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入门视频采集与处理(视频分辨率介绍)

2012年11月06日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4270字 ⁄ 字号 评论关闭

    分辨率这个词其实用得很广泛,摄像头有分辨率、照相机有分辨率、显示器有分辨率、打印机也有分辨率,同样,广播电视、数字视频也有分辨率,各个不同的领域对分辨率有着不同的定义,即使同一个领域,对于同一种分辨率的定义也会根据制式的不同而有所不同,例如D1分辨率,到底是720x480还是720x576呢?刚刚开始接触视频采集的人或许会有着很多的困惑,那么,本文就是专注于讲述与广播电视与数字视频相关的分辨率分类,因为做视频采集与处理的涉及的基本属于这一类分辨率。

    本想自己写一篇文章来详细介绍的,看在google上搜了一把,发现有一篇文章已经讲得非常到位,所以,干脆就不自己写了,转载过来吧,网址是:http://www.microjie.com/index.php/professional-knowledge/82-standards-parterns/26-profession-knowledge-sif-cif-d1?showall=1

《混淆的概念:SIF与CIF、4CIF与D1》

  在目前国内监控行业中,涉及视频采集卡、压缩卡、硬盘录像机(DVR)等产品时,经常会遇到诸如SIF、CIF、4CIF、D1等等分辨率标准名词。而在实际上,由于安防行业缺乏行业规范和标准,业内很多名词多来源于其它行业的标准,因此CIF、SIF、D1等几个词不但来源不同,甚至连名词本身都已经被讹以传讹而相互混淆,令人一头雾水。

  若追溯源头来看,安防视频监控行业源于闭路电视(CCTV),因此标准一直沿用的是电视行业的SIF系列标准和录像机行业的D1标准,而在国内安防业内,SIF被讹以传讹成了CIF,D1也经常与4CIF、4SIF等概念混淆。一个典型的现象是,采用CIF和D1做为关键字去搜索视频采集卡、压缩卡、DVR等产品,搜到的几乎都是国内产品及国产外销产品,而用SIF做关键字才能搜到同类的国外产品。下面分别对CIF、SIF及D1三个来源不同的系列标准做简单介绍。

一、CIF

  CIF(Common Intermediate Format,通用媒介格式)也称为FCIF(Full CIF),是一种用于规范YCbCr色差分量视频信号的像素分辨率的标准格式,常用于电信领域的视频会议系统。

  CIF格式是国际电信联盟(ITU)在1990年推出的的H.261视频编码标准(ITU-T H.261)中首次被定义的一种格式标准(后续H.263对CIF系列标准进一步完善),其设计目的是为了便于与电视行业的NTSC和PAL两种视频制式标准对接(【注】SECAM制式与PAL制式差异很小),推动电信领域和电视领域之间的互联互通。

  为了便于和PAL和NTSC两种制式进行转换,由于视频尺寸变换时“缩小”要比“放大”处理起来简单,因此CIF格式定义时采用了最大兼容原则(二者相比取较大者),在分辨率上采用与PAL制的SIF(Source Input Format)格式相同的352×288,在帧率上则采用与NTSC制相同的29.97 fps(30000帧/1001秒),色彩空间编码则采用YCbCr 4:2:0标准。

  QCIF含义为"Quarter CIF",即四分之一CIF的意思,其分辨率的宽和高都是CIF格式的一半;SQCIF含义为"Sub Quarter CIF",其分辨率的宽为CIF的4/11,高为CIF的1/3,像素数为CIF的4/33;类似的格式定义还有4CIF(4×CIF)和16CIF(16×CIF),都是以CIF格式做为基准进行定义。

  CIF格式图像尺寸大小之所以确定为352×288,是因为在H.261定义的视频压缩/解压的算法中,采用了基于宏块(大小为16×16像素)的DCT变换(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换),实际上CIF格式视频的帧是由22×18个宏块组成,因此每一帧图像的像素数为352×288。

  需要注意的是,国际电信联盟(ITU)定义的xCIF系列标准中的所采用的像素都是非正方形像素(像素显示时横纵比为12:11),像素数量横纵比(即存储横纵比)为352:288(即11:9)。因此,当xCIF系列标准视频在正方形像素显示设备(计算器显示器、大部分HDTV高清数字电视)中显示时,需要将画面横向拉长为原来的12/11倍(约为109.1%),分辨率变为384×288(正方形像素),像素数量的横纵比从原来的11:9变为4:3。

  【注】“正方形像素”是一个相当重要的概念,涉及到视频的采集、编码/解码、传输、存储、显示整个过程,关于此概念的详细讲解可参见《关于“正方形像素”》一文。

格式标准 分辨率(非正方形像素) 分辨率(正方形像素) 标准帧率(帧/秒)
QCIF 176 × 144 192 × 144 29.97 fps
CIF(FCIF) 352 × 288 384 × 288 29.97 fps
4CIF 704 × 576 768 × 576 29.97 fps
16CIF 1408 × 1152 1536 × 1152 29.97 fps

二、SIF

  动态图像专家组(MPEG)在1992年推出的MPEG-1标准中首次定义了SIF(Source Input Format,源输入格式), SIF是一种用于数字视频的存储和传输的视频格式,常用于VCD(MPEG-1视频编码)、DVD(MPEG-2的视频编码)和某些视频会议系统中。

  由于SIF系列标准主要应用电视行业,因此SIF标准格式分为SIF-525(NTSC制式)和SIF-625(PAL制式和SECAM制式)两种:

(1)525@59.94Hz 的SIF格式(SIF-525)用于NTSC制式中,其分辨率为352×240像素,刷新频率(帧率)为29.97fps(帧/秒)

(2)625@50Hz的SIF格式(SIF-625)用于PAL制式和SECAM制式中,其分辨率为352×288像素,刷新频率(帧率)为25fps(帧/秒)

    其中SIF-525和SIF-625两种格式都属于非隔行(逐行)标准,此外SIF还有一种隔行版本被称为SIF-I。

  SIF格式视频流也被称为MPEG-1 CPB(constrained parameters bitstream,约束参数码流)。与国际电信联盟(ITU)定义的CCIR 601(又名ITU-R BT.601/Rec.601)电视信号数字编码标准相比,SIF可以看为CCIR 601格式在帧长、帧宽、帧率和色度上均减半的标准。

  动态图像专家组(MPEG)在定义SIF(Source Input Format)格式标准时参照了国际电信联盟(ITU)定义的CIF格式标准,因此SIF标准格式几乎与CIF标准格式相同,两者的区别在于:SIF格式在NTSC制式(525-line)下为352×240@29.97fps,在PAL/SECAM制式(625-line)下为352×288@25fps;而CIF格式则无制式之分,标准格式固定为352×288@29.97fps(在H.263中帧率标准扩展支持7.49fps、14.99fps、59.94fps等值)。

  由于计算机行业广泛采用正方形像素,因此在计算机行业里SIF格式(正方形像素版本)被定义为:分辨率为320×240(相当于计算机行业的QVGA标准)或者384×288像素,帧率则可以是计算机支持的任意刷新频率(60Hz、75Hz、85Hz、……)。

  【注】“正方形像素”概念同上,详细讲解可参见http://www.microjie.com/index.php/professional-knowledge/82-standards-parterns。

格式标准 分辨率(非正方形像素) 分辨率(正方形像素) 标准帧率(帧/秒)
SIF@NTSC制式 352 × 240 320 × 240 29.97 fps
SIF@PAL/SECAM制式 352 × 288 384 × 288 25 fps
4SIF@NTSC制式 704 × 480 640 × 480 29.97 fps
4SIF@PAL/SECAM制式 704 × 576 768 × 576 25 fps

 

三、D1(又称为D-1、Sony's D1)

  D1是一种专业数字视频格式标准,主要应用于数字广播电视和录像行业。D1标准的产生在CIF和SIF标准之前,早于20世纪80年代就在Sony(索尼)和Bosch-BTS(博世-BTS)公司的DVR(数字录像机)产品中被首次使用。1986年,在电影电视工程师协会(SMPTE)工程师委员会的努力下,D1被采用为SMPTE标准,主要在DVTR(数字磁带录像机)产品中使用,是视频录像行业中的第一种主流格式。

  D1采用非压缩数字复合视频,颜色编码采用CCIR 601(于1981年定义)的YCbCr 4:2:2格式,音频采用PCM格式;音频和视频被同步存储在19mm(3/4")的盒式录像带上,D1录像带最大存储时间为94分钟。D1的分辨率在NTSC制式下定义为720×486(非正方形像素),在PAL/SECAM制式下为720×576(非正方形像素)。早期的D1系统复杂且操作困难,虽然后来迅速稳定下来,但就当时(1986年)来说,D1以其华丽的画质(相当于后来的SD,即标准清晰度画质)、价格的昂贵、配置要求高、升级成本高等因素而著称。

格式标准 分辨率(非正方形像素) 分辨率(正方形像素) 标准帧率(帧/秒)
D1@NTSC制式 720 × 486 720 × 540 29.97 fps
D1@PAL/SECAM制式 720 × 576 768 × 576 25 fps

四、CIF、SIF、D1三种系列标准对比

格式标准 标准化时间 标准化组织 应用领域
D1 1986年 电影电视工程师协会(SMPTE) 广播电视、电影、录像领域
CIF 1990年 国际电信联盟(ITU) 电信、网络视频领域
SIF 1992年 动态图像专家组(MPEG) 多媒体领域(影视、VCD、DVD等)

    在实际应用中,最容易混淆的三种格式为4CIF、PAL制式的4SIF,以及PAL制式的D1,这三种格式的主要区别如下:

(1)应用领域不同;

(2)制定的标准化组织不同;

(3)刷新频率(帧率)定义不同;

(4)在非正方形像素模式下分辨率不同。

格式标准 分辨率(非正方形像素) 分辨率(正方形像素) 标准帧率(帧/秒)
4CIF 704 × 576 768 × 576 29.97 fps
4SIF@PAL/SECAM制式 704 × 576 768 × 576 25 fps
D1@PAL/SECAM制式 720 × 576 768 × 576 25 fps

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