3.1.1 视频信息的数字化表示

早期视频拍摄的和显示系统所处理的都是模拟视频信号。随着计算机、网络传输与视频处理系统的发展，模拟视频信号已经难以满足需求，因此对其进行数字化处理势在必行。

数字视频是在采集过程中通过对模拟视频信号进行采样和量化获得的，其形式为一帧帧连续的图像。与静态图像类似，数字视频中的每幅图像都由呈平面紧密排列的像素矩阵组成，被称之为视频帧。视频中每秒内容所包含的视频帧的数量被称为帧率，单位为 fps（即 frame per second）。在各帧图像质量相近的情况下，帧率越高的视频其播放越流畅，但是体积、码率也会更高。

在视频压缩编码中，图像的颜色空间通常使用Y’CrCb颜色空间，在工程上常用YUV颜色空间指代。在视频帧中，每个像素所占字节数由其采样方式和位深决定。对于位深为8 bit的灰度图像，每个像素只有1个亮度值，因此只占1 Byte（字节）。对于位深为8 bit的彩色图像，采样格式不同，图像像素所占据的空间也不同。

YUV像素格式与采样格式

YUV像素格式的视频帧，其像素使用亮度+色度的方式表示，其中，Y分量表示亮度，U分量和V分量表示色度。亮度分量与色度分量既可以一一对应，也可以对色度分量进行采样，即每个色度分量的数量可以少于亮度分量。在视频压缩编码中，常用的亚像素采样格式有4∶4∶4、4∶2∶2和4∶2∶0（又称作4∶1∶1）等，如图3-1所示。

图3-1

上述三种采样格式的特点如下。

◎ 4∶4∶4格式：每个亮度像素Y均对应一个色度像素U和V，色度分量图的尺寸与亮度分量图相同。

◎ 4∶2∶2格式：每两个亮度像素Y对应一个色度像素U和V，色度分量图的尺寸为亮度分量图的1/2。

◎ 4∶2∶0（4∶1∶1）格式：每四个亮度像素Y对应一个色度像素U和V，色度分量图的尺寸为亮度分量图的1/4。

在YUV像素格式中，使用这种方式的主要原因是人的感官对亮度信息的敏感度远高于对色度信息的敏感度。因此相对于其他像素格式，YUV像素格式的最大优势是可以适当地降低色度分量的采样率，并保证不对图像造成太大影响，而且使用这种方式还可以兼容黑白和彩色显示设备。对于黑白显示设备，只需去除色度分量，显示亮度分量即可，不需要进行像素的转换计算。