数字视频技术是指以数字形式捕捉、记录、处理、存储、传输、复现动态彩像的一系列相关技术。例如通过数字摄像机直接产生数字视频信号,压缩成MPEG-2格式存储在视频数据库。在被检索到后通过因特网传输到远端的PC,并在播放器上播放岀来。数字视频技术的发展与数字电視系统密不可分。这里以数字电视系統来讲解数字视频的特点。数字电视系統是将模拟的电视值号变换为数字形式的信号,然后进行处理、传输、播放和存储的系统。下图图给出了典型的数字电视技术框图.
现在数字电视系统巳经在迅速普及，相对于模拟电视系统，数字电视系统有许多突出优点:数字电视信号抗干扰能力强, 数字电视信号容易进行存储,并能方便应用各种数字图像处理方法对数字挽频信号进行处理，数字电视值号由于具有数字信号的共通形式,容易和其他信息关联, 便于加入公用数据通信网, 数字信号便于适应计算机或其他数字设备的援口。
模拟电视信号转换为数字电视信号称为PCM调制。由数字电视信号转换为模拟电视信号称为PCM解调. 这两个过程在电路中是用模拟/数字转换器（A/D）和数字/模拟转换器（D/A）实现的。下图给出了视频信号A/D转换的过程。
A/D转换器经过采样、量化和縮玛三个过程，把模拟信号转换成数字信号。
- 采样是在时钟和同步信号控制下，每隔一定时间间隔T,抽取模拟值号的一 个艮时幅度值，取样后所得出的一系列在时间上寓散的抽样值（弥为脉冲幅度凋制 信号）。
- 量化是将幅度连续的取样值在幅度上离散化的过程.
- 编码将量化值变成二进制数玛.D/A转换器则由电阻阵列和n个电流开关（或电压开关）构成.按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流（或电压）.轮 过取祥、篇化、编码即得到数字视頻信号。
实的动志影像在时间和空间上都是连续的.要能以数字信号的方式进行处理 就必须对动态影像进行时间采样和空间采样，如图1-6所示.
在经过时空采样后， 动态彩僚就转换成了一系列在时间上相关的静止的数字图像。毎幅静止的图像的样 本像素都包含了亮度和色彩信息。 数字视频的质量受到空间采样的样本点密度及时间釆样的采样频率的彩响；空 间上相冋面积下.更多的采样点能提供更高质量的图像,但也需要更多的处理时间和 存舖空间.不同的视新系统会定义不同的采样分辨率,常见的分辨率如表1-2所列
在时间上，釆样的时间冋隔影响了人眼对运动的感受。帧率越高，运动场衆表现得越平滑, 帧率低于每秒10帧，运动会出现明显的不连贯；帧率在每秒10〜20帧时，低速运动的效果不错,但高速运动会有不连贯现象，因此可被用于低码率视频通信中.帧率在每秒25〜30帧时，运动感觉很流畅，被用在数字广播电视中。帧率在每秒50〜60帧时，运动感觉非常流畅，因而被用在高质量视频中。另外在采样的帧率不变（采样的数据率保存不变）的情况下，使用隔行扫描的方法进行采样可以提喜视頻的运动效果，被广泛应用与广播电视系统中。例如PAL制式的广播电视，其工作的帧率是25 Hz，场率是50 Hz。这样在不増加采样数据的前提下，采样的时间间隔缩短为原来的一半，视频的运动效果会提高。当然，对于一些特定的纹理和运动形式，采用隔行扫描的方式可能会带来视觉上的不舒适感。对于黑白视频图像，每一个样本点只需要用单值表示其亮度信息，对于彩色视頻图像，每一个样本点则需要多个数值表示。常用一维、二维、三维甚至四雄模型来表示某一色彩，它所能定义的色彩范围被称为色彩空间,不同的数字图像系统会用不同的颜色模型表示。例如在计算机系统常用RGB色彩模型, 在彩色电视系统中使用YUV色彩模型，彩色印刷机则用CMYK色彩模型。
RGB色彩模型与人眼视觉系统联系紧密，是最常用的色彩模型。电视摄像机及计算机显示剧根据RGB模型工作。根据人类视觉系统特征，任何一种人眼能感知的顏色都可以用红、绿、蓝三种基色光按照不同的比例混合得到。例如：白色=100%红色+100%绿色+ 100%蓝色，黄色= 100%红色+100%绿色+0%蓝色。因此RGB色彩模型也称为加色法混色模，可以用三维笛卡尔坐标系描述.其中三个坐标軸分别为R、G、B.如果将黑色定在原点，白色定在坐标点（1,1,1），则RGB模型的空间是个单位正方体。立方体内的其余各点对应不同的顏色,可以用从原点到该点的矢量表示，三个坐标值分别为红、绿、蓝三色的比例。在数字系统中这个单位空间被离散化，通常每个分量都用8位的整数表示，这样毎个像素需要24位表示。
人类视觉系統对亮度的敏感度比对色度的敏感度强。YUV色彩模型利用到这个特点获得较RGB色彩模型的优势, 为彩色电视系统广泛使用。YUV色彩模型将亮度信息从色度信息中分离了出来。并且对同一帧图像的亮度和色度采用了不同的采样率.这样可以在保证视觉质量的前提下显著地降低采样的数据率，实现視频的压缩.在YUV色彩模型中,亮度信息Y与色度信息U、V相互魏立.Y信号分量为黑白灰度图.U、V信号分量为单色彩色图.黑白电视只利用Y分量. 也解决了黒白电视和影色电模的荣容何题. 图1-8飴出了三种常见的YUV的采样格式.
4:4:4，YUV三个分景具有相同的水平和垂直解析度.4:2:2，YUV三个分量具有相同的垂直解析度，但在水平方向上,UV两个分量的解析度是Y的一半。即毎4个亮度分量样本值,对应有2个U和2个V色度分量样本值。4：2：0，在水平方向上和蚤直方向上，UV两个分量的解析度是Y的一半。即毎4个亮度分置样本值，对应有1个U和1个V色度分量样本值。
RGB色彩模型和YUV色彩模型之间存在简单的转换关系. 从RGB到YUV的转换关系如下：
当转换的目标是 YUV4：4：4格式时，只需用对应的变换公式进行格式转换，不会带来信息的损失.如果是4：2：2或4：2：0格式时，则先需要按照样本的位置进行抽样,这样会损失一部分色差信息，但对视觉效果影响不大。从YUV到RGB的转换关系如下
同理,当是从YUV4：4：4格式转到RGB时只需用对应的交换公式进行格式转换。但如果是从4：2：2或4：2：0格式转换时，需要先对U、V两个分畳使用插值方法补齐缺少的像素值.
参考书籍
1. 《深入理解视频编解码技术 基于H.264标准及参考模型》
