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1、第第7章章 动画与视频制作技术动画与视频制作技术多媒体视频信息处理技术目录7.1视频基础知识7.2广播电视信号及其标准7.3数字电视7.4视频的数字化过程7.5数字视频处理系统7.6视频文件的类型7.1视频基础知识7.1.1视频的定义视频（video）就其本质而言，实际上就是其内容随时间变化的一组动态图像，所以视频又叫作运动图像或活动图像。从物理上来讲，视频信号是从动态的三维景物投影到视频摄像机图像平面上的一个二维图像序列，一个视频帧中任何点的彩色位记录了在所观察的景物中一个特定的二维点所发出或反射的光。从观察者的角度来讲，视频记录了从一个观测系统(人眼或摄像机)所观测的场景中的物体发射或反射
2、的光的强度，一般地说，该强度在时间和空间上都有变化。从数学角度描述，视频指随时间变化的图像，或称为时变图像。如图7-1所示,视频由一幅幅连续的图像帧序列构成，沿时间轴若一帧图像保持一个时间段t,利用人眼的视觉暂留作用，可形成连续运动图像（即视频）的感觉。图7-1 视频由连续的图像帧序列构成图像与视频是两个既有联系又有区别的概念：静止的图片称为图像，运动的图像称为视频。从一定程度上说，图像是离散的视频，而视频是连续的图像。7.1.2视频的分类1.模拟视频模拟信号是一种用于传输图像和声音的并且随时间连续变化的电信号。早期视频的记录，存储和传输都是采用模拟方式。模拟视频的特点:以模拟电信号的形式来记
3、录依靠模拟调幅的手段在空间传播使用盒式磁带录像机将视频作为模拟信号存放在磁带上传统的视频都以模拟方式进行存储和传送，不适合网络传输，在传输效率方面先天不足，而且图像随时间和频道的衰减较大，不便于分类、检索和编辑。2.数字视频（DigitalVideo）要使计算机能够对视频进行处理，必须把视频源，即来自电视机、模拟摄像机、录像机、影碟机等设备的模拟视频信号转换成计算机要求的数字视频形式并存放在磁盘上，这个过程称为视频的数字化过程（包括采样、量化和编码）。数字视频克服了模拟视频的局限性，这是因为数字视频可以大大降低视频的传输和存储费用，增加了交互性，带来精确再现真实情景的稳定图像。今天，数字视频应
4、用已经非常广泛，并开创了一个全新的应用局面。7.1.3数字化视频的优点1.适合于网络应用视频数字信号可以长距离而不会产生任何不良影响，而模拟信号在传输过程中会有信息损失。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，误差就很大。数字视频可以不失真地进行无限次拷贝，其抗干扰能力是模拟图像无法比拟的，能够准确地再现图像。3.便于计算机编辑处理模拟信号只能简单调整亮度、对比度和颜色等，极大地限制了处理手段和应用范围。而数字视频信号可以传送到计算机内进行存储、处理，很容易进行创造性的编辑与合成。数字化视频的缺点数字视频的缺点是所需的数据存储
5、空间大，导致数字图像的处理成本增高。通过对数字视频的压缩，可以节省大大的存储空间，大容量光盘技术的应用也使得大量视频信息的存储成为可能。7.1.4视频信号与图像信号的差异视频信号不同于图像信号，最重要的区别是视频信号有一个每秒数帧（从15帧秒到60帧秒之间）的帧速率指标，它提供了显示的信号中运动的影像。第二个不同之处是帧的尺寸。图像和视频之间的第三个不同之处在于，图像在压缩时主要考虑了帧内像素之间的相关性，而为视频设计压缩方法时利用了时域掩蔽，同时也利用了音频掩蔽的功能，并考虑了帧间画面的相关性。即在视频序列里更倾向于以一种可预测的模式运动。7.2广播电视信号及其标准7.2.1电视信号的产生、
6、传输和接收的过程图7-3 模拟彩色电视系统：视频产生、传输和接收的过程电视视频信号由摄像机产生。电视信号传输的基本过程是：在播送端，由电视摄像机通过光/电变换将景物的亮度信息和色度信号按一定的规律变化变成相应的电信号，经适当处理后通过无线电波或有线线路传播出去；在接收端，由电视接收机对收到的电信号进行电信号进行电/光变换，重新显示出图像，逼真地反映出原景物。7.2.2广播电视信号制式电视信号是视频处理的重要信息源。为了使电视系统中各种信号和设备有统一的规范，必须制定电视制式。它是一个电视系统的体制和标准。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
7、率等。1.NTSC制是美国国家电视系统委员会在1953年制定的一种兼容彩色电视制式。在美国、日本和其他国家广为使用。NTSC制规定水平扫描线525行、30帧/秒、隔行扫描，每一帧画面由两次扫描完成，每一次扫描画出一个场需要1/60秒，两个场构成一帧。2.PAL制PAL是联邦德国1962年制定一种兼容电视制式。我国和大部分西欧国家使用这种制式。PAL制规定水平扫描625行、25帧/秒、隔行扫描、每场需要1/50秒。3.SECAMSECAM是用于法国、俄罗斯及几个东欧国家的彩色电视制式。不同制式的电视机只能接收和处理其对应制式的电视信号。也有多制式或全制式的电视机，这为处理和转换不同制式的电视信号
8、提供了极大的方便。7.2.3电视视频信号的扫描方式电视台发射的电视信号中，每秒钟包含25副完整的图像，称为25帧画面。每幅图像都是逐行“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。通过将电视从左至右的一次扫描称为扫描了一线，而将完成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：隔行扫描、逐行扫描。7.2.3电视视频信号的扫描方式隔行扫描主要应用于电视信号的发送与接收上，即把一帧电视信号分为奇数场和偶数场分别传送。采用这一制式缺点是画面清晰度稍差，且有轻微的闪烁感。隔行扫描能节省频带，且硬件实现简单。 奇数场 偶数场 一帧 图7-4 隔行扫描方式
9、中一帧由两个场组成7.2.4YUV与RGB彩色模型1YUV模型在PAL彩色电视制式中采用YUV模型来表示彩色图像。其中Y表示亮度、U和V表示色度，是构成彩色的两个分量。由于YUV是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。图7-5 PAL彩色电视制式中采用YUV模型来表示彩色图像2显示器产生颜色的原理电视机和计算机显示器使用的阴极射线管。CRT使用3个电子枪分别产生红、绿、蓝三种波长的光，并以相对强度轰击CRT的荧光屏的涂层以产生颜色。图7-6 CRT显示器采用RGB彩色模型 7.2.5彩色电视的信号类型根据不同信号源，电视接收机的输入、输出信号可以分为以下几种类型：1.高频或射频信号2.复合
10、视频信号3.S-Video视频信号4.分量视频信号1.高频或射频信号为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频信号，每个信号占用一个频道，这样才能在空中同时传播多路电视节目而不会导致混乱。有线电视CATV的工作方式与射频信号类似，只是它通过电缆而不是在空中传播电视信号。2.复合视频信号包含亮度信号、色度信号和所有定时信号的单一信号叫做复合视频信号。现在的电视机都有复合视频输入和输出端口，也就是通常所说的复合AV接口。用红色和白色分别表示左、右声道，视频信号用黄色端子。复合信号传输方便、设备结构简单、成本低，所以使用最多。图7-7 复合视频线及接口3.SVideo视频信号S
11、-Video就是将视频信号分开传送，也就是在AV接口基础上将亮度信号和色度信号分离开来，再分别以不同的通道进行传输。图7-8 S-VIDEO视频线及接口4.分量视频信号a)色差分量视频线 b)分量视频信号接口 图7-9 分量视频信号线与接口7.3数字电视7.3.1数字电视的特点及提供的服务数字电视与原有的模拟电视相比，有如下主要优点：1.电视画面质量得到大幅度提升图7-10 数字电视（左图）和模拟电视（右图）的画面质量比较2.更多的节目3.更好的视听效果4.交互性5.数字化融合提供新增的服务除数字化的音视频节目外，数字电视系统还可以广播其他任意数据，如与节目内容有关的附带信息、本地气象与交通信
12、息等。各种各样的数据业务将大幅度扩展电视的信息服务能力。在数字化融合的时代，将会出现新的灵活的功能多样化的消费产品平台，它将优质的声音、视像体验与交互式的信息服务集于一身，使得数字电视成为人们从事娱乐、信息和通信活动的平台。7.4视频的数字化过程7.4.1视频信号的采样1.对视频采样的基本要求要满足采样定理采样频率必须是行频的整数倍要满足两种扫描制式2.数字视频的采样格式根据电视信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此其数字化时对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。如果用Y：U：V来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有4:1:1、4:2:2和4:4:4三
13、种。3.采样格式图7-13 4:2:2采样格式示意7.4.2量化7.4.3视频压缩与编码技术标准视频编码（视频压缩）是把数字视频流序列用更少的数据位进行存放的方法。大多数视频编码方法寻找空间和时间上的冗余来达到压缩的效果。从信息论的角度讲，信息压缩就是从时间域、空间域两方面去除冗余信息，将可推知的确定信息去掉。在时间域中，连续几帧的视频通常有很强的相关性，特别是当时域采样率是非常高的时候尤其如此；在空间域中，通常像素采样点之间是相互关联的（相邻象素之间的值很相近）。事实上，视频编码技术正是基于这个理论，将视频分成帧内编码和帧间编码，前者用于去掉图像的空间冗余信息，后者用于去除图像的时间冗余信息
14、。7.5数字视频处理系统7.5.1数字视频处理系统的组成图7-14 数字视频处理系统的组成7.5.2视频采集卡的工作原理图7-15 视频卡的工作原理图7.6视频文件的类型图7-16 常用的视频文件格式类型7.6.1本地视频格式1.AVI格式AVI（AudioVideoInterleave）是一种音频视像交插记录的数字视频文件格式。2.DV-AVI格式DV的英文全称是DigitalVideoFormat，是由索尼、松下、JVC等多家厂商联合提出的一种家用数字视频格式。目前非常流行的数码摄像机就是使用这种格式记录视频数据的。3.QuickTime的MOV格式格式自从国际标准化组织(ISO)选择Qu
15、ickTime文件格式作为开发MPEG-4规范的统一数字媒体存储格式，MOV文件就以mpg或mp4为其扩展名，并且采用了MPEG4压缩算法。4.MEPG格式格式将MPEG(MotionPictureExpertsGroup)算法用于压缩全运动视频图像，就可以生成全屏幕活动视频标准文件。5.DivX格式DivX是根据Microsoftmpeg4v3修改而来的一种数字视频编码技术，是目前使用最广泛的一种MPEG-4的兼容技术。7.6.2基于网络传输的流媒体视频格式1.RM（RealMedia）格式2.QuickTime格式（MOV）3.ASF（AdvancedStreamingForma）格式4.WMV格式5.RMVB格式作业1，解释什么是数字视频和模拟视频；2，数字电视与原有的模拟电视相比，有哪些优点？
