H264系列二 视频图像分辨率

参考
【标准】混淆的概念:SIF与CIF、4CIF与D1
视频处理中各个分辨率/数字电视系统显示格式 的介绍(QCIF,CIF,4CIF,D1,720P,1080I,1080P等)

《H.264 and MPEG-4 Video Compression》 作者: Iain E. Richardson 译者: 欧阳合 / 韩军

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。

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。

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、……)。

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。

在当时,由于D1采用非压缩复合视频占用的带宽过大,因此后续很快就推出了D2系统。D2系统虽然也采用非压缩复合视频格式,但D2在D1的基础上降低了采样率,做为一种经济型选择和D1一起供用户使用。D1格式直到2003年仍然在使用,后来的许多技术都引入了D1格式,而现代的许多数字视频录像产品也将其作为一种通用格式。在D1格式的基础上,后续还出现了D2、D3、D5/D5 HD等一系列标准,广泛用于美国和日本的电视演播录像、VHS家用录像带等视频录像行业。

四、对比
格式 分辨率 备注
8K 7680x4320 作为国际的8K超高画质电视(SHV)标准,SHV作为超越现行数字电视的“超高精细影像系统”
4K 4096×2160的像素分辨率 它是2K投影机和高清电视分辨率的4倍,属于超高清分辨率
2K 主流2K分辨率为2560x1440 分辨率指屏幕横向像素达到2000以上
D5 1920×1080(水平1080线,逐行扫描) 1080p Full HD全高清格式 行频为67.5KHZ
D4 1280×720(水平720线,逐行扫描) 720P 行频为45kHz
D3 1080i格式(1125i):1920×1080(水平1080线,隔行扫描) 行频为33.75kHz
D2 480P格式(525p):720×480(水平480线,逐行扫描) 较D1隔行扫描要清晰不少,和逐行扫描DVD规格相同,行频为31.5kHz
4CIF或D1 704*576(水平480线,隔行扫描) 行频为15.25kHz
HD1 352*576
DCIF 528*384
2CIF 704*576
CIF 352*288
QCIF 176*144

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:

  • 应用领域不同;
  • 制定的标准化组织不同;
  • 刷新频率(帧率)定义不同;
  • 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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