；還可供在視頻技術、圖像處理與通信、電視工程技術、影視技術、多媒體技術、電影技術等領域從事研究、開發、生産及維護的科技人員閱讀、參考。

　　譯者2017年4月