【音视频基础】(九):YUV颜色空间之电视的发展史

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从这篇开始,我们开始介绍YUV颜色空间,它并不是CIE的产物,但是和CIE的XYZ、xyY很类似。所以即使你完全是个新手,或者没有计算机基础,或者是其他行业从业者,这样一篇篇看下来,我能保证你能看得懂。

在介绍YUV颜色空间时,我们需要首先明白,它和CIE YUV并不是一回事。为什么呢?首先他们的产生原因就不一样,CIE YUV是在CIE xyY的基础上,经过线性变换而产生,而YUV,则是在电视的基础上发展起来的。所以他们的用途也不一致,CIE YUV不做研究,而YUV则一直用在电视系统、视频编码等领域。

所以在这篇文章里,我们先来谈谈电视的发展史,相信看完这篇文章,你会对YUV有了初步的了解,后面我们会对YUV专门进行分析。而且在接下来的几篇中,会在视频显示和处理上,渐入佳境。

在电视发展的过程中,它经历了以下阶段:

机械电视 -> 黑白电视 -> 彩色电视 -> 数字电视 -> 智能电视 -> 3D电视

不过在这里,我们并不会对每个阶段都进行分析,因为在所有的阶段中,黑白电视、彩色电视和数字电视是比较重要的。虽然机械电视是电视的起点,但是分析它对视频处理用处很小,而智能电视和3D电视,只是在之前电视的基础上,接入了网络和3D技术。

所以要深刻明白视频是怎么一回事,我们得先分析黑白、彩色、数字电视。并且在这篇文章里,我默认你已经看过显示器是如何显示图形数据的一和二,知道CRT,并知道彩色CRT。下面我们开始按时间顺序,来一一介绍。

1. 黑白电视

相信大家对黑白电视都应该比较熟悉,那时候电缆还没有铺开,家家看电视,都需要竖一根天线,并且还只能显示黑白灰。

黑白电视

这就是黑白电视,它的工作方式是:

摄像机通过采集图像,将图像栅格化,转换成一行一行的像素点,每个像素点有各自的黑白灰度值(也就是亮度,在视频里,亮度通常指黑白灰,而与光强即光通量,亮度的另一个属性,可以区分开,因为我们在显示器上,可以手动控制显示器的亮度,也即光通量。这里理解亮度的这两个属性就好,一个是它呈现的颜色,一个是光通量),然后使用不同的电视制式(下篇讲),通过射频调制(RF modulation),把电视信号调制到VHF(甚高频)或者UHF(超高频)载波上广播出去。

在接收端,也就是电视机,通过天线,接收广播信号,并通过调制解调器解调,将收到的像素值通过CRT显示在屏幕上。这就是电视机的工作流程,只不过实际上,为了使像素点和原图像保持一致,在发送端的时候,还会匹配上水平和垂直同步信号,这样CRT就能正确的显示像素点的位置。

2. 彩色电视

彩色电视工作流程和黑白电视一致,之所以称为彩色电视,是因为它比黑白电视多广播了色度值。这也就是YUV的由来,因为黑白电视只有亮度值,也就是Y,所以如果在这个基础上增加色度值,也就是新开发一个颜色空间,就可以用来描述彩色像素。那为什么选择了YUV,而不用RGB或者其他的颜色空间呢?

2.1 为什么是YUV?

有两点原因:

1.YUV可以实现前后兼容,假设彩色电视采用了RGB,相当于广播系统也得另建一套,而且会导致彩色电视处理不了黑白电视信号,黑白电视也处理不了彩色电视信号。而如果使用YUV,黑白电视能接受彩色信号,相当于只处理Y,而彩色电视,也能接受黑白电视信号。

2.YUV更方便对视频信号进行压缩,占用的带宽更低。在上篇我们知道,人眼对亮度的敏感度要大于红蓝,所以我们可以保留Y原始值的基础上,降低U和V的值,而不影响观看。

至于YUV三个值怎么来的,以及更详细的介绍,我们后面再谈,接下来回到电视上。

现在我们应该对黑白电视和彩色电视,有了大概的了解,不过它们却有一个很大的缺点,因为它们使用的,都是模拟电视信号(Analog television),这就是为什么还会有数字电视的原因。

3. 模拟电视信号(Analog Television Signal)

模拟电视信号,其实就是电视传播信号的一种方式。在上面我们知道,图像的像素值,通过电磁波广播出去,那图像的像素值,在广播过程中,以什么方式表示呢?

模拟电视信号

这张图是视频载波,经过解调器解调之后得到的复合视频信号。从这张图可以看出,在电磁波传播过程中,颜色信息使用波的属性来描述,比如亮度(Luminance)、色度(Chrominance)、还有颜色值,它们分别用波的相位、振幅来表示,更深入的细节不必深究,不过这种使用相位、振幅来表示信息的方式,就是模拟电视信号。

模拟信号的抗干扰能力很差,而且传输的距离越远,越容易受到噪声的影响,我们小时候看电视经常能够看见雪花点,这就是受到噪声的影响。

4. 数字电视(Digital Television,简称DTV)

数字电视在彩色电视之后不久,就已经研发出来了,但是那时候价格很贵,而且不便捷。因为数字电视,其实和计算机的发展相辅相成,所以直到二十世纪末期,数字电视才开始普及。

数字信号不同于模拟信号,它在传输视频和音频信号的时候,使用的都是数字编码,只用简单的0和1,这样即使是地面广播来发送电视信号,效果也比模拟信号要好得多。而且在数字电视出现之后,电缆开始全面铺开,在家里我们只要通过机顶盒,就可以收看数字电视频道。

5. 数字电视和数字信号

在这里我们要区分这两者,数字电视只是一种电视产品,现在市面上的数字电视几乎都不是真正的数字电视,因为它们没有内置机顶盒,也就是没有数字信号的解码装置。所以无论是模拟电视还是数字电视,只要装上机顶盒,或者装上数字信号转模拟信号的装置,就可以收看数字频道。而在文中所指的数字电视,默认是真正的数字电视。

篇幅原因,剩下的ITU-R 601、ITU-R 709、电视制式放到下篇再讲。

这里还有一个YouTube的视频,可以翻墙的同学可以点进去查看。下载下来的没有字幕,就不贴了。

【视频】模拟电视是如何工作的?

https://youtu.be/r38nVmxBfvM

参考资料(需要翻墙):

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_television

https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_television

https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_television

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