影院发烧之---视频知识大恶补~~4:2:0 PK 4:1:1

blue7

这个测试是我很早做的一个视频编码测试(发表在www.chinadv.com专业论坛上,偶老巢[s:14]),主要对比广播级4:2:2(我们电视播出母带的采样)和DV/dvcam格式 4:2:0以及DVCPRO 4:1:1的区别.
可能会有点难懂,但是有直观图片做比较,相信各位能够比较直观的了解编码不同造成的图象质量差异.
这里面大家要记住的是我们的DVD采用的就是4:2:0的采样,所以您看见4:2:0,就相当于DVD的质量(应该说还要差一点)

[ 本帖最后由 blue7 于 2006-11-12 22:25 编辑 ]

blue7

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一直以来,我们把25M码率的格式.(dv dvcam dvcpro)统称为DV格式


他们之间的区别不同在于亮度:色度:的采样方式略有不同


不同就是DV Pro的PAL制和NTSC制的YUV采样都是411，而DV/DVCAM的PAL制式为YUV420,NTSC为411。

理论上讲,这3个格式的图象质量应该是一样的.

但是,这两天的实验发现,他们是有区别的!!!!


所以本贴我们来讨论下这个问题,首先我们来温习基本常识

DV的含义
DV= Digital Video, digital是相对于analog而言的，比如家用VHS录象技术和Laser Disc( LD唱盘)是模拟的，VCD和DVD就是数字的。从这个意义上说，PC上的视频处理都是数字的了。

DV= Digital Video format, 是由索尼，松下，JVC, 夏普，东芝等多家厂商联合提出的一种家用数字视频格式。所谓的DV摄象机就是以这种格式记录视频数据的。

DV的基本指标：
码率 25 Mbits/s
720x576, 25fps (PAL), 720x480 29.97 fps (NTSC)
YUV 4:2:0 (PAL), YUV 4:1:1 (NTSC)
音频 48KHz, 16bit 立体声，优于CD质量

DV格式和MJPEG/MPEG有什么相同和不同

DV的核心压缩算法和JPEG/MPEG一样,是离散余弦变换(DCT)和商编码.
与MPEG不同的是,DV没有采用帧间压缩算法(运动补偿),只是在每一帧内进行压缩，这样，可以具有精确到帧的可编辑性。

DV与JPEG(MJPEG)不同的是, DV在同一帧的两个field之间作了场间压缩的运算,使码率分配得到局部优化,从而得到比MJPEG较高的压缩比.DV的压缩比是5:1, 质量相当于MJPEG的3:1压缩.可以参考DV vs MJPEG compression。


--资料取自 http://www.adamwilt.com/DV-FAQ-tech.html

[ 本帖最后由 blue7 于 2006-11-12 20:27 编辑 ]

blue7

DV的质量: -- 比格式，不比产品



以10为最高,可以看到DV的质量已经比常用的专业betacam sp还要略胜一筹了.当然,这里比较的只是格式质量,器材质量要考虑光学系统,电路系统的质量.

DV的码率和存储 -- 我需要多大的硬盘？



什么是 type1/type2 DV?

这是Microsoft对dv avi文件定义的两种格式. type 1是基于微软的direct show, 文件中视频和音频数据是同一个数据流"ivas" (interleaved video & audio stream), type 2 是基于老的video for windows技术, 文件中视频和音频分别在两个数据流中: vids (video stream)和auds(audio stream), 其实在type2中的vids中,也包含有audio数据,type2实际上重复存储了这部分数据,因此,type2 avi文件比type 1 avi文件稍微大一些。

桌面视频一直是基于video for windows技术的，type2 DV avi 采用VFW格式存储，所以兼容性比较好一些，多数视频软件都可以处理。type 1 DV在2000年以前得到的支持有限，比如premiere5.1就不能支持type 1 DV AVI。最早支持type 1 DV的是ulead的media studio pro6和video studio 3 DV版。 到现在随着Directshow技术的推广，type 1 DV的支持也越来越好，现在premiere 6也可以支持type 1 DV。

[ 本帖最后由 blue7 于 2006-11-12 20:31 编辑 ]

blue7

上面内容大家看不明白可以不管,下面的内容比较重要~~~

DV 与 DVCAM/DVPRO

DV主要是针对家用的,DVCAM和DVPRO是针对专业的. 其中DVCAM有sony支持,DVPRO有松下/日立支持. 这3种格式没有大的区别,压缩算法和质量都是基本相同的,不同点主要在于磁带上存储信号的方式不一样.DVCAM为了提高可靠性,磁迹间隙比较大,所以1样长的磁带,DVCAM的录制时间要短.大约是60分钟的DV带可以录45分钟DVCAM.另外一点不同就是DV Pro的PAL制和NTSC制的YUV采样都是411，而DV/DVCAM的PAL制式为YUV420,NTSC为411。

YUV (YCrCb)和4:2:2, 4:1:1, 4:2:0

是指亮度信号Y和红/蓝色差信号的抽样格式. 在dv中, ntsc是4:1:1, pal采用4:2:0. 注意, 4:2:0并非蓝色差信号采样为0,而是和4:1:1相比,在水平方向上提高1倍色差采样频率,在垂直方向上以Cr/Cb间隔的方式减小一半色差采样.如下图所示(这一张图很重要,详细解释了画面采样的方法)。

我来解释下:黑色部分代表画面亮度信号的采样,这个亮度信号就是我们分量信号中的Y信号,这个信号实际上是个黑白画面,它决定了画面的灰度层次和所有的画面细节!它决定整个画面的分辨率!所以在电视应用中,这部分是绝对不允许丢失的.!
红和蓝就是我们的Y/R Y/B,也就是色度信息,因为人眼睛对亮度信号最敏感,而对色度信号相对较不不敏感,所以,视频压缩都在这里下文章~~~
大家可以看见,4:2:0其实就是横向阁2个像素采样,竖向隔4个象素采样........4:1:1大家看了就明白了.
这么采样的作用就是减少数据量,压缩文件大小~~~~



4:2:0并非蓝色差信号采样为0,而是和4:1:1相比,在水平方向上提高1倍色差采样频率,在垂直方向上以Cr/Cb间隔的方式减小一半色差采样."


这一句话是关键内容,因为他将决定图象的质量差异.
好,我们来作个实验,看看垂直和水平的区别在哪里.

[ 本帖最后由 blue7 于 2006-11-12 20:41 编辑 ]

blue7

下面是我制作的一个视频画面,同样的一个素材调入AE进行运算.这个是原始图.



下面这个是已经转换成4:2:0的dvcam格式. (默认canopus的DV格式就是这样的编码)


下面我们如果想用4:1:1来编码,就这样设置,


经过运算得到下面这个4:1:1的画面

blue7

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上面这几个图单独是看不出什么问题来的,我现在将他们放在一起,切换来看:
大家注意看红色部分的锯齿~~




通过对比,我们能明显分辨出水平采样和垂直采样的区别

blue7

我们把上面的2个图对比一下就发现了,dvcpro的格式的垂直采样,效果要明显好于DVCAM的水平采样,我分析原因,其实利用了人眼对垂直方向的不敏感性,用一样的数据率,达到了更好效果.所以,经过比较,本人认为在25M的格式里面,dvcpro 4:1:1垂直采样的图象质量,要好过DVCAM/DV的4:2:0.(对PAL 制式而言).

说到这里,我要说的是,为什么大家看的DVD好象不太有这么严重的情况呢??
因为NTSC的DV是4:1:1采样的,所以这个问题就不严重了~~,因此从理论分析,任何片子,转换成PAL的DVD,那图象色度信号降低要大过NTSC.........大家明白了么?

epos

好文，请再给我们详细讲解一下目前视频器材调整中经常遇到的该选择4:4:4还是4:2:2的问题。

blue7

原帖由 epos 于 2006-11-12 21:04 发表
好文，请再给我们详细讲解一下目前视频器材调整中经常遇到的该选择4:4:4还是4:2:2的问题。

理论上,如果直接数字输出,那么当然是4:4:4 全色域最好~~一旦选择4:2:2,就必然进行转换.

画个流程图:
1:DVD(4:2:0)---------读取--------解码---------4:2:0原始编码--------------解算成全色域RGB(也就是电脑的)4:4:4--------给显示器RGB通道
2:DVD(4:2:0)---------读取--------解码---------4:2:0原始编码--------------解算成YUV(也就分量色差)4:4:4--------给显示器---解算出RGB---显示器RGB      (此间经过2次解算)
3:DVD(4:2:0)---------读取--------解码---------4:2:0原始编码--------------解算成YUV(也就分量色差)4:4:4---------再次编码为YUV 4:2:2--------给显示器---解算出RGB---显示器RGB   (此间经过3次解算)--------注--也有直接将4:2:0转换成4:2:2的处理,这样少一道过程

以上三个步骤就可以看出,输出全色域RGB是最一步到位的方法,也有公式可算
下面为参考~~
  
非压缩yuv2格式:
     yuv2
    编码为4字节包，每包代表同一扫描线上的两个相邻点。
    4字节顺序为:
     y0 u y1 v
    y0为左点的luminance值; y1为右点的luminance值.
    u和v为两个点共享的chromatic值。
    与RGB的转换公式：
    红=1.402 * v + y + 0.5
    绿=y - 0.7143 * v -0.3437 * u + 0.5
    蓝=1.77 * u + y +0.5
    红绿蓝取值均为0-255范围。

blue7

当中大家要明确RGB全色域和YUV无压缩4:4:4的区别.
RGB全色域是电脑的显示方式,三个通道同时显示,而YUV无压缩4:4:4还是电视的编码格式,亮度 色度 色相分开传输
如果你的显示设备没有全RGB输入方式,只有色差输入那么肯定是要选择YUV输出的.否则画面也会出问题~~~

epos

原帖由 blue7 于 2006-11-12 21:22 发表


理论上,如果直接数字输出,那么当然是4:4:4 全色域最好~~一旦选择4:2:2,就必然进行转换.

画个流程图:
1:DVD(4:2:0)---------读取--------解码---------4:2:0原始编码--------------解算成全色域RGB(也就是 ...

谢谢解惑！
我也认为是4:4:4 全色域最好的，但是在一次的调试过程中将器材设置为4:4:4 全色域时，图像却出现了灰阶和色彩断层现象，改设为4:2:2时情况就得以改善，是否因HDMI电缆的传输码率不够引起的？

节目源：MARANTZ DV-9600
投影机：SIM2 C3PRO（3DLP 720P机型)
连接方式：HDMI

清怡轩主

7版够专业，强......[s:20][s:20][s:20]

blue7

原帖由 epos 于 2006-11-12 21:45 发表

谢谢解惑！
我也认为是4:4:4 全色域最好的，但是在一次的调试过程中将器材设置为4:4:4 全色域时，图像却出现了灰阶和色彩断层现象，改设为4:2:2时情况就得以改善，是否因HDMI电缆的传输码率不够引起的？

节 ...

YUV传输的一个优点就是三个信号中,只要Y 信号保存的较好,那么基本上画面影响不大,劣化的只是色度部分,而RGB三色必须保持一致,任何一个环节出问题都会造成亮度信号丢失,也就是会出现灰阶~~~~

blue7

说实话,我对HDMI的线是有疑问的,因为这个线普遍比以前的线材细小但是传输的居然是高清无压缩信号,很明显,我们都知道,同样的传输,线材越粗越好,所以这么细的信号线长距离传输,我是很怀疑的~~~~
我们专业上用HD-SDI传输的同轴信号线,起码要达到-5的标准,-5 的线已经很粗了~~~,而真正标准的-6 高清信号线则还要粗上一圈~~~,而且还只能传输4:2:2无压缩1920x1080的信号,如果要4:4:4的HD信号,必须2根同轴电缆双连接才行~~~~~
所以.......哎,我看HDMI是对线材提出了更高的要求了~~~~~~

epos

是的，目前质量最好的HDMI线在传输1080P信号时号称能达到15米，再远的距离就会引起图像质量下降了，有些大型视听室中，投影机到信号源的距离往往有二三十米甚至更远，传输电缆的选择确实是个比较严重的问题，PCOM G7000 DVI线的做法是比较理想的，数字信号先在DVI头里进行电光转换，然后通过光纤传输，最后又进行光电转换，制造商号称该产品保证在500米范围内传输质量不受影响，但目前市面上还没出现 HDMI的类似产品，估计在破解HTCP保护协议中遇上了瓶颈。