改多媒体技术与应用_第8章_4

1西南交通大学多媒体技术与应用李茜西南交通大学第8章视频2西南交通大学基础知识视频的定义人类接受的信息65%来自视觉,其中活动图像是信息量最丰富、直观、生动、具体的一种承载信息的媒体。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(25或30帧/秒)，所以视频又叫作运动图像或活动图像。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。内容随时间而变化伴随有与画面动作同步的声音(伴音)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（Image），运动的图像称为视频（Video）。此外，两者的信源方式不同，图像的输入要靠扫描仪、数字照相机等设备；而视频的输入是电视接收机、摄象机、录象机、影碟机以及可以输出连续图像信号的设备。西南交通大学计算机能处理生动的图形、图像和动画使得多媒体计算机更具有影响力。视频和基于计算机的动画已成为多媒体系统的基本媒体并且是多媒体计算机的关键技术之一。通常用活动图像表示视频，活动图形表示动画。也就是说，计算机动画和视频的主要差别类似图形与图像的区别，即帧图像画面的产生方式有所不同。在多媒体应用中视频图像的处理也是最困难的部分。所谓视频信号的处理主要包括视频图像的获取、压缩和存储，各种编码技术、变换技术和传输技术等。按处理方式的不同，视频分为模拟视频和数字视频。视频和动画西南交通大学模拟视频就是采用电子学的方法来传送和显示活动景物或静止图像的，也就是通过在电磁信号上建立变化来支持图像和声音信息的传播和显示。早期视频的记录、存储和传输都是采用模拟方式。大多数家用电视机和录像机显示的都是模拟视频。模拟视频具有以下特点：以模拟电信号的形式来记录依靠模拟调幅的手段在空间传播使用盒式磁带录象机将视频作为模拟信号存放在磁带上5.1模拟视频西南交通大学传统的模拟信号处理设备直接广播卫星（DBS））模拟视频的不足：不适合网络传输，在传输效率方面先天不足；图像随时间和频道的衰减较大；不便于分类、检索和编辑。西南交通大学1、视频的形成原理视频是由于视觉的时间域响应特性而产生的。视觉的时间域响应特性：指的是让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，如果闪烁频率比较低，人眼就有一亮一暗的感觉；如果闪烁频率足够高，人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做临界闪烁频率，经测定为46HZ。如果场频大于50次每秒，人眼就感觉不到闪烁。西南交通大学2、黑白电视信号（1）电视原理任何时刻，电信号只有1个值（一维）。但视频图像通常是二维的，将二维视频图像转换为一维电信号是通过光栅扫描实现的。光栅扫描方式主要有逐行扫描和隔行扫描两种。隔行扫描：扫描一幅完整的画面分为两场，称为奇数场和偶数场，每帧画面需要扫描两次，一次奇数场、一次偶数场。逐行扫描：电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像。逐行扫描一次为一帧。西南交通大学帧、场帧一帧是扫描获得的一张完整的幻灯片的模拟信号。场隔行扫描一帧分为两个场，分为奇数场（上场）和偶数场（下场）。用两个垂直扫描场来表示一帧。奇数行扫描结束后，再扫描偶数行。全部扫描结束后，才完成一帧的扫描。西南交通大学奇数场偶数场一帧目前的电视系统大都采用隔行扫描，因为隔行扫描能节省频带，且硬件实现简单。由隔行扫描组成场，由场组成帧，一帧为一幅图像。但逐行扫描有以下优点：图像垂直清晰度高，空间处理效果好，有利于电视转换和制式转换，能改善视频压缩效率等等。计算机显示图像时一般都采用逐行扫描。其缺点是：数码率高，行扫描频率增高，硬件难度加大。逐行扫描能获得更好的图像质量和更高的清晰度，不过是以增加带宽和成本为代价的。光栅扫描的四个重要参数：扫描线、帧、水平回扫期和垂直回扫期西南交通大学2、黑白电视信号（2）模拟视频信号的重要参数主要包括垂直清晰度、宽高比、场频和帧频。其中，垂直清晰度是指眼睛可分辨的水平线数目。（与扫描行数密切相关）宽高比是指扫描行的长度与在图像垂直方向上的所有扫描行所跨过的距离之比。（3）全电视信号电视信号中除了图像信号（视频信号）外，还包括复合校隐信号和复合同步信号。一帧电视信号称为一个全电视信号，它又由奇数行信号和偶数场行信号顺序构成。西南交通大学3、彩色电视信号问题：如何实现彩色与黑白电视的兼容？使亮度和色度信号分开传送——用YUV空间表示法YUV模型Y表示亮度，U，V用来表示色差，是构成彩色的两个分量。YUV表示法的重要性是它的亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的，也就是Y信号分量构成的黑白灰度图与用U、V信号构成的另外两幅单色图是相互独立的。由于Y、U、V是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。采用YUV模型的优点之一是亮度信号和色差信号是分离的，使彩色电视系统与黑白电视机亮度信号兼容。西南交通大学PAL彩色电视制式中采用YUV模型来表示彩色图像YUV西南交通大学4、彩色电视的制式电视信号是视频处理的重要信息源。传送电视信号所采用的技术标准也称为电视的制式。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。西南交通大学NTSC制NTSC(NationalTelevisionStandardCommitte)是美国国家电视系统委员会在1952年制定的一种兼容的彩色电视制式，在美国、日本和其他国家广为使用。定义了彩色电视机对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。NTSC制规定水平扫描线有525条，以每秒30帧速率传送。NTSC采用隔行扫描方式，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。采用色彩模型是YIQ，也是一种亮度色差模型。Y是亮度，I和Q表示色差。西南交通大学PAL制PAL(PhaseAlternateLock)是联邦德国1962年制定的一种兼容电视制式。PAL意指“相位逐行交变”，我国和大部分西欧国家都使用这种制式。PAL制规定水平扫描625行、每秒25帧、隔行扫描、每场需要1/50秒。色彩模型是YUV。西南交通大学SECAM制SECAM(SEquentialColorAndMemory)称为顺序传送彩色与存储，是用于法国、俄罗斯及几个东欧国家的彩色电视制式。基本技术及广播方式与NTSC和PAL有很大的区别。（色差信号由频率调制FM）625行，25Hz，隔行扫描。色彩模型YUV。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。多制式或全制式的电视机，为处理和转换不同制式的电视信号提供了极大的方便。全制式电视机可在各国各地区使用，而多制式电视机一般为指定范围的国家生产。西南交通大学三种彩色电视制式的主要技术指标TV制式NTSCPALSECAM帧频(Hz)302525行/帧525625625亮度带宽(MHz)4.26.06.0彩色幅载波(MHz)3.584.434.25声音载波(MHz)4.56.56.5西南交通大学三种彩色电视制式的主要技术指标NTSCPALSECAM重置彩色图像好较好一般在传输系统中的图像一般较好好设备要求高较高较高接收机成本低较高较高调制模式AMAMFM西南交通大学20数字视频数字视频就是指使用计算机数字技术来处理用录像带拍摄出来的活动影像，经过这样处理的视频，无论是继续使用录像带放映，还是不使用录像带放映都可以称其为数字视频。索尼DVD光盘记录媒体数码摄像机5.2数字视频西南交通大学视频数字化是将模拟视频信号经模数转换和彩色空间变换转为计算机可处理的数字信号。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模型的转换、光栅扫描的转换及分辨率的统一。5.2数字视频西南交通大学模拟视频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或YIQ分量，然后用三个模／数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。计算机彩色视频信号发送与接收的原理如下图所示：西南交通大学与音频信号数字化类似，计算机也要对输入的模拟视频信息进行采样与量化，并经编码使其变成数字化图像。西南交通大学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4:2:0三种子采样格式，如果不采用子采样格式，采样格式为4:4:4，每个像素用三个样本表示。子采样格式可以减少数字视频的数据量。电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。西南交通大学为了在PAL、NTSC和SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数，国家无线电咨询委员会（CCIR）制定了广播级质量的数字电视编码标准，称为CCIR601标准(现在的ITU-R标准)。在该标准中，对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定。根据实验，人眼对颜色的敏感程度远不如对亮度信号那么灵敏，所以色度信号的取样频率可以比亮度信号的取样频率低，以减少数字视频的数据量。ITU-R建议使用了4:2:2采样结构。数字视频标准西南交通大学相对于模拟视频有以下特点：易于处理。传输稳定、抗干扰能力强，不失真。交互能力强，集成各种视频应用。按照需要和传输能力改变图像质量和传输速率。2、数字视频的特点西南交通大学如果视频的图像为彩色中分辨率（640*480像素），50帧/s，每个像素24位，则每秒需要：640*480*50*24/8=43.95MB。在一张700MB光盘上只能存放16秒的视频信号。3、数字视频的数据量西南交通大学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，是一种有损压缩格式。1992年初微软公司推出了AVI技术及其应用软件VFW（VideoforWindows）。AVI格式的优点是图像质量好，可以跨平台使用，其缺点是体积庞大，而且更加糟糕的是压缩标准不统一，最普遍的现象就是高版本Windows媒体播放器播放不了采用早期编码编辑的AVI格式视频，而低版本Windows媒体播放器又播放不了采用最新编码编辑的AVI格式视频，所以我们在进行一些AVI格式的视频播放时常会出现一些莫名其妙的问题，可以通过下载相应的解码器来解决。可用一般的视频编辑软件如AdobePremiere进行编辑和处理。284数字视频的格式西南交通大学MOV、QT格式Apple公司在其生产的Macintosh机也推出了相应的视频格式，即Moviedigitalvideo的文件格式，其文件采用有损压缩方式，以MOV为后缀，相应的视频应用软件为Apple'sQuickTimeforMacintosh。随着大量原本运行在Macintosh上的多媒体软件向PC/Windows环境的移植，导致了QuickTime视频文件的流行。Apple公司也推出了适用于PC机的视频应用软件Apple‘sQuickTimeforWindows，因此在PC机上也可以播放MOV视频文件。MOV格式的视频文件可以采用不压缩或压缩的方式QuickTime还采用了一种称为QuickTimeVR的虚拟现实（VR，VirtualReality）技术，用户只需通过鼠标或键盘，就可以观察某一地点周围360度的景象