图像采样与颜色空间的基本概念

4.2　图像采样与颜色空间的基本概念

我们知道一个自然的世界是由多个有各自特征形状、深度、纹理和亮度的物体所组成的。一个与视频处理有关的典型自然视频场景包括空间特性（物体的形状、数目、纹理、颜色等）和时间特征（物体的运动、视点的移动变化、亮度的变化等）。而自然视频场景在空间和时间上都是连续的，因此只要对自然场景的空间特征和时间特征采样我们就可以用数字的方式来表示一个视频的场景。数字视频就是在数字的形式下的一个视频场景的采样的表示。每一个时-空采样（像素）可用一个数或者是一组数来表示采样点的亮度和色度。

摄像头用于把一个视频的场景投影到传感器上，比如一组电荷耦合装置（CCD）。在带色的视频采集中，每一个颜色成员都被过滤并投影到一组CCD中。在空间采样中，一组CCD的输出就是一个模拟的视频信号，一组可以表示视频图像的电信号。在一个时间点上采样就形成了一个有定值的采样点图像帧。最常用的方式就是把采样点置于一个正方形或者长方形格中进行操作，然后对每个格点处的点进行采样。因此一个粗糙的采样格只能得到一个低分辨率的采样图像，而增加采样点的数量会增加采样图像的分辨率。在时间采样中，一个运动的视频图像是通过对信号在周期性的时间间隔上进行采样得到的。重放这一列的图像帧就得到一个运动的效果。一个高的时间采样率会产生更加平滑的运动，但它要求有更多的采样被捕获和处理。大多数字视频程序都依赖于彩色视频的显示，因此需要一个来表示颜色空间的方法。一个单色的图像只需要一个空间内表示一个像素点的亮度的值就可以了，但对彩色图像来说，对于一个像素至少需要三个数来把颜色信息准确地表示出来。用来表示亮度和颜色的方法叫颜色空间。在常用的表示方法中有RGB和YCbCr。在RGB表示的颜色空间中，一个图像的采样是用三个值来表示一个像素点相对的红、绿和蓝色比。任何颜色都可以通过红、绿和蓝来通过不同的比例相混合而得到。RGB颜色空间更加适合于捕获并显示彩色图像。但由于人类的视觉系统对亮度的敏感度大于颜色，而在RGB颜色空间中，三种颜色是被平等的看待的，并用相同的分辨率存放起来。基于RGB颜色空间的相对缺点而提出的YCbCr颜色空间是通过把亮度和颜色信息分离，并对亮度值取更高分辨率可以更有效的表示一幅彩色图像。由于这两种颜色空间的表示方式在视频类项目中经常用到，我们接下来具体讨论各种YCbCr和RGB以及YCbCr自身各种格式之间的转换问题。

YCbCr颜色空间是一种常用的表示颜色图像的方法。Y表示亮度，由R、G、B的加权平均可以得到，颜色信号可以由不同颜色的差别来表示，因此它们之间的转换关系如下：

Y＝krR＋kgG＋kbB

Cb＝B－Y

Cr＝R－Y

Cg＝G－Y

这里k是加权因子。对一个颜色图像的完整描述由给定的Y和三个色差：Cb、Cr、Cg来表示，但到目前为止，这种表示方法好像并不好，因为相比RGB来说，我们用了四个参数才表示一个像素。但我们知道Cb＋Cr＋Cg是个常数，那么我们只需要两个色度参数就可以了，另一个参数可以通过其他两个参数计算出来。在YCbCr空间中，只有Y和Cb、Cr的值被传输和存储，而且Cb和Cr的分辨率可以比Y低，因为人类的视觉系统相对于色度来说对亮度更加敏感。这就减少了表示图像的数据量。在一般的情况下，RGB和YCbCr表示的图像看上去没有什么不同。对于色度采用比亮度低的分辨率进行采样是一种最简单的压缩方法。

RGB和YUV之间的转换参数在ITU－R的BT.601决议中定义了kb＝ 0.114，kr＝0.299，那么代入上述公式就有了如下的等式：

Y＝0.299R＋0.587G＋0.114B Cb＝0.564（B－Y）

Cr＝0.713（R－Y）

R＝Y＋1.402Cr

G＝Y－0.344Cb－0.714Cr

B＝Y＋1.772Cb

有了上面的知识我们接下来讨论YCbCr的格式问题，在对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法：一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号（Y）和色差信号（Cr、Cb）进行采样，另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度，这样做是利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通过选择合适的颜色模型，可以使两个色差信号所占的带宽明显低于Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。

目前使用的子采样格式有如下几种：

①4∶4∶4这种采样格式不是子采样格式，它是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本，这就相当于每个像素用3个样本表示。

②4∶2∶2这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本，平均每个像素用2个样本表示。

③4∶1∶1这种子采样格式是指在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。

④4∶2∶0这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每2个连续的采样点上取2个亮度Y样本、1个红色差Cr样本和1个蓝色差Cb样本，平均每个像素用1.5个样本表示。