多媒體課件-視頻數(shù)字信息處理技術(shù)

1、1,第4章 數(shù)字視頻處理技術(shù),,2,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 ■用Premiere Pro進行數(shù)字電影制作的基本方法,3,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.1 什么是視頻

2、 1．視頻的定義 視頻（Video）就是其內(nèi)容隨時間變化的一組動態(tài)圖像，所以又叫運動圖像或活動圖像。它是一種信息量最豐富、直觀、生動、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），運動的圖像稱為視頻（Video）。兩者信源不同：前者是掃描儀、DC等設(shè)備，后者是攝像機、錄像機、影碟機等設(shè)備。 視頻信號具有以下特點： （1）

3、內(nèi)容隨時間的變化而變化； （2）伴隨有與畫面同步的聲音。,4,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.1 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間連續(xù)變化的電信號。 模擬視頻信號的缺點是：視頻信號隨存儲時間、拷貝次數(shù)和傳輸距離的增加衰減較大，產(chǎn)生信號的損失，不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，也不便于分類、檢索和編輯。

4、 （2）數(shù)字視頻（Digital Video —DV） 要使計算機能夠?qū)σ曨l進行處理，必須把模擬視頻信號進行數(shù)字化，形成數(shù)字視頻信號。 視頻信號數(shù)字化以后，有著模擬信號無可比擬的優(yōu)點： ①再現(xiàn)性好 ②便于編輯處理 ③適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,5,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.2 電視信號及其標(biāo)準(zhǔn) 1． 電視視頻信號的掃描方式 電視視頻信號是

5、由視頻圖像轉(zhuǎn)換成的電信號。任何時刻，電信號只有1個值，是一維的，而視頻圖像是二維的，將二維視頻圖像轉(zhuǎn)換為一維電信號是通過光柵掃描實現(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，每次掃描組成一個場，即一幀由兩個場組成。,6,隔行掃描(TV),,,把一幅圖像分成兩步掃;節(jié)省寬帶，硬件實現(xiàn)

6、簡單,7,逐行掃描(計算機),,,簡單、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。缺點是掃描頻率高，數(shù)碼速率高，硬件實現(xiàn)難,8,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.2 電視信號及其標(biāo)準(zhǔn) 2． 彩色電視信號制式 彩色電視制式就是彩色電視的視頻信號標(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對于所接受的電視信號的解碼方式、色彩

7、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) NTSC制規(guī)定水平掃描525行、30幀/秒、隔行掃描、每場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1/50s。 （3）SECAM 制式(順序傳送與存儲彩色電視系統(tǒng) ) SECAM 制式規(guī)定水平掃描625行、25幀/秒、隔行掃描、每

8、場1/50s。其基本技術(shù)和廣播方式與NTSC和PAL有很大的區(qū)別。,9,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.2 電視信號及其標(biāo)準(zhǔn) 2． 彩色電視信號制式 （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及伴音信號用數(shù)字壓縮編碼，傳輸信道采用數(shù)字通信的調(diào)制和糾錯技術(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”。

9、 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。,10,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.2 電視信號及其標(biāo)準(zhǔn) 3．彩色電視機的彩色模型 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)成彩色的兩個分量。

10、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（Y）和色度信號（U、V）是相互獨立的，可以對這些單色圖分別進行編碼。采用YUV模型的優(yōu)點之一是亮度信號和色差信號是分離的，使彩色信號能與黑白信號相互兼容。 由于所有的顯示器都采用RGB值來驅(qū)動，所以在顯示每個像素之前，需要把YUV彩色分量值轉(zhuǎn)換成RGB值。,11,4.1 視頻基礎(chǔ)知識,4.1.2 電視信號及其標(biāo)準(zhǔn)

11、 4． 彩色電視信號的類型 電視頻道傳送的電視信號主要包括亮度信號、色度信號、復(fù)合同步信號和伴音信號，這些信號可以通過頻率域或者時間域相互分離出來。電視機能夠?qū)⒔邮盏降母哳l電視信號還原成視頻信號和低頻伴音信號，并在熒光屏上重現(xiàn)圖像，在揚聲器上重現(xiàn)伴音。 根據(jù)不同的信號源，電視接收機的輸入、輸出信號有三種類型： （1）分量視頻信號與S-Video （2）復(fù)合視頻信號 （3）高

12、頻或射頻信號,12,4.2 視頻的數(shù)字化,要讓計算機處理視頻信息，首先要解決的是視頻數(shù)字化的問題。 對彩色電視視頻信號的數(shù)字化有兩種方法： 一種是將模擬視頻信號輸入到計算機系統(tǒng)中，對彩色視頻信號的各個分量進行數(shù)字化，經(jīng)過壓縮編碼后生成數(shù)字化視頻信號； 另一種是由數(shù)字?jǐn)z像機從視頻源采集視頻信號，將得到的數(shù)字視頻信號輸入到計算機中直接通過軟件進行編輯處理，這是真正意義上的數(shù)字視頻技術(shù)。

13、 目前，視頻數(shù)字化主要還是采用將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號的方法。,13,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.1 視頻的數(shù)字化過程 1．采樣 由于人的眼睛對顏色的敏感程度遠(yuǎn)不如對亮度信號靈敏，所以色度信號的采樣頻率可以比亮度信號的采樣頻率低，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每4個連續(xù)的采樣

14、點中取4個亮度Y、1個色差U和1個色差V共6個樣本值，這樣兩個色度信號的采樣頻率分別是亮度信號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。,14,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.1 視頻的數(shù)字化過程 2．量化 采樣是把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，而量化則是進行幅度上的離散化處理。 在時間軸的任意一點上量化后的信號電平與原模擬信號電平之間在大多數(shù)情況下存在一

15、定的誤差，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)時要綜合考慮各方面的因素。,15,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.1 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，所以在編碼時要進行壓縮。其方法是從時間域、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)

16、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)是面向運動圖像壓縮的一個系列標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)（視頻、音頻和同步）3個部分。 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P×64 kbps視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。,16,4.2 視頻

17、的數(shù)字化,4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點 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記錄、同步播放，支持256色和RLE壓縮，是PC機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，運動圖像和伴音

18、數(shù)據(jù)是以交替的方式存儲，播放時，幀圖像順序顯示，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)流時能更有效地從存儲媒介得到連續(xù)的信息。 AVI文件還具有通用和開放的特點，適用于不同的硬件平臺，用戶可以在普通的MPC上進行數(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進行編輯和處理。,17,4.2 視頻的數(shù)字化,4.

19、2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點 2．DV 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)碼攝像機中。這種視頻格式的文件擴展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式。 3. MOV Apple公

20、司在其生產(chǎn)的Macintosh機推出了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Apple’s QuickTime for Macintosh。同時Apple公司也推出了適用于PC機的視頻應(yīng)用軟件Apple 's QuickTime for Windows。,18,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點 4．MEPG

21、MPEG（Motion Picture Experts Group） 是運動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動圖像中的冗余信息，在顯示器掃描設(shè)置為1024×786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200:1的壓縮比，并且在提供高壓縮比的同時，對數(shù)據(jù)的損失很小。 MPEG 包括 MPEG-1, MPEG-2，MPEG-4和MPE

22、G-7。,19,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點 4．MEPG （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 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（V

23、ideoEmail）和電子新聞（Electronicnews）等。 （4）MPEG-7的目標(biāo)是對日漸龐大的圖像、聲音信息的管理和迅速搜索。它將對各種不同類型的多媒體信息進行標(biāo)準(zhǔn)化的描述，并將該描述與所描述的內(nèi)容相聯(lián)系，以實現(xiàn)快速的搜索。,20,4.2 視頻的數(shù)字化,4.2.2 常見的數(shù)字視頻格式及特點 5．REAL VIDEO REAL VIDEO （RA、RAM）是Real Netwo

24、rks公司開發(fā)的一種流式視頻（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)后實時播放，同時繼續(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文件從Internet上全部下載完畢才能觀看的缺點。 流式視頻主要用來在低速率的廣域網(wǎng)上實時傳輸活動視頻影像，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

25、現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的實時傳送和實時播放。,21,4.3 數(shù)字視頻的獲取,在多媒體計算機系統(tǒng)中，視頻處理一般是借助于一些相關(guān)的硬件和軟件，在計算機上對輸入的視頻信號進行接收、采集、傳輸、壓縮、存儲、編輯、顯示、回放等多種處理。 數(shù)字視頻素材，可以通過視頻采集卡將模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，也可以從光盤及網(wǎng)絡(luò)上直接獲取數(shù)字視頻素材。,22,4.3 數(shù)字視頻的獲取,4.3.1 視頻采集卡 視頻采集系統(tǒng)需要包括視頻信

26、號源設(shè)備、視頻采集設(shè)備、大容量存儲設(shè)備以及配置有相應(yīng)視頻處理軟件的高性能計算機系統(tǒng)。 提供模擬視頻的信號源設(shè)備有錄像機、電視機、影碟機等； 對模擬視頻信號的采集、量化和編碼由視頻采集卡來完成； 最后由計算機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，是它把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。,23,4.3 數(shù)字視頻的獲取,4.3.1 視頻采集卡 視頻采集卡有單工卡

27、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，在采集視頻信號時先將視頻信號壓縮后再通過接口把壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳送到主機上。視頻采集卡可采用幀內(nèi)壓縮的算法把數(shù)字化的視頻存儲成AVI文件，高性能的視頻采集卡還能直接把采集到的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)實時壓縮成MPEG格式的文件。,24,視頻卡基本特