视频数字信息处理技术

4.1视频基础知识4.1.1什么是视频1．视频的定义视频（Video）就是其内容随时间变化的一组动态图像，所以又叫运动图像或活动图像。它是一种信息量最丰富、直观、生动、具体的承载信息的媒体。视频与图像既有联系又有区别：静止的图片称为图像（Image），运动的图像称为视频（Video）。视频信号具有以下特点：（1）内容随时间的变化而变化；（2）伴随有与画面同步的声音。4.1视频基础知识4.1.1什么是视频2．视频的分类.（1）模拟视频（AnalogVideo）模拟视频是一种用于传输图像和声音的随时间连续变化的电信号。模拟视频信号的缺点是：视频信号随存储时间、拷贝次数和传输距离的增加衰减较大，产生信号的损失，不适合网络传输，也不便于分类、检索和编辑。（2）数字视频（DigitalVideo—DV）要使计算机能够对视频进行处理，必须把模拟视频信号进行数字化，形成数字视频信号。视频信号数字化以后，有着模拟信号无可比拟的优点：①再现性好②便于编辑处理③适合于网络应用4.1视频基础知识4.1.2电视信号及其标准1．电视视频信号的扫描方式电视视频信号是由视频图像转换成的电信号。任何时刻，电信号只有1个值，是一维的，而视频图像是二维的，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。而视频的显示则是通过在监视器上水平和垂直方向的扫描来实现，扫描方式主要有逐行扫描和隔行扫描两种。逐行扫描方式的每一帧画面一次扫描完成；隔行扫描行方式的每一帧画面由两次扫描完成，每次扫描组成一个场，即一帧由两个场组成。4.1视频基础知识4.1.2电视信号及其标准2．彩色电视信号制式彩色电视制式就是彩色电视的视频信号标准。世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制，它们分别定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩处理方式和屏幕的扫描频率。（1）NTSC制式NTSC制规定水平扫描525行、30帧/秒、隔行扫描、每场1/60s。（2）PAL制式PAL制式规定水平扫描625行、25帧/秒、隔行扫描、每场1/50s。（3）SECAM制式SECAM制式规定水平扫描625行、25帧/秒、隔行扫描、每场1/50s。其基本技术和广播方式与NTSC和PAL有很大的区别。4.1视频基础知识4.1.2电视信号及其标准2．彩色电视信号制式（4）数字电视（DigitalTV）1990年美国通用仪器公司研制出高清晰度电视HDTV，提出信源的视频信号及伴音信号用数字压缩编码，传输信道采用数字通信的调制和纠错技术，从此出现了信源和传输通道全数字化的真正数字电视，它被称为“数字电视”。数字电视（DTV）包括高清晰度电视HDTV、标准清晰度电视SDTV和VCD质量的低清晰度电视LDTV。随着数字技术的发展，全数字化的电视HDTV标准将逐渐代替现有的彩色模拟电视。4.1视频基础知识4.1.2电视信号及其标准3．彩色电视机的彩色模型在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表示色差，是构成彩色的两个分量。与此类似，在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型。YUV表示的亮度信号（Y）和色度信号（U、V）是相互独立的，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，使彩色信号能与黑白信号相互兼容。由于所有的显示器都采用RGB值来驱动，所以在显示每个像素之前，需要把YUV彩色分量值转换成RGB值。4.1视频基础知识4.1.2电视信号及其标准4．彩色电视信号的类型电视频道传送的电视信号主要包括亮度信号、色度信号、复合同步信号和伴音信号，这些信号可以通过频率域或者时间域相互分离出来。电视机能够将接收到的高频电视信号还原成视频信号和低频伴音信号，并在荧光屏上重现图像，在扬声器上重现伴音。根据不同的信号源，电视接收机的输入、输出信号有三种类型：（1）分量视频信号与S-Video（2）复合视频信号（3）高频或射频信号4.2视频的数字化要让计算机处理视频信息，首先要解决的是视频数字化的问题。对彩色电视视频信号的数字化有两种方法：一种是将模拟视频信号输入到计算机系统中，对彩色视频信号的各个分量进行数字化，经过压缩编码后生成数字化视频信号；另一种是由数字摄像机从视频源采集视频信号，将得到的数字视频信号输入到计算机中直接通过软件进行编辑处理，这是真正意义上的数字视频技术。目前，视频数字化主要还是采用将模拟视频信号转换成的数字信号的方法。4.2视频的数字化4.2.1视频的数字化过程1．采样由于人的眼睛对颜色的敏感程度远不如对亮度信号灵敏，所以色度信号的采样频率可以比亮度信号的采样频率低，以减少数字视频的数据量。采样格式分别有4：1：1、4：2：2和4：4：4三种。其中4：1：1采样格式是指在采样时每4个连续的采样点中取4个亮度Y、1个色差U和1个色差V共6个样本值，这样两个色度信号的采样频率分别是亮度信号采样频率的四分之一，使采样得到的数据量可以比4：4：4采样格式减少一半。4.2视频的数字化4.2.1视频的数字化过程2．量化采样是把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，而量化则是进行幅度上的离散化处理。在时间轴的任意一点上量化后的信号电平与原模拟信号电平之间在大多数情况下存在一定的误差，我们通常把量化误差称为量化噪波。量化位数愈多，层次就分得愈细，量化误差就越小，视频效果就越好，但视频的数据量也也就越大。所以在选择量化位数时要综合考虑各方面的因素。4.2视频的数字化4.2.1视频的数字化过程3．编码经采样和量化后得到数字视频的数据量将非常大，所以在编码时要进行压缩。其方法是从时间域、空间域两方面去除冗余信息，减少数据量。编码技术主要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。视频编码技术主要有MPEG与H.261标准。MPEG标准是面向运动图像压缩的一个系列标准，包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统（视频、音频和同步）3个部分。ITUH.261标准化方案的标题为“64kbps视声服务用视像编码方式”，又称为P×64kbps视频编码标准。4.2视频的数字化4.2.2常见的数字视频格式及特点1．AVIAVI（AudioVideoInterleave）是微软公司开发的一种符合RIFF文件规范的数字音频与视频文件格式。AVI格式允许视频和音频交错记录、同步播放，支持256色和RLE压缩，是PC机上最常用的视频文件格式，其播放器为VFW（VideoForWindows）。在AVI文件中，运动图像和伴音数据是以交替的方式存储，播放时，帧图像顺序显示，其伴音声道也同步播放。以这种方式组织音频和视像数据，可使得在读取视频数据流时能更有效地从存储媒介得到连续的信息。AVI文件还具有通用和开放的特点，适用于不同的硬件平台，用户可以在普通的MPC上进行数字视频信息的编辑和重放，而不需要专门的硬件设备。AVI文件可以用一般的视频编辑软件如AdobePremiere进行编辑和处理。4.2视频的数字化4.2.2常见的数字视频格式及特点2．DVDV是由索尼、松下、JVC等一些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。它可以通过电脑的IEEE1394端口传输视频数据到电脑，也可以将电脑中编辑好的的视频数据回录到数码摄像机中。这种视频格式的文件扩展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式。3.MOVApple公司在其生产的Macintosh机推出了MovieDigitalVideo的文件格式，其文件以MOV为后缀，相应的视频应用软件为Apple’sQuickTimeforMacintosh。同时Apple公司也推出了适用于PC机的视频应用软件Apple'sQuickTimeforWindows。4.2视频的数字化4.2.2常见的数字视频格式及特点4．MEPGMPEG（MotionPictureExpertsGroup）是运动图像压缩算法的国际标准，它采用有损压缩方法减少运动图像中的冗余信息，在显示器扫描设置为1024×786像素的格式下可以用25帧/秒（或30帧/秒）的速率同步播放视频图像和CD音乐伴音,具有很好的兼容性和最高可达200:1的压缩比，并且在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。MPEG包括MPEG-1,MPEG-2，MPEG-4和MPEG-7。4.2视频的数字化4.2.2常见的数字视频格式及特点4．MEPG（1）MPEG-1被广泛的应用在VCD的制作和网络上一些可下载的视频片段。（2）MPEG-2被应用在DVD的制作、HDTV（高清晰电视广播）及一些高要求的视频编辑、处理上面。（3）MPEG-4是一种新的压缩算法，主要应用于视像电话（videophone），视像电子邮件（VideoEmail）和电子新闻（Electronicnews）等。（4）MPEG-7的目标是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。它将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速的搜索。4.2视频的数字化4.2.2常见的数字视频格式及特点5．REALVIDEOREALVIDEO（RA、RAM）是RealNetworks公司开发的一种流式视频（StreamingVideo）文件格式。流式视频采用一种边传边播的方法，先从服务器上下载一部分视频文件，形成视频流缓冲区后实时播放，同时继续下载，为接下来的播放做好准备。这种边传边播的方法避免了用户必须将整个文件从Internet上全部下载完毕才能观看的缺点。流式视频主要用来在低速率的广域网上实时传输活动视频影像，可以根据网络数据传输速率的不同而采用不同的压缩比率，从而实现影像数据的实时传送和实时播放。4.3数字视频的获取在多媒体计算机系统中，视频处理一般是借助于一些相关的硬件和软件，在计算机上对输入的视频信号进行接收、采集、传输、压缩、存储、编辑、显示、回放等多种处理。数字视频素材，可以通过视频采集卡将模拟数字信号转换为数字视频信号，也可以从光盘及网络上直接获取数字视频素材。4.3数字视频的获取4.3.1视频采集卡视频采集系统需要包括视频信号源设备、视频采集设备、大容量存储设备以及配置有相应视频处理软件的高性能计算机系统。提供模拟视频的信号源设备有录像机、电视机、影碟机等；对模拟视频信号的采集、量化和编码由视频采集卡来完成；最后由计算机接收和记录编码后的数字视频数据。在这一过程中起主要作用的是视频采集卡，是它把模拟信号转换成数字数据。4.3数字视频的获取4.3.1视频采集卡视频采集卡有单工卡和双工卡两种。单工卡只提供视频输入接口，如果只需在PC机上编辑数字化视频，单工卡就可以了。双工卡还提供输出接口，可以把数字化编辑过后的影像拷贝到录像带上。大多数视频采集卡都具有压缩的功能，在采集视频信号时先将视频信号压缩后再通过接口把压缩的视频数据传送到主机上。视频采集卡可采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高性能的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG格式的文件。4.3数字视频的获取4.3.2对数码摄像机拍设的DV进行采集要对用数码相机拍摄的DV进行采集，需要有一块IEEE1394DV采集卡（简称DV采集卡或1394卡），用一条数据线，一头接在电脑的1394接口，一头接在摄像机的DV1394输出口，打开摄像机，把开关选在录，放像的状态，即可用Premiere等视频编辑软件进行采集。4.3数字视频的获取4.3.3从光盘上获取数字视频素材VCD、DVD是重要的视频素材来源，利用视频转换工具软件可获取这些视频并将其转换为所需的文件格式进行存储和编辑，有些视频播放器也具有视频获取存储功能。例如超级解霸可以从此类的格式的视频文件中截取视频片断并将其转换为AVI或MPG格式。如果我们要使用光盘中的一个完整视频文件，可以从资源管理器中将VCD光盘中Mpegav文件夹下的相应扩展名为DAT的文件直接拷贝到硬盘中，再将的扩展名改为MPG的文件即可。对于.MPG文件，可