數字視頻及顯示技術

目 錄
第 1 章 數字視頻基礎知識 ……………………………………………………………… 1
1.1 顏色分量 ………………………………………………………………………………… 1
1.1.1 三基色 ………………………………………………………………………………………1
1.1.2 基色分量與亮度的關系 ……………………………………………………………………2
1.2 色彩空間的表示和轉換 ………………………………………………………………… 3
1.2.1 YUV 色彩空間 ……………………………………………………………………………4
1.2.2 色差分量矢量圖及 YIQ 色彩空間 …………………………………………………………6
1.3 不同電視制式采用的色彩空間 ………………………………………………………… 8
1.3.1 電視制式 ……………………………………………………………………………………8
1.3.2 電視制式的色彩分量 ………………………………………………………………………8
【習題 1】 ……………………………………………………………………………………… 9
第 2 章 視頻信號數字化 …………………………………………………………………10
2.1 采樣過程 ……………………………………………………………………………… 10
2.1.1 亮度信號的抽樣頻率 …………………………………………………………………… 10
2.1.2 色差信號的抽樣頻率 …………………………………………………………………… 11
2.2 量化過程 ……………………………………………………………………………… 12
2.2.1 量化位數的確定 ………………………………………………………………………… 12
2.2.2 碼電平的分配 …………………………………………………………………………… 14
2.2.3 顯示輸出的基色分量式 ………………………………………………………………… 16
2.3 數字視頻信號接口 …………………………………………………………………… 16
2.3.1 ITU-R BT.656 建議 ……………………………………………………………………… 17
2.3.2 ITU-R BT.1120 建議 …………………………………………………………………… 22
【習題 2】 …………………………………………………………………………………… 26
第 3 章 數字視頻編碼原理 ………………………………………………………………27
3.1 數字視頻編碼概述 …………………………………………………………………… 27
3.1.1 數字視頻編碼的必要性 ………………………………………………………………… 27
V
數字視頻及顯示技術
3.1.2 數字視頻編碼的可能性 ………………………………………………………………… 28
3.1.3 數字視頻編碼技術的發展 ……………………………………………………………… 28
3.1.4 數字視頻壓縮的框架 …………………………………………………………………… 29
3.2 預測編碼 ……………………………………………………………………………… 30
3.2.1 DPCM 編碼 ……………………………………………………………………………… 30
3.2.2 幀內預測編碼 …………………………………………………………………………… 31
3.2.3 幀間預測編碼 …………………………………………………………………………… 32
3.3 空間域像素的變換 …………………………………………………………………… 33
3.3.1 變換的基本原理 ………………………………………………………………………… 33
3.3.2 DCT 編碼 ………………………………………………………………………………… 34
3.3.3 變換系數的量化 ………………………………………………………………………… 36
3.4 視頻熵編碼 …………………………………………………………………………… 37
3.4.1 哈夫曼編碼 ……………………………………………………………………………… 37
3.4.2 二元遊程編碼 …………………………………………………………………………… 39
3.4.3 算術編碼 ………………………………………………………………………………… 39
【習題 3】 …………………………………………………………………………………… 45
第 4 章 視頻圖像質量評價與率-失真理論 ………………………………………………46
4.1 圖像失真分類 ………………………………………………………………………… 46
4.2 視頻圖像質量評價方法 ……………………………………………………………… 47
4.2.1 主觀質量評價法 ………………………………………………………………………… 47
4.2.2 客觀質量評價法 ………………………………………………………………………… 48
4.2.3 主、客觀質量評價一致性判斷 ………………………………………………………… 50
4.3 圖像和視頻編碼中的量化 …………………………………………………………… 52
4.3.1 標量量化 ………………………………………………………………………………… 52
4.3.2 最優標量量化 …………………………………………………………………………… 55
4.3.3 量化影響 ………………………………………………………………………………… 56
4.4 率-失真與碼率控制 ………………………………………………………………… 57
4.4.1 率-失真理論 …………………………………………………………………………… 58
4.4.2 碼率控制 ………………………………………………………………………………… 59
【習題 4】 …………………………………………………………………………………… 61
第 5 章 視頻編碼標準 ……………………………………………………………………62
5.1 H.264/AVC 視頻編碼標準 …………………………………………………………… 62
5.1.1 預測編碼 ………………………………………………………………………………… 63
VI
目? 錄
5.1.2 整數變換 ………………………………………………………………………………… 68
5.1.3 量化 ……………………………………………………………………………………… 70
5.1.4 熵編碼 …………………………………………………………………………………… 72
5.1.5 環路濾波 ………………………………………………………………………………… 73
5.2 H.265/HEVC 視頻編碼標準 ………………………………………………………… 75
5.2.1 基於四叉樹結構的樹形編碼塊 ………………………………………………………… 76
5.2.2 幀內預測 ………………………………………………………………………………… 78
5.2.3 幀間預測 ………………………………………………………………………………… 80
5.2.4 變換與量化 ……………………………………………………………………………… 83
5.2.5 熵編碼 …………………………………………………………………………………… 84
5.2.6 環路濾波 ………………………………………………………………………………… 85
5.3 AVS 視頻編碼標準 …………………………………………………………………… 87
5.3.1 AVS 編碼框架 …………………………………………………………………………… 87
5.3.2 AVS 編碼模塊 …………………………………………………………………………… 87
【習題 5】 …………………………………………………………………………………… 92
第 6 章 FFmpeg 簡介與應用 ……………………………………………………………93
6.1 FFmpeg 簡介 ………………………………………………………………………… 93
6.1.1 什麼是 FFmpeg ………………………………………………………………………… 93
6.1.2 FFmpeg 基本組成 ……………………………………………………………………… 93
6.2 FFmpeg 命令行應用程序的安裝 …………………………………………………… 94
6.3 FFmpeg 工具使用基礎 ……………………………………………………………… 95
6.3.1 FFmpeg 命令格式 ……………………………………………………………………… 95
6.3.2 FFmpeg 常用命令 ……………………………………………………………………… 96
6.3.3 ffplay 的基本使用 ………………………………………………………………………103
6.3.4 ffprobe 的基礎用法 ………………………………………………………………………105
6.4 FFmpeg SDK 的使用 ………………………………………………………………… 105
6.4.1 FFmpeg SDK 環境的搭建 ………………………………………………………………106
6.4.2 FFmpeg SDK 視頻解碼 ………………………………………………………………… 111
6.4.3 FFmpeg SDK 視頻編碼 …………………………………………………………………115
【習題 6】 …………………………………………………………………………………… 121
VII
數字視頻及顯示技術
第 7 章 視頻顯示處理 ………………………………………………………………… 122
7.1 掃描變換 ……………………………………………………………………………… 123
7.1.1 行掃描方式 ………………………………………………………………………………123
7.1.2 去隔行方法 ………………………………………………………………………………123
7.2 分辨率變換 …………………………………………………………………………… 126
7.2.1 理想插值 …………………………………………………………………………………126
7.2.2 最近鄰插值 ………………………………………………………………………………127
7.2.3 雙線性插值 ………………………………………………………………………………128
7.2.4 雙三次插值 ………………………………………………………………………………130
7.3 視頻圖像旋轉 ………………………………………………………………………… 132
7.4 視頻轉換輸出 ………………………………………………………………………… 135
7.4.1 輸出視頻特征 ……………………………………………………………………………135
7.4.2 輸出數據圖 ………………………………………………………………………………135
【習題 7】 …………………………………………………………………………………… 137
第 8 章 平板顯示接口 ………………………………………………………………… 138
8.1 時序控制模塊 ………………………………………………………………………… 140
8.1.1 行同步 ……………………………………………………………………………………140
8.1.2 場同步 ……………………………………………………………………………………142
8.2 數字平板視頻信號傳輸 ……………………………………………………………… 145
8.2.1 雙像素轉換器 ……………………………………………………………………………145
8.2.2 雙像素模式 ………………………………………………………………………………146
8.2.3 單像素模式 ………………………………………………………………………………147
8.3 HDMI 技術 …………………………………………………………………………… 147
8.3.1 HDMI 概述 ………………………………………………………………………………147
8.3.2 HDMI 物理層 ……………………………………………………………………………149
8.3.3 引腳定義及電氣性能 ……………………………………………………………………152
8.3.4 信號及編碼 ………………………………………………………………………………153
8.3.5 控制和配置 ………………………………………………………………………………156
8.3.6 音視頻信息 ………………………………………………………………………………158
8.3.7 數據傳輸協議 ……………………………………………………………………………159
8.3.8 熱插拔檢測信號 …………………………………………………………………………159
8.3.9 物理地址 …………………………………………………………………………………160
VIII
目? 錄
【習題 8】 …………………………………………………………………………………… 161
第 9 章 數字平板顯示驅動 …………………………………………………………… 162
9.1 TFT-LCD 顯示原理及構成 ………………………………………………………… 162
9.1.1 TFT-LCD 顯示原理 ………………………………………………………………………163
9.1.2 TFT-LCD 基本結構 ……………………………………………………………………164
9.2 TFT-LCD 的驅動 …………………………………………………………………… 164
9.2.1 行列像素點陣掃描 ………………………………………………………………………164
9.2.2 TFT-LCD 的驅動電路 ……………………………………………………………………166
9.2.3 顯示存儲器的設計 ………………………………………………………………………166
9.3 屏顯格式 ……………………………………………………………………………… 167
【習題 9】 …………………………………………………………………………………… 169
附錄 A 縮略語英漢對照 ……………………………………………………………… 17