多媒體課件 視頻數(shù)字信息處理技術(shù)

1、第第4章章 數(shù)字視頻處理技術(shù)數(shù)字視頻處理技術(shù)本章內(nèi)容本章內(nèi)容 本章主要講解數(shù)字視頻的基本概念和非線性視頻編輯軟件Premiere Pro 2.0的基本用法。 學(xué)習(xí)內(nèi)容： 視頻的基本概念 電視信號(hào)的有關(guān)概念及標(biāo)準(zhǔn) 視頻的數(shù)字化方法 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 用Premiere Pro進(jìn)行數(shù)字電影制作的基本方法4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.1 什么是視頻什么是視頻 1視頻的定義 視頻（Video）就是其內(nèi)容隨時(shí)間變化的一組動(dòng)態(tài)圖像，所以又叫運(yùn)動(dòng)圖像或活動(dòng)圖像。它是一種信息量最豐富、直觀、生動(dòng)、具體的承載信息的媒體。 視頻與圖像既有聯(lián)系又有區(qū)別：靜止的圖片稱為圖像（Image），運(yùn)動(dòng)的圖像稱為視頻（

2、Video）。兩者信源不同：前者是掃描儀、DC等設(shè)備，后者是攝像機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)等設(shè)備。 視頻信號(hào)具有以下特點(diǎn)： （1）內(nèi)容隨時(shí)間的變化而變化； （2）伴隨有與畫面同步的聲音。4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.1 什么是視頻什么是視頻 2視頻的分類. （1）模擬視頻（Analog Video） 模擬視頻是一種用于傳輸圖像和聲音的隨時(shí)間連續(xù)變化的電信號(hào)。 模擬視頻信號(hào)的缺點(diǎn)是：視頻信號(hào)隨存儲(chǔ)時(shí)間、拷貝次數(shù)和傳輸距離的增加衰減較大，產(chǎn)生信號(hào)的損失，不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，也不便于分類、檢索和編輯。 （2）數(shù)字視頻（Digital Video DV） 要使計(jì)算機(jī)能夠?qū)σ曨l進(jìn)行處理，必須把模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化

3、，形成數(shù)字視頻信號(hào)。 視頻信號(hào)數(shù)字化以后，有著模擬信號(hào)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)： 再現(xiàn)性好 便于編輯處理 適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.2 電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn) 1 電視視頻信號(hào)的掃描方式 電視視頻信號(hào)是由視頻圖像轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)。任何時(shí)刻，電信號(hào)只有1個(gè)值，是一維的，而視頻圖像是二維的，將二維視頻圖像轉(zhuǎn)換為一維電信號(hào)是通過光柵掃描實(shí)現(xiàn)的。而視頻的顯示則是通過在監(jiān)視器上水平和垂直方向的掃描來實(shí)現(xiàn)，掃描方式主要有逐行掃描和隔行掃描兩種。 逐行掃描方式的每一幀畫面一次掃描完成；隔行掃描行方式的每一幀畫面由兩次掃描完成，每次掃描組成一個(gè)場(chǎng)，即一幀由兩個(gè)場(chǎng)組成。6隔行掃描隔行掃描(TV)

4、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 把一幅圖像分成兩步掃;節(jié)省寬帶，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單7逐行掃描逐行掃描(計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)) 1 2 3 4 5 6 7 8 簡(jiǎn)單、可靠、圖像垂直清晰度高，空間處理效果好，能獲得更好的圖像質(zhì)量。缺點(diǎn)是掃描頻率高，數(shù)碼速率高，硬件實(shí)現(xiàn)難4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.2 電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn) 2 彩色電視信號(hào)制式 彩色電視制式就是彩色電視的視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。 世界上現(xiàn)行的彩色電視制式有三種：NTSC制、PAL制和SECAM制，它們分別定義了彩色電視機(jī)對(duì)于所接受的電視信號(hào)的解碼方式、色彩處理方式和屏幕的掃描頻率。 （1）NTSC制式(美國全國電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)) NTSC

5、制規(guī)定水平掃描525行、30幀/秒、隔行掃描、每場(chǎng)1/60s。 （2）PAL制式(逐行倒相 ) PAL制式規(guī)定水平掃描625行、25幀/秒、隔行掃描、每場(chǎng)1/50s。 （3）SECAM 制式(順序傳送與存儲(chǔ)彩色電視系統(tǒng) ) SECAM 制式規(guī)定水平掃描625行、25幀/秒、隔行掃描、每場(chǎng)1/50s。其基本技術(shù)和廣播方式與NTSC和PAL有很大的區(qū)別。4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.2 電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn) 2 彩色電視信號(hào)制式 （4）數(shù)字電視（Digital TV） 1990年美國通用儀器公司研制出高清晰度電視HDTV，提出信源的視頻信號(hào)及伴音信號(hào)用數(shù)字壓縮編碼，傳輸信道采用數(shù)字通信

6、的調(diào)制和糾錯(cuò)技術(shù)，從此出現(xiàn)了信源和傳輸通道全數(shù)字化的真正數(shù)字電視，它被稱為“數(shù)字電視”。 數(shù)字電視（DTV）包括高清晰度電視HDTV、標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視SDTV和VCD質(zhì)量的低清晰度電視LDTV。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化的電視HDTV標(biāo)準(zhǔn)將逐漸代替現(xiàn)有的彩色模擬電視。 4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.2 電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn) 3彩色電視機(jī)的彩色模型 在PAL彩色電視制式中采用YUV模型來表示彩色圖像。其中Y表示亮度，U 和V表示色差，是構(gòu)成彩色的兩個(gè)分量。與此類似，在NTSC彩色電視制式中使用YIQ模型。 YUV表示的亮度信號(hào)（Y）和色度信號(hào)（U、V）是相互獨(dú)立的，可以對(duì)這些單色圖

7、分別進(jìn)行編碼。采用YUV模型的優(yōu)點(diǎn)之一是亮度信號(hào)和色差信號(hào)是分離的，使彩色信號(hào)能與黑白信號(hào)相互兼容。 由于所有的顯示器都采用RGB值來驅(qū)動(dòng)，所以在顯示每個(gè)像素之前，需要把YUV彩色分量值轉(zhuǎn)換成RGB值。4.1 視頻基礎(chǔ)知識(shí) 4.1.2 電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)及其標(biāo)準(zhǔn) 4 彩色電視信號(hào)的類型 電視頻道傳送的電視信號(hào)主要包括亮度信號(hào)、色度信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)和伴音信號(hào)，這些信號(hào)可以通過頻率域或者時(shí)間域相互分離出來。電視機(jī)能夠?qū)⒔邮盏降母哳l電視信號(hào)還原成視頻信號(hào)和低頻伴音信號(hào)，并在熒光屏上重現(xiàn)圖像，在揚(yáng)聲器上重現(xiàn)伴音。 根據(jù)不同的信號(hào)源，電視接收機(jī)的輸入、輸出信號(hào)有三種類型： （1）分量視頻信號(hào)與S

8、-Video （2）復(fù)合視頻信號(hào) （3）高頻或射頻信號(hào)4.2 視頻的數(shù)字化 要讓計(jì)算機(jī)處理視頻信息，首先要解決的是視頻數(shù)字化的問題。 對(duì)彩色電視視頻信號(hào)的數(shù)字化有兩種方法： 一種是將模擬視頻信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)彩色視頻信號(hào)的各個(gè)分量進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)過壓縮編碼后生成數(shù)字化視頻信號(hào)； 另一種是由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)從視頻源采集視頻信號(hào)，將得到的數(shù)字視頻信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中直接通過軟件進(jìn)行編輯處理，這是真正意義上的數(shù)字視頻技術(shù)。 目前，視頻數(shù)字化主要還是采用將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)的方法。4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.1 視頻的數(shù)字化過程視頻的數(shù)字化過程 1采樣 由于人的眼睛對(duì)顏色的敏感程度遠(yuǎn)不如對(duì)亮

9、度信號(hào)靈敏，所以色度信號(hào)的采樣頻率可以比亮度信號(hào)的采樣頻率低，以減少數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量。 采樣格式分別有4：1：1、4：2：2和4：4：4三種。 其中4：1：1采樣格式是指在采樣時(shí)每4個(gè)連續(xù)的采樣點(diǎn)中取4個(gè)亮度Y、1個(gè)色差U和1個(gè)色差V共6個(gè)樣本值，這樣兩個(gè)色度信號(hào)的采樣頻率分別是亮度信號(hào)采樣頻率的四分之一，使采樣得到的數(shù)據(jù)量可以比4：4：4采樣格式減少一半。4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.1 視頻的數(shù)字化過程視頻的數(shù)字化過程 2量化 采樣是把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)，而量化則是進(jìn)行幅度上的離散化處理。 在時(shí)間軸的任意一點(diǎn)上量化后的信號(hào)電平與原模擬信號(hào)電平之間在大多數(shù)情況下存在一定的誤差

10、，我們通常把量化誤差稱為量化噪波。 量化位數(shù)愈多，層次就分得愈細(xì)，量化誤差就越小，視頻效果就越好，但視頻的數(shù)據(jù)量也也就越大。所以在選擇量化位數(shù)時(shí)要綜合考慮各方面的因素。4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.1 視頻的數(shù)字化過程視頻的數(shù)字化過程 3編碼 經(jīng)采樣和量化后得到數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量將非常大，所以在編碼時(shí)要進(jìn)行壓縮。其方法是從時(shí)間域、空間域兩方面去除冗余信息，減少數(shù)據(jù)量。編碼技術(shù)主要分成幀內(nèi)編碼和幀間編碼，前者用于去掉圖像的空間冗余信息，后者用于去除圖像的時(shí)間冗余信息。 視頻編碼技術(shù)主要有MPEG與H.261標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG標(biāo)準(zhǔn)是面向運(yùn)動(dòng)圖像壓縮的一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPE

11、G系統(tǒng)（視頻、音頻和同步）3個(gè)部分。 ITU H.261標(biāo)準(zhǔn)化方案的標(biāo)題為“64kbps視聲服務(wù)用視像編碼方式”，又稱為P64 kbps視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。 4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn)常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 1 AVI AVI（Audio Video Interleave） 是微軟公司開發(fā)的一種符合RIFF文件規(guī)范的數(shù)字音頻與視頻文件格式。 AVI格式允許視頻和音頻交錯(cuò)記錄、同步播放，支持256色和RLE壓縮，是PC機(jī)上最常用的視頻文件格式，其播放器為VFW（Video For Windows）。 在AVI文件中，運(yùn)動(dòng)圖像和伴音數(shù)據(jù)是以交替的方式存儲(chǔ)，播放時(shí)，幀圖像

12、順序顯示，其伴音聲道也同步播放。以這種方式組織音頻和視像數(shù)據(jù)，可使得在讀取視頻數(shù)據(jù)流時(shí)能更有效地從存儲(chǔ)媒介得到連續(xù)的信息。 AVI文件還具有通用和開放的特點(diǎn)，適用于不同的硬件平臺(tái)，用戶可以在普通的MPC上進(jìn)行數(shù)字視頻信息的編輯和重放，而不需要專門的硬件設(shè)備。 AVI文件可以用一般的視頻編輯軟件如Adobe Premiere進(jìn)行編輯和處理。 4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn)常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 2DV DV是由索尼、松下、JVC等一些廠商聯(lián)合提出的一種家用數(shù)字視頻格式。目前非常流行的數(shù)碼攝像機(jī)就是使用這種格式記錄視頻數(shù)據(jù)的。它可以通過電腦的IEEE 1394端口傳輸

13、視頻數(shù)據(jù)到電腦，也可以將電腦中編輯好的的視頻數(shù)據(jù)回錄到數(shù)碼攝像機(jī)中。這種視頻格式的文件擴(kuò)展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式。 3. MOV Apple公司在其生產(chǎn)的Macintosh機(jī)推出了Movie Digital Video的文件格式，其文件以MOV為后綴，相應(yīng)的視頻應(yīng)用軟件為Apples QuickTime for Macintosh。同時(shí)Apple公司也推出了適用于PC機(jī)的視頻應(yīng)用軟件Apple s QuickTime for Windows。4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn)常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 4MEPG MPEG（Motion Picture

14、 Experts Group） 是運(yùn)動(dòng)圖像壓縮算法的國際標(biāo)準(zhǔn)，它采用有損壓縮方法減少運(yùn)動(dòng)圖像中的冗余信息，在顯示器掃描設(shè)置為1024786像素的格式下可以用25幀/秒（或30幀/秒）的速率同步播放視頻圖像和CD音樂伴音, 具有很好的兼容性和最高可達(dá)200:1的壓縮比，并且在提供高壓縮比的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的損失很小。 MPEG 包括 MPEG-1, MPEG-2，MPEG-4和MPEG-7。4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn)常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 4MEPG （1）MPEG-1被廣泛的應(yīng)用在 VCD 的制作和網(wǎng)絡(luò)上一些可下載的視頻片段。 （2）MPEG-2 被應(yīng)用在 DVD

15、 的制作、 HDTV（高清晰電視廣播）及一些高要求的視頻編輯、處理上面。 （3）MPEG-4 是一種新的壓縮算法，主要應(yīng)用于視像電話（videophone），視像電子郵件（VideoEmail）和電子新聞（Electronicnews）等。 （4）MPEG-7的目標(biāo)是對(duì)日漸龐大的圖像、聲音信息的管理和迅速搜索。它將對(duì)各種不同類型的多媒體信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述，并將該描述與所描述的內(nèi)容相聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)快速的搜索。 4.2 視頻的數(shù)字化 4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn)常見的數(shù)字視頻格式及特點(diǎn) 5REAL VIDEO REAL VIDEO （RA、RAM）是Real Networks公司開發(fā)的一種

16、流式視頻（Streaming Video）文件格式。 流式視頻采用一種邊傳邊播的方法，先從服務(wù)器上下載一部分視頻文件，形成視頻流緩沖區(qū)后實(shí)時(shí)播放，同時(shí)繼續(xù)下載，為接下來的播放做好準(zhǔn)備。這種邊傳邊播的方法避免了用戶必須將整個(gè)文件從Internet上全部下載完畢才能觀看的缺點(diǎn)。 流式視頻主要用來在低速率的廣域網(wǎng)上實(shí)時(shí)傳輸活動(dòng)視頻影像，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同而采用不同的壓縮比率，從而實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送和實(shí)時(shí)播放。4.3 數(shù)字視頻的獲取 在多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，視頻處理一般是借助于一些相關(guān)的硬件和軟件，在計(jì)算機(jī)上對(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行接收、采集、傳輸、壓縮、存儲(chǔ)、編輯、顯示、回放等多種處理。

17、數(shù)字視頻素材，可以通過視頻采集卡將模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，也可以從光盤及網(wǎng)絡(luò)上直接獲取數(shù)字視頻素材。4.3 數(shù)字視頻的獲取 4.3.1 視頻采集卡視頻采集卡 視頻采集系統(tǒng)需要包括視頻信號(hào)源設(shè)備、視頻采集設(shè)備、大容量存儲(chǔ)設(shè)備以及配置有相應(yīng)視頻處理軟件的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 提供模擬視頻的信號(hào)源設(shè)備有錄像機(jī)、電視機(jī)、影碟機(jī)等； 對(duì)模擬視頻信號(hào)的采集、量化和編碼由視頻采集卡來完成； 最后由計(jì)算機(jī)接收和記錄編碼后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。在這一過程中起主要作用的是視頻采集卡，是它把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。4.3 數(shù)字視頻的獲取 4.3.1 視頻采集卡視頻采集卡 視頻采集卡有單工卡和雙工卡兩種。單工卡只提供視頻輸入接口，如果只需在PC機(jī)上編輯數(shù)字化視頻，單工卡就可以了。雙工卡還提供輸出接口，可以把數(shù)字化編輯過后的影像拷貝到錄像帶上。 大多數(shù)視頻采集卡都具有壓縮的功能