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1、1第四章、视频处理技术数字视频信息是多媒体元素中信息携带最丰富、表现能力最强的一种多媒体元素。在多媒体技术中，视频信息的获取和处理具有举足轻重的地位，视频处理技术在现在和将来都是多媒体技术研究和应用的一个热点。一、视频基本概念一、视频基本概念就其实质而言，视频是一组连续变化的图像画面。所以，视频也称之为运动图像。根据视觉暂留原理，连续的图像以超过一定的速度变化时，人眼就无法辨别单独静止的图像画面，而形成平滑连续的视觉效果。图像与视频是两个既有联系又有区别的概念：静止的称为图像、运动的称为视频，视频中每帧单独画面形成一幅数字图像，而连续的图像序列又形成了视频，所以，图像就是离散的视频，视频就是连
2、续的图像。除此以外，视频中还包括声音内容。1、模拟视频和数字视频模拟视频是一种用于传输图像和声音且随时间连续变化的电信号。早期视频的获取、存储和传输都是采用模拟方式，所用的存储介质、处理设备以及传输网络都是模拟的。人们在电视上所见到的视频图像就是以模拟电信号的形式来记录的，井由模拟调幅的手段在空间传播，再用磁带录像机将其模拟信号记录在磁带上。模拟视频具有以下特点：以连续的模拟信号的形式来记录；使用磁带录像机以模拟信号记录在磁带上。依靠模拟调幅的手段在空间传播：传统的视频都以模拟方式进行存储和处理，不适于网络传输，其信号在处理与传送时会有一定的衰减，并且不便于分类、检索和编辑。数字视频是以离散的
3、数字信号表示、存储、处理和传输的视频信息，所用的存储介质、处理设备以及传输网络都是数字的。例如，采用数字摄像设备直接拍摄的视频画面，通过数字宽带网络（光纤网、数字卫星网）传输，使用数字设备（数字电视接收机或模拟电视+机顶盒）接受播放，用数字存储设备（如光盘、磁盘、数字磁带）等存储。数字视频具有以下特点：以离散的数字信号的形式来记录；2使用数字存储媒体存储视频信息；用数字化设备编辑通过数字化宽带网络传播；多媒体技术中的数字视频，主要指以多媒体计算机为核心的数字视频处理体系。要使多媒体计算机能够对视频进行处理，除了直接拍摄数字视频信息外，还必须把来自模拟视频源模拟摄像机、录像机、影碟机等设备的模拟
4、视频信号转换成计算机要求的数字视频形式。与模拟视频相比，数字视频还具有以下优点：1）便于计算机编辑处理。数字视频信号可以在多媒体计算机中进行采集、编码、存储、处理，很容易进行创造性地编辑与合成，进行各种特技效果的处理。2）再现性好。模拟信号由于是连续变化的，所以不管复制时采用的精确度多高，失真总是不可避免的，经过多次复制以后，失真现象就更明显。数字视频可以不失真地进行无限次拷贝，它不会因存储、传输和复制而产生图像质量的变化，因而能够准确地再现图像。3）适合于网络应用。在网络环境中。数字视频信息可以很方便地实现资源的共享和传输。通过网络链路，数字视频可以很方便地从一个地方传到另一个地方，且支持不
5、同的访问方式（点播、广播）视频数字信号可以长距离传输而不会产生任何衰减。数字视频的缺陷是数据量巨大，因而需要进行适当的数据才能适合进行处理和传输，这样在处理和传输的过程中都要进行压缩和解压缩的处理，从而影响处理速度。显示设备采用显示设备采用 DVI 接口具有主要有以下两大优点：接口具有主要有以下两大优点：一、速度快一、速度快DVI 传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减少了数字少了数字模拟模拟数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使
6、数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使用用 DVI 进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。二、画面清晰二、画面清晰计算机内部传输的是二进制的数字信号，使用计算机内部传输的是二进制的数字信号，使用 VGA 接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过显接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过显卡中的卡中的 D/A（数字（数字/模拟）转换器转变为模拟）转换器转变为 R、G、B 三原色信号和行、场同步信号，这些信号通过模拟信号线三原色信号和行、场同步信号，这些信号通过模拟信号线传输到液晶内部还需要相应的传输
7、到液晶内部还需要相应的 A/D（模拟（模拟/数字）转换器将模拟信号再一次转变成数字信号才能在液晶上显数字）转换器将模拟信号再一次转变成数字信号才能在液晶上显3示出图像来。在上述的示出图像来。在上述的 D/A、A/D 转换和信号传输过程中不可避免会出现信号的损失和受到干扰，导致图像转换和信号传输过程中不可避免会出现信号的损失和受到干扰，导致图像出现失真甚至显示错误，而出现失真甚至显示错误，而 DVI 接口无需进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰度和细节表现接口无需进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高。力都得到了大大提高。最后，最后，DVI 接口可以支
8、持接口可以支持 HDCP 协议，为将来看带版权的高清视频打下基础。不过要想让显卡支持协议，为将来看带版权的高清视频打下基础。不过要想让显卡支持HDCP，光有，光有 DVI 接口是不行的，需要加装专用的芯片，还要交纳不斐的接口是不行的，需要加装专用的芯片，还要交纳不斐的 HDCP 认证费，因此目前真正支认证费，因此目前真正支持持 HDCP 协议的显卡还不多。协议的显卡还不多。HDMI 的英文全称是的英文全称是“High Definition Multimedia” ，中文的意思是高清晰度多媒体接口。，中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI 接接口可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时
9、无需在信号传送前进行数口可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模模或者模/数转换，可以数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。应用保证最高质量的影音信号传送。应用 HDMI 的好处是：只需要一条的好处是：只需要一条 HDMI 线，便可以同时传送影音信号，线，便可以同时传送影音信号，而不像现在需要多条线材来连接；同时，由于无线进行数而不像现在需要多条线材来连接；同时，由于无线进行数/模或者模模或者模/数转换，能取得更高的音频和视频传输数转换，能取得更高的音频和视频传输质量。对消费者而言，质量。对消费者而言，HDMI 技术不仅能提供清晰的画质，而且由于音频技
10、术不仅能提供清晰的画质，而且由于音频/视频采用同一电缆视频采用同一电缆 ，大大简化了，大大简化了家庭影院系统的安装。家庭影院系统的安装。2、电视信号制式电视信号是视频处理的重要信息源，各国的电视有不同的标准，标准也就是电视的制式。目前各国的电视制式不尽相同，不同制式之间的主要区别在于不同的刷新速度、颜色编码系统和传送频率等。目前世界上常用的电视制式有中国、欧洲使用的 PAL 制，美国、日本使用的 NTSC 制及法国等国所使用的 SECAM 制。1） NTSC 制NTSC ( National Television Standard Committee）是美国国家电视系统委员会在 1953 年制
11、定的一种兼容的彩色电视制式，是目前常用的视频标准，在美国、日本和其他国家广为使用。它定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩的处理方式、屏幕的扫描频率。例如 NTSC 制规定水平扫描线有 525 条，以每秒 30 帧速率传送。每一帧画面由两次扫描完成每一次扫描画出一个场（需要 l60s ) ，两个场构成一帧。2 ）PAI 制PAI 制（Phase Alternate Lock）是联邦德国 1962 年制定的一种兼容电视制式。意为“相位逐行交变” ，我国和大部分西欧国家使用这种制式。PAL 制式将水平扫描线提高到625 行，但是扫描速率降到了每秒 25 帧，也是隔行扫瞄，每场需要 1
12、/50 秒。3）SECAM 制SECAM 制(Sequential Color and Memory）称为顺序传送彩色与存储，该标准主要用于法国、俄罗斯及东欧以及中东一些国家。43、帧视频是由一系列单独的图像组成的，每一幅单独的图像称之为一“帧”。因为人脑可以暂时保留单独的图像，当把单独的每帧图像连续放映，就会产生动态的回面效果。连续播放速率为 24 帧每秒时，就会产生平滑和连续的效果。帧速率是描述视频信号的一个重要概念。电影是 24 帧/秒，PAL 制式电视系统，其帧速率为 25 帧/秒，NTSC 制式电视系统，帧速率为 30 帧秒。4、隔行扫描和逐行扫描在电视台发射的信号中，每帧图像都是逐
13、行“画”成的，技术术语叫做“扫描”。在电视技术中，扫描就是电子束在荧光屏上做扫描运动。通常将电视从左至右的一次扫描成为扫描了一线，而将一幅完整画面所需要完成的所有扫描次数称为线数。扫描有两种方式，一种是隔行扫描，一种是逐行扫描。隔行扫描指显示屏在显示一幅图像时，先扫描奇数行，全部完成奇数行扫描后再扫描偶数行，因此每幅图像需扫描两次才能完成，隔行扫描的缺点是画面有轻微的闪烁感，但隔行扫描能节省频带，硬件实现比较简单。逐行扫描是指显示屏显示图像进行扫描时，从屏幕左上角的第一行开始逐行进行，整个图像扫描一次完成。因此图像显示画面闪烁小，显示效果好。显示器大都采用逐行扫描方式。二、模拟视频的数字化要让
14、计算机处理视频信息，首先要解决的是将模拟视频信号转换为数字视频信号。与音频信号数字化类似，计算机也要对输入的模拟视频信号进行采样与量化，并编码使其变成数字化信号。1、视频采样模拟视频的数字化包括不少技术问题，如电视信号具有不同的制式而且采用复合的YUV 信号方式，而计算机工作在 RGB 空间；电视机是隔行扫描，计算机显示器大多逐行扫描；电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同，等等。因此，模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。模拟视频的数字化一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到 YUV。然后用三个模数转换器对三个分量分别进行数字化
15、，最后再转换成 RGB 空间。有两种采样方法，一种是使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号，这样可以保持较高的图像质量，但会产生巨大的数据量；另一种是对亮度信号和色差信号采用不同的5采用频率进行采用（通常是色差信号的采样频率低于亮度信号的采样频率） ，这样采样可以减少采样数据量，是实现数字视频压缩的一种有效途径。视频采样的基本原理是依据人的视觉系统所具有的两个特性：一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人觉察不到。用 Y：U：V 来表示 Y、U、V 三个分量的采样比例，数字视频常用的采样格式有4：4：4，4：2：2，4：1
16、：1，4：2：0 四种。实验表明，使用这些采样格式，人的视觉系统对采样前后显示的图像质量不会感到有明显差异。1图6-3 三种采样格式的采样空间位置图示1）4：4：4 采样格式这种采样格式指在每条扫描线上每 4 个连续采样点取 4 个亮度 Y 样本、4 个红色差 Cr样本和 4 个蓝色差 Cb样本，这种采样相当于每个像素用三个样本表示，因而也成为“全采样” 。2）4：2：2 采样格式这种采样格式指在每条扫描线上每 4 个连续采样点取 4 个亮度 Y 样本、2 个红色差 Cr样本和 2 个蓝色差 Cb样本，这种采样平均每个像素用 2 个样本表示。3）4：1：1 采样格式这种采样格式指在每条扫描线上每 4 个连续采样点取 4 个亮度 Y 样本、1 个红色差 Cr样本和 1 个蓝色差 Cb样本，这种采样平均每个像素用 1.5 个样本表示。4）4：2：0 采样格式这种采样格式在采样位置上与以上几种有所不同，它指水平和垂直两个方向上每 2 个连续的（共 4 个）采样点上各取 2 个亮度 Y 样本、1 个红色差 Cr样本和 1 个蓝色差 Cb样本，6平均
