视讯会议基础-分辨率.

视讯会议基础-分辨率

分辨率在视频会议中和电视系统中提到的图像分辨率、显示设备的分辨率,经常不知道怎么才能说清楚、 搞明白;再加上视频会议中的经常提到的 CIF 格式,电视系统中提到的清晰度、电视扫描线,计算机显示 设备提到 VGA 、 XGA 等分辨率,直到现在风靡各种媒体报端的 720p 、 1080i 和 1080p 的高清电视,这些五花 八门的分辨率都是怎么形成的?本文就做一个全方位的阐述。

1.1 图像分辨率 数码图像有两大类,一类是矢量图,也叫向量图;另一类是点阵图,也叫位图。矢量图比 较简单,它是由大量数学方程式创建的,其图形是由线条和填充颜色的块面构成的,而不是由像素组成的, 对这种图形进行放大和缩小,不会引起图形失真。

点阵图很复杂,是通过摄像机、数码相机和扫描仪等设备,利用扫描的方法获得,由像素组成的, 典型的 是以每英寸的像素数(PPI 来衡量 。点阵图具有精细的图像结构、丰富的灰度层次和广阔的颜色阶调。当 然,矢量图经过图像软件的处理,也可以转换成点阵图。家庭影院所使用的图像,动画片的原图属于矢量 图一类,但经过制作中的转化,已经与其他电影片一样,也属于点阵图一类了。因此,我们在这里主要讨 论由像素构成的点阵图。

(1 像素的含义

虽然人们经常听到“像素”一词,也依稀知道一些含义,但不少人对其确切意义和特点并不清楚。像素就 是组成数字图像的最小单元,即一个一个彩色的颜色点。像素一词是个外来词,在英文中,像素这个单词 Pixels 就是由“Picture(图像”和“Element(元素”两个单词的词头“Pi -el-”拼合而成的。是构 成图像的元素的意思。从中文来说,像素这个术语是“图像元素”一词的简称。

一般人都以为像素是一个个的小圆点,但实际上它不是圆的,而是方的。也就是说,数码图像是由大量微 小的彩色小方块按照一定的方式排列起来的。这种关于像素是方的而不是圆的看法,是一些图像处理软件 专家和有关书籍的作者特意明确过,

而不是凭空猜测。如果您在计算机上把一幅图像放得很大,在图形的 边缘和有斜线的地方,就可以看见像素了,那是阶梯状或马赛克状的小方块,而不是小圆点。

(2 像素的特性

构成点阵图图像的像素具有如下特性:

①像素关系的独立性:组成图像的像素具有独立性,即各个像素之间不是互相关联的,改变其中一个像 素,不会影响其它像素。利用这个特性,可以对图像像素进行去像素处理或插补新像素的处理,而不会改 变原图像的形貌,但对得到的新图像质量有一下影响。

②像素数量大小的固定性:一幅图像的像素多少是固定的, 构成图像的像素数量并不因为显示图像时的 放大或缩小而改变其数量。一般将像素数量的固定性称作“像素的固定大小”,这种称呼与单个像素尺寸 的大小混为一谈,所以在这里我们特意将这个特性强调成“像素数量大小的固定性”。实际上,作为一个 一个的像素块来说,其大小是可以改变的,整幅图像的大小也可以随之改变。

③排列位置的固定性:像素点的排列位置是固定的,单独的像素点不能随意移动,如果移动像素,将对 整幅图像造成完全的破坏。最典型的例子是利用图像处理软件对画面进行波纹化处理,像素的相对位置改 变了,原始图像状态也破坏了。

④像素的位深决定图像的层次:像素位深是指 RGB 三原色的比特数(Bit 。彩色图像中,在 R 、 G 、 B 三个颜色通道中,如果每一种颜色通道占用了 8位,即有 256种颜色,三个通道就包含了 256的 3次方的 颜色,即 1677万种颜色。对于单独的一种颜色,需要 8个字节来记录,对于 3种颜色来说,就需要 24个 字节来记录(8×3=24。因此,一般的彩色图像需要 24位颜色来表现,成为“真彩色”。根据需要,也 可以使用更低的色位,如 256色(三色共占 8位或 16位色,或者使用更高的色位,如 32位、 64位等。 图像分辨率的表达方式也为“水平像素数×垂直像素数”,也可以用规格代号来表示。

不过需要注意的是,在不同的书籍中,甚至在同一本书中的不同地方,对图像分辨率的叫法不同。除图像 分辨率这种叫法外,也可以叫做图像大小、图像尺寸、像素尺寸和记录分辨率。在这里,“大小”和“尺 寸”一词的含义具有双重性,它们都可以既指像素的多少(数量大小,又可以指画面的尺寸(边长或面 积的大小,因此很容易引起误解。由于在同一显示分辨率的情况下,分辨率越高的图像像素点越多,图 像的尺寸和面积也越大,所以往往有人会用图像大小和图像尺寸来表示图像的分辨率。

根据像素的特点可以得出下面结论:图象分辨率和图象尺寸的值一起决定文件的大小及输出质量,该值越 大图形文件也越大。

1.2 物理分辨率 在视频会议中, 会场的图像最终要在电视机或者通过投影仪显示, 那么怎么衡量电 视的分辨率?在双流发送的视频会议中,主流发送动态图像,辅流可以传送 PC 桌面,那么 PC 显示器的分 辨率又怎么衡量?电视机的分辨率和显示器的分辨率都是物理分辨率,但是叫法不一,这里澄清一下。 1.2.1 显示器的分辨率 1、显示器分辨率

指计算机显示器的物理分辨率,即在显示器屏幕上的荧光粉点数或像素数。过去人们只注意显示器的荧光 粉点距,没有注意显示器的荧光粉点数,因此在这里听起来有点不习惯。但自从有了液晶显示器后,人们 就开始熟悉显示器的固有像素点数和显示器本身的分辨率了。因此,显示器分辨率就是在生产制造时加工 出来的显像小单元的数量,这种显像小单元对 CRT 显示器来说是指屏幕上的荧光粉点,对液晶显示器和等 离子显示器来说是指显示屏上的像素。

显示器分辨率的高低,既可以用规格代号表示,如 VGA 和 XGA 等,也可以用“水平像素数×垂直像素数” 的数字表示,如 800×600和 1024×768。

但是在实用中,人们往往将显示器分辨率、显示分辨率和屏幕分辨率混为一谈。因为这 3个术语的中文含 义十分接近,所以产生这种混乱,但实际上这 3者却是有的相同、有的不同,因此我们应当好好注意一下 它们的区别。

2、显示分辨率

指进行计算机桌面属性“屏幕分辨率”设置时选用的分辨率,也叫显示属性,它是用来实际显示图像时计 算机所采用的分辨率,而与显示器分辨率无关。显示分辨率既可以小于显示器分辨率,也可以等于或大于 显示器分辨率。这种分辨率有很多格式提供给操作者选择,如从 640×480的低规格,直到 1600×1200甚 至更高的规格。显示分辨率,与显示器分辨率却不是一回事,显示器分辨率是描述的显示器自身的像素点 数量,每台显示器只有一种固有分辨率,它是不可改变的。显示分辨率的表达方式与显示器分辨率的表达 方式相同,也是用分辨率规格代号或“水平像素数×垂直像素数”的数字来表示。

1.2.2 电视的分辨率在电视工业中,分辨率是用清晰度来度量,单位是电视线(TVLine 。

1、人眼的分辨力和电视的清晰度

人眼的分辨力是指人眼对所观察的实物细节或图像细节的辨别能力,具体量化起来就是能分辨出平面上的 两个点的能力。人眼的分辨力是有限的,在一定距离、一定对比度和一定亮度的条件下,人眼只能区分出 小到一定程度的点,如果点更小,就无法看清了。根据人眼的分辨力,决定了影视工作者力求达到的影像 清晰度的指标,也决定了采用图像像素的合理值。

人眼分辨图像细节的能力也称为“视觉锐度”, 视觉锐度的大小可以用能观察清楚的两个点的视角来表示, 这个最小分辨视角称为“视敏角”。视敏角越大,能鉴别的图像细节越粗糙;视敏角越小,能鉴别的图像 细节越细致。 在中等亮度和中等对比度的条件下, 观察静止图像时, 对正常视力的人来说, 其视敏角在 1~ 1.5分之间,观察运动图像时,视敏角更大一些。

为了将研究的对象从两个点扩大到一个面, 所以将视敏角从人眼到两个点之间的夹角, 引伸到从观察点 (人 眼到一定距离的一条相邻黑、白线条之间的夹角。如果观察的是在垂直方向上排列的一系列连续水平黑 白线条,则能表现出图像的垂直清晰度;如果观察的是在水平方向排列的一系列连续垂直黑白线条,则能 表现出图像的水平清晰度。

电视正是利用了这个原理,确定出了电视应当设计成具有多高的垂直清晰度和多高的水平清晰度,再从清 晰度推算出需要多少条水平扫描线和多少条垂直扫描线,从扫描线又推导出需要多少水平像素和多少垂直 像素,也即建立起了相应的图像的分辨率和单幅电视图像的扫描格式,将它再与每秒钟图像的显示次数和 其它指标结合起来,最终建立起了相应的电视制式。

2、垂直清晰度

上面已经提到过,根据视敏角原理,人眼能辨别在垂直方向上排列的相邻黑白水平线条的细致程度叫 垂直清晰度,但是怎么来鉴别和量度这个细致程度呢?假设画面高度为 H ,在垂直方向上有 M 条黑白相间、 具有一定宽度的水平线条,每条水平线条在垂直方向上的宽度为 h 。如果人眼在距离为 L 处刚好可以分辨 清楚这些水平线条,则视敏角 θ可表示为:

θ=h/L(弧度

因为每条线对的宽度为 h =H/M 则有

θ=H/(LM (弧度 将弧度化为角度后,则为 θ=3438H/(LM (分 也就是

M =3438(H/L(1/θ

试验表明,观看图像的最佳距离应当是画面高度的 4倍至 5倍,这时的总视角约为 15度,在这种情况 下,可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。这个距离,既可

以避免因过近观看时眼球需要不停地转动 而引起眼疲劳,又可以避免过远观看时对图像辨别能力的降低,以及防止画面以外的景象进入视野中。如 果选择观看距离 L 为画面高度 H 的 5倍,即 L =5H ,将其与视敏度 θ=1.5分一起代入上式后,则为

M =3438(1/5(1/1.5 =458(线

这个 458线也就是我们所说的 458条电视线,简称“线”。 从上面的计算可以看到,在 5倍画面高度的距 离观看图像时,人眼的垂直分辨力是约 458线,这时图像所具有的垂直清晰度正是 458线。这样,在制定 电视制式的扫描格式时,其垂直像素应当基于 458线清晰度来考虑。

3、 水平清晰度

水平清晰度的确定,与确定垂直清晰度的思路是一样的。不过,由于电视机画面的宽高比,以及垂直 清晰度和水平清晰度对整体图像质量影响的关系,不经过上述复杂的推导,也可以很方便地算出水平清晰 度线数来。

传统电视屏幕的宽高比是 4:3,这是根据原来的电影银幕的长宽比预先确定下来的。试验说明,在图像显 示时,水平清晰度和垂直清晰度应当接近或一样,才能获得最佳的图像质量。利用这两点,再根据垂直清 晰度计算原理,将垂直清晰度线数乘以屏幕幅型比 4/3,立即可以算出图像的水平清晰度线数 N 为 : N =4/3 M

=4/3×458 =610(线

这就是说,在 5倍画面高度距离观看 4:3画面的图像时,人眼的水平分辨力约为 610线,这时图像所具有 的水平清晰度正是 610线。

4、清晰度和分辨率

以上就是电视垂直清晰度和水平清晰度的来源。从这里不难看出,在明确了人眼的垂直和水平“分辨力” 后,也明确了电视的“清晰度”的概念:电视的清晰度是指电

视机已经显示出来的黑白相间的直线,在垂 直方向或水平方向将屏幕排满时,人眼所能辨别的最细线条数,或者说能辨别的最多线条数。在垂直方向 排列的这种水平线条的最大数量,是电视的垂直清晰度;在水平方向排列的这种垂直线条的最大数量,是 电视的水平清晰度。

可见,清晰度是在确定电视图像的扫描线数和像素数之前就提出来的一个重要概念和物理量,而与“水平 像系×垂直像素”所表示的分辨率概念和物理量完全不是一个东西。分辨率对图像信号来说也好,对显示 器材的屏幕像素来说也好,都是固定不变的,而清晰度却是可变的。虽然图像信号分辨率的高低对电视机 图像清晰度有影响, 但信号分辨率并不是人们看到的图像清晰度; 显示设备的像素对图像清晰度也有影响, 但它也并不是人们看到的图像清晰度。图像信号分辨率是源头,最终显示的图像清晰度是结果; 从数量上 来说,清晰度永远小于分辨率。 同一分辨率的图像信号,通过不同的传输渠道和不同的显示设备,最终得 到的图像清晰度是各不相同的。因此,分辨率与清晰度之间并没有直接换算关系。如果说有换算关系的话, 也只能是“自己与自己”换算,而不能进行源头与结尾、源头与中间以及中间与结尾之间的换算。

5、清晰度和扫描线

从上面的介绍已经知道,将处在同一垂线上的所有水平扫描点(水平像素从垂直方向连接起来,可以构 成垂直方向的许多线条;将每一条水平扫描线的所有扫描点(水平像素从水平方向连接起来,可以构成

许多水平线条。那么,如果已经有 458条水平扫描线和 610条垂直线条将屏幕布满,这些线条是否就可以 再现出上面计算出来的 458线垂直清晰度和 610线水平清晰度来呢?回答是否定的,因为这牵涉到“孔阑 效应”和扫描线的有效性问题。

因此,为了保证复原 100%的清晰度,就应当增加垂直和水平扫描线,也就是在上面所计算出的垂直清晰 度 458线上需要乘以一个系数 K ,这个系数 K 称为有效系数,这个系数一般取 1.3~1.4。乘以有效系数以 后,所得到的扫描线数肯定大于 458线。

如果不采用乘以有效系数的办法,我们姑取就以上面计算出的 75%的总有效率来计算,也可以反推出要还 原出 100%的清晰度时应当具有的扫描线的行数 m :

m =458÷0.75=611(行

同样,根据电视屏幕 4:3的比例,也可以很方便地计算出垂直扫描线 n 的数量: n =611×4/3=815(行

可见,要达到普通人在正常收视条件下获得 458线的垂直清晰度和 610线的水平清晰度图像,原则上需要 611行水平扫描线和 815行垂直扫描线。因为垂直扫描线并非直接从竖向扫出来的,而是水平扫描线上的 像素点在垂直方向上排列起来构成的一条线,所以人们也可能将其叫做垂直扫描线,也可能将其叫做水平 像素点。

以上讲到的水平扫描线是构成图像的有效扫描线,如果加上逆程扫描线,水平扫描线的数字还要大些。以 PAL 电视制式为例,由于在制定电视制式时考虑到视频带宽和其他技术条件的限制,最后将 PAL 制的扫描 格式确定为:

水平像素×垂直方向的水平扫描线=720×625

在 625条扫描线中,包括了 50行左右的逆程线,实际有效扫描线为 575~576左右。

由于制定电视制式时, PAL 制电视最后安排的视频带宽为 6MHz ,这种带宽连 720×625都不能完全满足,实 际使用时,只好将 PAL 制电视的图像格式在 720×625的基础上又有所压缩,压缩的是水平像素点,保留了 625行水平扫描线。因此, PAL 制电视的分辨率经过由 815×611到 720×625的降低,再经过为满足 6MHz 视频带宽的压缩, PAL 制电视并不能达到 458线的垂直清晰度和 610线的水平清晰度,而只能达到 431线 的垂直清晰度和 468线的水平清晰度。

所以,电视线(TVLine 与 PAL 制或 NTSC 制的中的扫描线是不同的,不能混淆。在选购数码产品时要明确 其单位。

6 CIF格式为了既可用 625 行的电视图像又可用 525 行的电视图像, CCITT 规定了称为公用中间分辨率格 式 CIF(Common Intermediate Format , 1/4 公用中分辨率格式 (Quarter-CIF, QCIF 和 (Sub-Quarter Common Intermediate Format, SQCIF 格式对电视图像进行采样。

CIF 格式具有如下特性:

(1 电视图像的空间分辨率为家用录像系统 (Video Home System, VHS 的分辨率,即 352×288。

(2 使用非隔行扫描 (non-interlaced scan。

(3 使用 NTSC 帧速率,电视图像的最大帧速率为 30000/1001≈29.97 幅 /秒。 (4 使用 1/2 的 PAL 水平分辨率,即 288 线。

(5 对亮度和两个色差信号 (Y、 Cb 和 Cr 分量分别进行编码,它们的取值范围同 ITU-R BT.601。即黑

色=16,白色=235,色差的最大值等于 240,最小值等于 16. 下面是目前在非高清视频会议中定义的分辨率: QCIF: CIF: 4CIF: 176×144 352×288 704×576 电视技术,经历着从黑白电视到彩色电视,再到高清电视的发展过程.我国决定 7 数字电视分辨率 从 1999 年 10 月 1 日起开始试播高清晰度电视(HDTV.电视的使用范围早已超越了广播娱乐界,并深深地 扩展到文化教育,科研管理,工矿企业,医疗卫生,公安交通,军事宇航等各个重要部门.近十多年来, 由于微电子技术,超大规模集成电路技术,数字信号处理技术,计算机技术的突飞猛进,使数字电视的发 展已取得了令人鼓舞的成果.特别是数字图像获取,数字存储,位图打印和图形显示的数字设备的出现, 带来了许多数字图像方面的应用.技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成,数字电视接收机已上市 出售,各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用.国际上也相应地制定了统一的数字电 视信号的编码标准,为数字电视的发展奠定了坚实的基础. 美国先进电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee ,简称 ATSC定义了 18 种数字电 视采用的画面格式,这些画面格式被分成了三种类型:SDTV(Standard

Definition TV,480i 标准清晰度 电视,和现有电视系统的画面质量相

当,EDTV(Enhanced Definition TV,480p 增强清晰度电视,和 DVD 电影画面质量相当以及 HDTV.如今这种分级方式已经得到了业界的广泛接受.而其中的 HDTV 包含了两 种画面分辨率,1920×1080 和 1280×720,当前各国各种标准的高清信号也无外乎这两种画面分辨率格式 而已. 表 2 数字电视的分辨率 格式 分辨率 扫描线 画面比例 清晰度 576i 隔行扫描 D1(480i 隔行扫描 D2(480P 逐行扫描 D3(1080i 隔行扫描 D4(720p 逐行扫描 D5(1080p 逐行扫描 720×576 4:3 720×480 4:3 720×480 4:3 1920×1080 16:9 1280×720 16:9 1920×1080 16:9 水平 576 线 和 PAL 电视清晰度相同 水平 480 线 和 NTSC 电视清晰度相同 水平 480 线 较 D1 隔行扫描要清晰不少,和逐行扫描 DVD 规格相同 水平 1080 线 标准数字电视显示模式 水平 720 线 虽然分辨率较 D3 要低,但是因为逐行扫描,视觉效果更加清晰 水平 1080 线 目前民用高清视频的最高标准

8 高清晰度视频会议在高清晰度编码/ 解码技术产生之前,视频会议数据是根据公用交换格式(CIF 进行 编码的.国际电信联盟-电信标准部门(ITU-T 制定了视频标准,称为 H.261 和 H.263.H.261 标准只定义 了 QCIF 和 CIF 格式.四分之一 CIF (QCIF 格式只被用于最低数据率(64 千位/ 秒及更低的会议,今 天已经很少使用.自从 H.263 标准发行以来,更多使用\"全分辨率\"(定以为 16CIF的格式(4CIF 和 16CIF被采用.由于采用此类标准时,计算和宽带功能有限,所以,用于全动感视频会议的公用分辨率仍 然是 CIF 到 4CIF.下面的表格列出了用于 NTSC(北美和 PAL(欧洲视频信号的 H.261 和 H.263 标准 的相应格式分辨率.以下列出的分辨率代表 4:3 的屏幕高度比. 格式 帧/秒 / 分辨率 NTSC 分辨率 PAL QCIF 30 176 X 120 176 X 144 CIF 30 352 X 240 352 X 288 4CIF 30 704 X 480 704 X 576 16CIF 30 1408 X 960 1408 X 1152 ITU-T 最近采用了视频压缩新标准,该方法减小了整个视频文件的大小,从而文件可以更为节省地通过容 量更小的网络连接(更低的数据率/ 宽带进行传输.现在,ITU-T 建议高清晰度视频会议采用 H.264 视 频标准,该标准通过比较低的数据传输率提供上好的画面质量.现在,H.264 是 HD-DVD(高清晰度 DVD 以及广播,电缆,视频会议和消费者电子产品的强制使用的标准.下面的表格说明了 H.264 标准中引入的 SD 和 HD 分辨率. 格式 帧/秒 / 分辨率(16:9 SD/HD 1080p 25,30 1920 X 1080 HD 720p 25,30 1280 X 720

HD 480p 25,30 860 X 480 SD H.264 规格是视频会议理想的工具.尽管和之前的 H.26x 算法相比,它需要更强的处理能力,但是自 2004 年之后生产的大多数视频会议系统都包括 H.264.它可提供优质的视频传输和低延时的编码和解码,从而 视频流更为流畅,自然.事实上,H.264 的效率是 H.263 的两倍,在特定线路速率下的视频质量也要高出 一倍.此外,某些增强的 H.264 规格包括互动视频的错误隐藏算法,此技术可自动调整视频操作,即便网 络负担过重,不稳定或者出错率高,都可以保证操作自如,并提供更高品质的视觉享受.H.264 编码标准

提供了更强的灵活性,为不同的开发商提供了进行互操作的通用平台.H.263 标准支持大量可能的变异产 品,与此不同,H.264 标准只包括少量的压缩技术.这样一来,可以在不大幅度下,降视频质量的前提下 更为轻易地实现来自多个生产商的不同视频会议设备的集成. 基于编解码算法的改进,网络传输带宽的提高,高清数字电视的发展,视频会议终于从 4CIF 一步迈入了高 清殿堂,720p,1080p 顺理成章的融入了视频会议系统.