本书精辟阐述了数字视频系统工程理论，涵盖了标准清晰度电视（SDTV）、高清晰度电视（HDTV）和压缩系统，并包含了大量的插图。内容主要包括了：基本概念的数字化、采样、量化和过滤，图像采集与显示，SDTV和HDTV编码，彩色视频编码，模拟NTSC和PAL，压缩技术。本书第2版涵盖新兴的压缩系统，包括NTSC、PAL、H.264和VP8 / WebM，增强JPEG，详细的信息编码及MPEG-2系统、数字视频处理中的元数据。适合作为高等院校电子与信息工程、通信工程、计算机、数字媒体等相关专业高年级本科生和研究生的“数字视频技术”课程教材或教学参考书，也可供从事视频开发的工程技师参考。

本书从基本概念、基础理论、实际问题、演播室标准、视频压缩、发行标准6个方面系统阐述了数字视频与高清技术。作者多年从事数字视频与高清技术方面的学术及工程应用研究，书中对基本概念的诠释极为精准，这在同类书籍中较为罕见。本书适合作为高等院校计算机、电子与信息工程、通信工程、数字媒体等相关专业高年级本科生和研究生的“数字视频技术”课程教材或教学参考书，也可作为工程技术人员的参考资料或培训教材。

本书特色
呈现了数字化、采样、量化、伽马、滤波的基本概念。
介绍了基于文件的工作流概念，强调了元数据的新兴领域。
保留了少量但必要的公式，高质量的图示，便于读者理解理论概念。
讨论了新的母带处理中用到的参考显示可观看条件。
介绍了立体（3D）视频相关知识。

作者简介
查尔斯·波因顿（Charles Poynton） 美国电影与电视工程师学会（Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）会士，并于1993年因在计算与通信集成视频技术方面的杰出贡献被授予David　Sarnoff金奖。1981年，他创立了伯顿矢量公司，同年为美国宇航局的约翰逊航天中心设计数字电视处理设备。他还著有《A Technical Introduction to Digital Video》。

自2003年年初本书第1版问世以来，视频技术不断发展，视频和计算机图形学两者进一步地“融合”（Jim Blinn称之为碰撞）。电视正在没落，而计算机技术和网络传输正高奏凯歌。如今，哪怕“TV”这个缩写也是值得怀疑的：在过去的半个世纪中，TV意味着广播，但今天大部分的视频——来自苹果的iTunes商店、Hulu、Netflix、YouTube等——都不是传统意义上的广播。在这一版中，我用SD（标清）和HD（高清）取代SDTV（标清电视）和HDTV（高清电视）。
现在，数字视频无处不在，而图P1所示的模拟扫描已过时。在这一版中，我把像素阵列提高到首要地位。第1版介绍了扫描线，而这一版改用图像行和图像列。这一版删除了微秒，改用样本计数；删除了毫伏，改用像素值。第1版中“巨大的数据容量”等已经被“相当大”或甚至“适中的数据容量”代替。
已经过时。在现代视频和高清中，图像为像素阵列的形式。任何著作若用此类图描述图像的采集或显示，都没有准确地描述数字视频

图P1模拟扫描
在我1996年出版的第一本书《数字视频技术介绍》和本书第1版中，我先介绍编码，然后介绍解码。从工程角度来看，这样的顺序是有道理的。然而，现在我认为这样的顺序里隐藏着一条深深的哲学裂痕。一旦节目素材准备就绪，经过解码并在演播室的参考显示器上播放，同时进行加工，也就是在下行流最终审定播出后，只有解码和显示过程才重要。为了在再次观看时显示一幅逼真的图像而进行图像数据采样和编码还算方便，但在加工时解码并显示图像数据的难度太高。如果创作人员在编码时为了达到某个美学效果而歪曲了颜色，例如，他们将黑电平提升015倍，或将色调旋转123°——经典编码方程便不再适用，但这些图像数据的修改并不是编码出错引起的，而是创作意图运用的结果。传统的观念认为编码过程是固定的，但真正重要的是解码过程才是固定的。我提倡的原则很像MPEG的原则，精确定义了解码器，而只要产生的是合法的位流，编码器被允许做任何事。这一版里我强调解码。第2章作为新的一章，概述了这一哲学观点。
视频技术涉及的领域很广。对于本书重点阐述的图像编码，尤其是视觉科学、色彩学、图像学、信号处理与视频技术之间的关系。
如果别处有关于某一章主题的延伸、权威的信息，那么该章的结尾处会有“延伸阅读”部分。
SMPTE是许多老式标准和现代标准的根源。在本书第1版和第2版相隔出版的时间里，SMPTE弃用了许多历史标准的M后缀，而给标准加上ST前缀（并列使用EG表示工程指南，以及RP表示实践建议）。本书根据新的命名引用近期的SMPTE标准。
来到2012年，我们可以肯定地说，模拟电视技术和复合电视技术已经过时。写作本书第1版时，我把精力集中在我认为不会迅速改变的事情上。然而，第1版中可能有15%或20%的内容介绍了现在会被归类为“老式”的技术，主要是模拟电视和复合电视，以及NTSC和PAL。由于对自己花了数百或数千小时写就的内容难以割舍，我虽然把这部分内容拿掉了，但却将其放在《Composite NTSC and PAL: Legacy Video Systems》书中，在wwwpoyntoncom/CNPLVS/上可免费获得。
据说一本书中每出现一个公式就会让潜在的读者减少一半。对于本书,我希望读者在计算过10个公式之后，数量下降到2-10！本书保留了部分公式，但这些公式一般对于理解概念并非必需。如果你被某个公式吓到了，可跳过它，如果你愿意计算的话，也可以稍后再回来。我希望读者能用Bringhurst建议的关于页面组成原则的数学描述的方法来看待数学公式。在其经典著作《字体风格的要素》的第8章，Bringhurst说道：“数学在此不是强加给任何人的苦差事。相反，它们在此完全是为了娱乐。它们的目的是为了愉悦那些也许是希望把事情做得更好而乐意检验自己正在做的或要做的或已做的事情的读者。那些在任何时候都更喜欢直接行动而把分析留给别人的读者，在本章中也会满足于研究图画而忽略文字。”
在写作本书时，我小心翼翼地避免引入错误。不过，尽管我和我的审稿人尽了最大的努力，但仍可能会有一些错误。就像我的前一本书一样，我将为这本书编写勘误表，并放在wwwpoyntoncom/DVAI2/中。请在此页面报告您发现的任何错误，我将努力订正它并把这归功于你！


Charles Poynton
2012年1月于多伦多

数字视频

本书从基本概念、基础理论、实际问题、演播室标准、视频压缩、发行标准6个大的方面系统阐述了数字视频与高清技术。作者多年从事数字视频与高清技术方面的学术及工程应用研究，书中对基本概念的诠释极为精准，这在同类书籍中较为罕见。本书适合作为高等院校计算机、电子与信息工程、通信工程、数字媒体等相关专业高年级本科生和研究生的“数字视频技术”课程教材或教学参考书，也可作为工程技术人员的参考资料或培训教材。

本书特色：
·呈现了数字化、采样、量化、伽马、滤波的基本概念。
·介绍了基于文件的工作流概念，强调了元数据的新兴领域。
·保留了少量但必要的公式，高质量的图示丰富，生动易懂，便于读者理解理论概念。
·讨论了新的母带处理中用到的参考显示可观看条件。
·介绍了立体（3D）视频相关知识。

[加]查尔斯?波因顿（Charles Poynton）著：
查尔斯·波因顿（Charles Poynton），美国电影与电视工程师学会（SMPTE,Society of Motion Picture and Television Engineers）会士，并在1993年因在计算与通信集成视频技术的杰出贡献被授予David　Sarnoff金奖。1981年，他创立了伯顿矢量公司，同年为美国宇航局的约翰逊航天中心创建数字电视处理设备设计。他还著有《A Technical Introduction to Digital Video》 (Wiley, 1996; ISBN 0-471-12253-X)。

刘开华 褚晶辉 马永涛 吕卫 宫霄霖　等译：暂无简介

图像是人类认识世界并且传递信息的重要技术手段，数字视频就是以数字形式记录的连续图像信息。随着计算机技术和智能设备的快速发展，数字视频与高清技术已经渗透到人们的日常生活、工作和社会生产中。数字视频技术的发展必然会影响人们生活和工作的方方面面，随着科学技术的不断发展，数字视频技术的应用领域将会不断扩大。
本书从基本概念、基础理论、实际问题、演播室标准、视频压缩、发行标准6个大的方面系统阐述了数字视频与高清技术。作者多年从事数字视频与高清技术方面的学术及工程应用研究，在书中对基本概念的诠释极为精准，这使得本书在同类书籍中脱颖而出。希望本书中文版的发行能吸引我国更多的科研人员从事相关的理论研究和系统研制，提高国内学者在数字视频和高清技术方面的基础素养，为将来的创新研究打下基础。
全书由褚晶辉、吕卫、马永涛和宫霄霖共同翻译，全书的译文由刘开华教授统一术语、格式，并进行一致性检查和统稿。在翻译的过程中，译者对原著关于图的细微描述做了删减，对原著的排版格式进行了修改，以适应国内读者的习惯。刘开华教授课题组的研究生薛蒙蒙、付伟、汪忠伟、徐文会、张忍、王晶、沈郭浩、申倩伟、曾亚辉对本书翻译做出很大贡献，在此表示谢意！感谢机械工业出版社积极引进本书，使得本书中文版能够尽快与读者见面。
在本书的翻译过程中，我们力求忠实、准确地表达原著的本意，同时保留原著的写作风格。尽管数字视频与高清技术是译者从事科学研究的重要方向，但由于水平有限，译文中难免存在一些错误和不当之处，敬请广大读者批评指正。
本书适合作为高等院校计算机、电子与信息工程、通信工程、数字媒体等相关专业高年级本科生和研究生的“数字视频技术”课程教材或教学参考书；也可作为工程技术人员的参考资料或培训教材；还可供在视频技术、图像处理与通信、电视工程技术、影视技术、多媒体技术、电影技术等领域从事研究、开发、生产及维护的科技人员阅读、参考。

译者
2017年4月

出版者的话
译者序
前言
致谢
第一部分引言
第1章光栅图像2
11幅型比概念3
12几何4
13图像采样4
14数字化4
141量化5
142一维采样5
143二维采样5
15感知均匀性5
16色彩6
17亮度和色差分量6
18数字图像的表示方法7
19标清和高清8
110方形采样8
111幅型比的比较9
112幅型比9
113帧频11
第2章图像的采样和显示12
21图像状态12
22EOCF标准13
23娱乐节目14
24图像获取14
25面向消费者的视频获取14
26消费类电子显示器15
第3章线性光和感知均匀性16
31对比16
32对比度17
33感知均匀性18
34“编码100”难题和非线性图像编码18
35线性和非线性21
第4章量化22
41线性度22
42分贝22
43噪声、信号和灵敏度23
44量化误差24
45全摆幅24
46演播室摆幅（下余量和上余量）25
47接口偏移量26
48处理编码26
49二进制补码回绕27
第5章对比度和明亮度28
51感知特性28
52显示处理信号的历史28
53数字驱动电平29
54信号和明度之间的关系30
55算法31
56黑色电平设置33
57对比度和明亮度控制的影响33
58交替传译35
59LCD中的明亮度和对比度控制36
510PDP中的明亮度和对比度控制36
511桌面图形的明亮度和对比度控制36
第6章计算中的光栅图像38
61特征图像的描述39
62光栅图像39
621二值图像39
622灰度图像40
623真彩色图像40
624伪彩色图像41
63不同类型之间的转换41
64图像文件42
65计算机图形学中的“分辨率”42
第7章图像结构43
71图像重建43
72采样孔径44
73光斑轮廓45
74“箱”分布46
75高斯分布46
第8章光栅扫描47
81闪烁率、刷新率和帧频47
82扫描简介48
83扫描参数48
84隔行扫描49
85抖动50
86模拟系统中的隔行扫描51
87隔行扫描和逐行扫描51
88扫描表示法52
89运动描绘53
810分段帧（24PsF）53
811视频系统的分类53
812系统之间的转换53
第9章分辨率55
91幅频响应和带宽55
92视觉灵敏度56
93观看距离和角度56
94克尔效应57
95分辨率58
96视频中的分辨率59
97观看距离59
98再谈隔行扫描59
第10章恒定照度61
101恒定照度原理61
102CRT补偿62
103从恒定照度的分离62
104亮度63
105照度转换成色度的“泄露”63
第11章图片渲染66
111环绕效果 66
112色调比例调整66
113渲染合并67
114桌面计算中的图像渲染68
第12章亮度和色度简介69
121亮度69
122照度简述69
123色差编码（色度）69
1231Y′PBPR70
1232Y′CBCR70
1233Y′UV70
1234Y′IQ70
124色度亚采样71
12414∶4∶471
12424∶2∶271
12434∶1∶171
12444∶2∶071
125色度亚采样符号71
126色度亚采样滤波器72
127复合NTSC和PAL的色度73
第13章SD分量介绍74
131扫描标准74
132宽屏（16∶9）SD76
133方形和非方形采样76
134重采样77
第14章复合NTSC和PAL的介绍78
141NTSC和PAL编码78
142NTSC和PAL解码79
143S视频接口80
144频率交织80
145复合模拟SD80
第15章HD介绍81
151HD扫描81
152BT709 HD彩色编码83
第16章视频压缩简介84
161数据压缩84
162图像压缩84
163有损压缩84
164JPEG85
165运动JPEG85
166JPEG 200086
167夹层压缩86
168MPEG87
169图像编码类型（I、P、B）87
1610重排 89
1611MPEG189
1612MPEG289
1613其他MPEG标准90
1614MPEG IMX90
1615MPEG490
1616H26490
1617帧内AVC91
1618WM9、WM10、VC1编解码91
1619CE采样压缩91
1620HDV91
1621AVCHD92
1622IP传输到用户的压缩92
1623VP8（WebM）编解码92
1624狄拉克（基本）92
第17章流和文件93
171历史概述93
172物理层94
173流接口94
174IEEE 1394（火线接口、iLINK）95
175HTTP实时流媒体（HLS）96
第18章元数据97
181元数据例1：CDDA97
182元数据例2：yuv文件98
183元数据例3：RFF98
184元数据例4：JPEG或JFIF99
185元数据例5：序列显示扩展100
186小结102
第19章立体（三维）视频104
191图像获取104
192S3D显示104
193立体电影104
194时间多路复用105
195偏光法105
196波长复用（光谱立体/杜比）106
197裸眼立体显示106
198视差屏障显示106
199立体光栅显示106
1910录制和压缩107
1911用户接口和显示107
1912幻影108
1913聚散度和调节108
第二部分理论
第20章滤波和采样110
201采样定理110
202对频率为05fS的信号进行采样111
203幅频响应112
204矩形函数的幅频响应113
205sinc（·）加权函数114
206点采样的频率响应114
207傅里叶变换对115
208模拟滤波器116
209数字滤波器116
2010冲激响应119
2011有限冲激响应滤波器119
2012滤波器的实际可实现性120
2013相位响应（群延迟）121
2014无限冲激响应滤波器121
2015低通滤波器122
2016数字滤波器设计124
2017信号重构125
2018接近05fS的重构125
2019“(sin x)/x”修正126
延伸阅读127
第21章重采样、插值和抽取128
2112∶1下采样129
212过采样130
213插值131
214拉格朗日插值131
215用于滤波的拉格朗日插值132
216多相插值器133
217多相抽头和相位134
218多相插值器的实现134
219抽取135
2110用于抽取的低通滤波器135
第22章图像数字化与重构136
221空间频域137
222梳状滤波138
223空域滤波139
224图像预采样滤波器139
225图像重构滤波器139
226空间（二维）过采样140
第23章感知和视敏特性142
231视网膜142
232适应性142
233对比灵敏度143
234对比灵敏度函数144
第24章照度和明度146
241辐射度和强度146
242照度147
243相对照度148
244红、绿、蓝的照度148
245亮度（CIE L）148
第25章CIE色度系统151
251视觉的基本原理151
252定义151
253光谱功率分布和三刺激值152
254光谱约束153
255CIE XYZ三刺激值155
256CIE ［x,y］色品156
257黑体辐射157
258色温158
259白光158
2510色彩适应159
2511感知均匀颜色空间160
2512CIE L*u*v*系统160
2513CIE L*a*b*参数（CIE LAB）161
2514CIE L*u*v*和CIE L*a*b*总结162
2515色彩规范和彩色图像编码162
延伸阅读163
第26章视频色彩学164
261加性重建（RGB）164
262RGB基色特性165
263BT709基色166
264老式标清基色167
265sRGB系统168
266SMPTE无标度基色168
267AMPAS ACES基色168
268SMPTE/DCI P3 基色169
269CMF和SPD169
2610归一化和缩放175
2611照度系数175
2612RGB和CIE XYZ之间的转换176
2613矩阵化引入的噪声177
2614RGB系统之间的转换177
2615相机白色基准178
2616显示器白光基准178
2617色域178
2618宽色域重现179
2619自由尺度色域、自由尺度指数179
延伸阅读179
第27章伽马值181
271CRT物理学中的伽马值181
272惊人的巧合182
273视频系统中的伽马校正182
274光电转换函数183
275BT709 OECF184
276SMPTE 240M OECF185
277sRGB传递函数185
278标清的传递函数186
279位深度的需求187
2710现代显示设备中的伽马校正187
2711伽马估计188
2712视频、CGI和Macintosh中的伽马值189
2713计算机图形学中的伽马值191
2714伪彩色中的伽马值192
27158位线性编码的局限192
2716CGI中的线性和非线性编码192
第28章亮度与色差194
281色敏度194
282RGB和R′G′B′彩色立方体194
283传统的亮度、色差编码197
284照度和亮度标记198
285非线性红、绿、蓝（R′G′B′）199
286BT601亮度200
287BT709亮度200
288再论色度亚采样200
289亮度/色差总结200
2810标清和高清亮度的混乱202
2811亮度、色差分量集203
第三部分实际问题
第29章标清分量视频彩色编码206
291标清的B′Y′、R′Y′分量207
292标清的PBPR分量207
293标清的CBCR分量208
294从演播室RGB到Y′CBCR210
295从计算机RGB到Y′CBCR210
296“全摆幅”Y′CBCR 210
297Y′UV、Y′IQ的混淆211
第30章高清分量视频彩色编码213
301BT709高清B′Y′和R′Y′分量213
302BT709高清PBPR分量214
303BT709高清CBCR分量214
304xvYCC的CBCR分量215
305从演播室RGB到Y′CBCR 215
306从计算机RGB到Y′CBCR216
307高清和标清之间的转换216
308彩色编码标准217
第31章视频信号处理218
311边沿处理218
312过渡样值218
313图像行219
314SAL和SPW参数选择 219
315视频电平220
316建立电平（基座）220
317从BT601到计算机领域221
318增强221
319中值滤波 222
3110核心化223
3111色度转换改善223
3112混合与键控223
第32章帧频、场频、行频和采样率225
321场频225
322行频225
323声音副载波225
324添加复合彩色226
325NTSC彩色副载波226
326576i PAL彩色副载波227
3274fSC采样227
328常见的采样率227
329高清扫描的数字学228
3210音频速率229
第33章时间码230
331引言230
332丢弃帧时间码 230
333编辑231
334线性时间码231
335垂直间隔时间码232
336时间码结构232
延伸阅读232
第34章23下拉234
3412332下拉235
342将电影转换到不同的帧频 235
343原生24Hz编码237
344转换到其他帧频237
第35章去隔行239
351空间域239
352垂直时间域240
353运动自适应性241
延伸阅读242
第36章彩条243
361标清彩条243
362标清彩条标记法244
363PLUGE元素244
364使用彩条调整复合解码器244
365标清彩条中的-I、+Q和PLUGE元素245
366高清彩条245
第四部分演播室标准
第37章参考显示器和观看条件248
371简介248
372信号接口248
373参考基色（黑色、白色）248
374参考EOCF248
375参考观看条件249
延伸阅读249
第38章SDI和HDSDI接口250
381分量数字标清接口（BT601）250
382串行数字接口252
383分量数字HDSDI252
384SDI和HDSDI同步、TRS和辅助数据253
3854∶2∶2 SDSDI中的TRS253
386HDSDI中的TRS255
387模拟同步和数字/模拟时序关系255
388辅助数据255
389SDI编码256
3810HDSDI编码257
3811压缩视频接口257
3812SDTI257
3813切换和混合258
3814数字设备的时序258
3815ASI258
3816数字接口总结259
第39章480i分量视频260
391帧频260
392隔行扫描260
393行同步261
394场/帧同步262
395R′G′B′ EOCF和三基色263
396亮度（Y′）263
397图像中心、幅型比和消隐263
398半行消隐264
399数字分量4∶2∶2接口264
3910模拟分量R′G′B′接口265
3911EBU N10模拟分量Y′PBPR接口265
3912行业标准模拟分量Y′PBPR接口266
第40章576i分量视频267
401帧频267
402隔行扫描267
403行同步268
404模拟场/帧同步268
405R′G′B′ EOCF 和三基色270
406亮度（Y′）270
407图像中心、幅型比和消隐270
408数字分量4∶2∶2接口270
409模拟分量576i接口271
第41章1280×720像素高清272
411扫描272
412模拟同步272
413图像中心、幅型比和消隐273
414R′G′B′ EOCF 和三基色273
415亮度（Y′）274
416数字分量4∶2∶2接口274
第42章1920×1080像素高清275
421扫描275
422模拟同步276
423图像中心、幅型比和消隐278
424R′G′B′ EOCF和三基色278
425亮度（Y′）279
426数字分量4∶2∶2接口279
第43章高清录像带280
431D5 HD(HDD5、D15)280
432D6281
433HDCAM(D11)281
434DVCPRO HD(D12) 281
435HDCAM SR(D16) 281
第44章模拟分量高清接口282
第五部分视频压缩
第45章JPEG和MJPEG压缩286
451JPEG块和MCU286
452JPEG框图287
453电平转换288
454离散余弦变换288
455JPEG编码示例288
456JPEG解码290
457压缩率控制290
458JPEG/JFIF291
459MJPEG292
延伸阅读292
第46章DV压缩293
461DV色度亚采样293
462DV帧/场模式294
463DV的穿梭图像295
464DV溢出方案295
465DV量化295
466DV数字接口296
467消费类DV录制297
468专业DV变体297
第47章MPEG2视频压缩298
471MPEG2的类和级298
472图像结构300
473MPEG中的帧频和23下拉301
474亮度和色度采样结构301
475宏块302
476图像编码类型（I、P、B）302
477预测303
478运动向量304
479块编码305
4710帧和场DCT类型305
4711之字形扫描和可变长编码306
4712刷新307
4713运动估计307
4714码率控制和缓冲区管理308
4715位流句法309
4716传输310
延伸阅读310
第48章H264视频压缩311
481算法特性、类和级311
482基本类和扩展类313
483高类313
484层次结构313
485多参考图像314
486宏块条314
487空间帧内预测314
488灵活的运动补偿314
489四分之一像素运动补偿插值314
4810运动补偿预测的加权和偏置315
481116位整数变换315
4812量化器315
4813可变长编码315
4814上下文自适应性316
4815CABAC317
4816去块滤波器317
4817缓冲区控制317
4818可分级视频编码317
4819多视点视频编码318
4820AVCIntra318
延伸阅读318
第49章VP8压缩319
延伸阅读320
第六部分分发标准
第50章MPEG2存储与传输322
501基本流322
502打包的基本流322
503MPEG2节目流322
504MPEG2传送流 323
505系统时钟 323
延伸阅读324
第51章数字电视广播325
511日本325
512美国325
513ATSC调制326
514欧洲327
延伸阅读327
附录A使用YUV和照度是有害的328
附录B辐射测定与光度测定简介332