第四章第四章数字视频处理技术数字视频处理技术31多媒体技术基础及应用 视频信号获取技术视频信号获取技术 *多媒体视频多媒体视频 凡是通过视觉传递信息的媒体，都属凡是通过视觉传递信息的媒体，都属于视觉媒体。视频是多媒体的重要组成于视觉媒体。视频是多媒体的重要组成部分，是人们容易接受的信息媒体。包部分，是人们容易接受的信息媒体。包括静态视频括静态视频(静态图像静态图像)和动态视频和动态视频(电影、电影、动画动画)。通常，我们将静态视频称。通常，我们将静态视频称“图像图像”，而用，而用“视频视频”专指动态视频。专指动态视频。3.2 视频信号获取技术2多媒体技术基础及应用数字视频的建立生成方法n计算机制作生成动画 例如:3ds maxn静态图像或者图形序列组合成视频文件序列 例如:GifAnimatorn视频采集卡捕获33多媒体技术基础及应用模拟视频标准目前国际上流行的视频制式标准分别为目前国际上流行的视频制式标准分别为NTSCNTSC制式、制式、PALPAL制式和制式和SECAMSECAM制式。制式。 美国、日本、中国台湾等地区使用美国、日本、中国台湾等地区使用NTSCNTSC制式。制式。中国及欧洲大多数地区使用中国及欧洲大多数地区使用PALPAL制式，制式，PALPAL制式规定：每秒制式规定：每秒2525帧，每帧水平扫描线为帧，每帧水平扫描线为625625条条水平分辨率为水平分辨率为240-400240-400个像素点，采用隔行扫描个像素点，采用隔行扫描方式，场频方式，场频( (垂直扫描频率垂直扫描频率) )为为50Hz50Hz，行频行频( (水平水平扫描频率扫描频率) )为为15625Hz15625Hz。法国、俄罗斯、非洲地区采用法国、俄罗斯、非洲地区采用SECAMSECAM制式。制式。34多媒体技术基础及应用数 字 视 频 视频数字是指以一定的速度对模拟视频 信号进行捕获、处理生成的数字信息。数字视频标准模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。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。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CCIR 601标准。35多媒体技术基础及应用数字视频的压缩数字视频的压缩 视频信息的原始数据存在帧内“空间相关”和相邻帧间“时间相关”，使原始数据存在大量的数据冗余。另外，人类视觉、听觉器官具有某些不敏感性，如对色彩亮度敏感而对色调分辨力弱等因素，以至于可对某些原非冗余的数据进行压缩，从而可大幅度地提高压缩比。目前视频压缩编码方法有多种，其中最有代表性的是MPEG数字视频格式和AVI数字视频格式。各种压缩编码算法可用软件、硬件或软硬件结合的方法来实现。36多媒体技术基础及应用数字视频的特点 数字视频可以无失真地进行无限次拷贝，而模拟视频信号每转录一次，就会有一次误差积累，产生信号失真。 模拟视频长时间存放后视频质量会降低，而数字视频便于长时间的存放。 可以对数字视频进行非线性编辑，并可增加特技效果等。 数字视频数据量大，在存储与传输的过程中必须进行压缩编码。37多媒体技术基础及应用多媒体计算机中的视频卡多媒体计算机中的视频卡 在多媒体计算机的世界里，视频卡家族在多媒体计算机的世界里，视频卡家族中的成员是非常丰富的，其中包含给计算机中的成员是非常丰富的，其中包含给计算机显示器提供信号的显示器提供信号的视频显示卡视频显示卡（VGA卡）、卡）、能将计算机上的视频信号发送到电视机上输能将计算机上的视频信号发送到电视机上输出的出的视频转换卡视频转换卡、能将录像机、摄像机等视、能将录像机、摄像机等视频源产生的模拟信号进行数字化和编辑处理、频源产生的模拟信号进行数字化和编辑处理、存储回放的存储回放的视频采集卡视频采集卡、目前已经不太使用、目前已经不太使用了了电影卡电影卡或叫或叫电影解压缩卡电影解压缩卡或或视频解压卡视频解压卡、能接收电视信号，并在计算机上播放的能接收电视信号，并在计算机上播放的电视电视卡卡或或电视接收卡电视接收卡。38多媒体技术基础及应用视频采集卡视频采集卡功能功能 视频采集卡，又称视频采集卡，又称“视频信号获取器视频信号获取器”。视频采集。视频采集卡的主要功能是从动态视频中实时或非实时捕获图卡的主要功能是从动态视频中实时或非实时捕获图像并存储。它可以将摄像机、录像机和其它视频信像并存储。它可以将摄像机、录像机和其它视频信号源的模拟视频信号转录到计算机内部，也可以用号源的模拟视频信号转录到计算机内部，也可以用摄像机将现场的图像实时输入计算机。视频采集卡摄像机将现场的图像实时输入计算机。视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。视频部分在数字化时同步保存、同步播放。视频采集卡不但能把视频图像以不同的视频窗口大视频采集卡不但能把视频图像以不同的视频窗口大小显示在计算机的显示器上，而且还能提供许多特小显示在计算机的显示器上，而且还能提供许多特殊效果，如冻结、淡出、旋转、镜像等。殊效果，如冻结、淡出、旋转、镜像等。3.2 视频信号获取技术9多媒体技术基础及应用视频卡的工作原理视频卡的工作原理 视频信号源（包括视频信号发生器、摄像机、放视频信号源（包括视频信号发生器、摄像机、放（录）像机、激光视盘机（录）像机、激光视盘机（VCD）等输出的等输出的信号，信号，作为输入信号引入进行作为输入信号引入进行A/D变换后，送往变换后，送往多制式数字解码器进行数字解码得到多制式数字解码器进行数字解码得到Y、U、V数数据；据；然后由视频窗口控制器对数据剪裁，改变比然后由视频窗口控制器对数据剪裁，改变比例后送入帧存储器保存；例后送入帧存储器保存；然后在窗口控制器的控然后在窗口控制器的控制下实现与制下实现与VGA或视频编码器的同步信号的同或视频编码器的同步信号的同步，步， 再将处理好的同步信号送再将处理好的同步信号送D/A变换器进行变换器进行模拟彩色空间变换矩阵的运算；模拟彩色空间变换矩阵的运算；同时送到数字式同时送到数字式视频编辑器中进行视频编码，最后送到视频编辑器中进行视频编码，最后送到VGA显显示器及电视机显示，或输出到录象机。示器及电视机显示，或输出到录象机。3.2 视频信号获取技术10多媒体技术基础及应用工作原理图 视频输入A/D转换帧存储器D/A转换显示输出计 算 机 主 机 视 频 窗 口 控 制 器 多制式数字解码器实现同步获得YUV数据进行剪裁和比例变换311多媒体技术基础及应用视频采集卡的安装视频采集卡的安装 硬 件 安 装步骤1 关闭计算机及所有外围设备的电源，并拔去电源插头。步骤2 触摸计算机金属外壳并使自己接地，从而放掉身上的静电。步骤3 打开主机箱。步骤4 将视频采集卡插入到主板上16位插槽内再用螺钉把视频采集卡紧固在机箱上。步骤5 将机箱重新安装好。步骤6 视频采集卡与视频信号源的连接。312多媒体技术基础及应用VGA输入连接口VGA输出S-Video输入视频采集卡VGA显卡卡S-Video输出S-Video输出VGA输出连接口显示器录象机313多媒体技术基础及应用 软软 件件 安安 装装 视频采集卡在硬件安装完成之后，开机启动Windows98就会自动地显示找到一个新设备，支持即插即用的采集卡可使用安装向导安装驱动程序。驱动程序安装完毕后再安装视频捕捉应用软件。314多媒体技术基础及应用动态视频（一）动态视频（一） 在在多媒体计算机中常见的动态多媒体计算机中常见的动态视频文件格式有：视频文件格式有： MPEG AVS、AVI SWF、FLA315多媒体技术基础及应用 动态视频常用压缩编码方案动态视频常用压缩编码方案MPEG 1MPEG 1，2 2，4 4和和7 7 MPEG(MovingMPEG(Moving Picture Expert Group) Picture Expert Group)是在是在19881988年由国际年由国际标准化组织标准化组织(International Organization for (International Organization for StandardizationStandardization，ISO)ISO)和国际电工委员会和国际电工委员会(International (International ElectrotechnicalElectrotechnical Commission Commission，IEC)IEC)联合成立的专家组，负责联合成立的专家组，负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组开发的标准称为这个专家组开发的标准称为MPEGMPEG标准，到目前为止，已经开发和标准，到目前为止，已经开发和正在开发的正在开发的MPEGMPEG标准有：标准有：316多媒体技术基础及应用MPEG标准标准nMPEG-1：数字电视标准，：数字电视标准，1992年正式发布。年正式发布。nMPEG-2：数字电视标准。：数字电视标准。nMPEG-3：已于：已于1992年年7月合并到高清晰度电视月合并到高清晰度电视(High-Definition TV，HDTV)工作组。工作组。nMPEG-4：多媒体应用标准：多媒体应用标准(1999年发布年发布)。nMPEG-5：直至目前还没有见到定义。：直至目前还没有见到定义。nMPEG-6：直至目前月还没有见到定义。：直至目前月还没有见到定义。nMPEG-7：多媒体内容描述接口标准：多媒体内容描述接口标准(正在研究正在研究)。 MPEG-1和和-2标准已经正式发布，并且得到广泛应用。标准已经正式发布，并且得到广泛应用。例如，例如， CD-交互系统，在网络上的数字声音广播、数字电视交互系统，在网络上的数字声音广播、数字电视广播和影视点播等。广播和影视点播等。317多媒体技术基础及应用MPEG-1 MPEG-1处理的是标准图像交换格式处理的是标准图像交换格式或者称为源输入格式的电视，即或者称为源输入格式的电视，即NTSC制为制为352像素像素 240行行/帧帧 30帧帧/秒，秒，PAL制为制为352像素像素 288行行/帧帧 25帧帧/秒，压缩的输秒，压缩的输出速率定义在出速率定义在1.5 Mbit/s以下。这个标准主以下。这个标准主要是针对当时具有这种数据传输率的要是针对当时具有这种数据传输率的CD-ROM和网络而开发的，用于在和网络而开发的，用于在CD-ROM上上存储数字影视和在网络上传输数字影视。存储数字影视和在网络上传输数字影视。318多媒体技术基础及应用MPEG-2 MPEG-2MPEG-2标准从标准从19901990年开始研究，年开始研究，19941994发发布布DISDIS。它是一个直接与数字电视广播有关。它是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。的高质量图像和声音编码标准。MPEG-2MPEG-2可以可以说是说是MPEG-1MPEG-1的扩充，因为它们的基本编码算的扩充，因为它们的基本编码算法都相同。但法都相同。但MPEG-2MPEG-2增加了许多增加了许多MPEG-1MPEG-1所没所没有的功能，例如增加了隔行扫描电视的编码，有的功能，例如增加了隔行扫描电视的编码，提供了位速率的可变性能提供了位速率的可变性能(scalability)(scalability)功功能。能。MPEG-2MPEG-2要达到的最基本目标是：位速率要达到的最基本目标是：位速率为为4 49 9 Mbit/sMbit/s，最高达，最高达15 15 Mbit/sMbit/s。319多媒体技术基础及应用MPEG-4 MPEG-4MPEG-4从从19941994年开始工作，它是为视听年开始工作，它是为视听(audio-visual)(audio-visual)数据的编码和交互播放开发数据的编码和交互播放开发算法和工具，是一个数据速率很低的多媒体算法和工具，是一个数据速率很低的多媒体通信标准。通信标准。MPEG-4MPEG-4的目标是要在异构网络环的目标是要在异构网络环境下能够高度可靠地工作，并且具有很强的境下能够高度可靠地工作，并且具有很强的交互功能。交互功能。320多媒体技术基础及应用动态视频（二）动态视频（二）MPG分为序列层、图像组层、图像层、分为序列层、图像组层、图像层、片层、宏块层和块层。片层、宏块层和块层。AVS和和AVI是是Intel和和IBM公司共同研制公司共同研制的的数字视频交互系统（数字视频交互系统（DVI）动态图像动态图像文件格式，文件格式，AVS只能在只能在DVI系统下进行系统下进行读写，在读写，在Indeo系统和微软的系统和微软的Video for Windows支持下可以用软件来播放支持下可以用软件来播放AVI格式文件。格式文件。321多媒体技术基础及应用动态视频的压缩（三）动态视频的压缩（三） SWF、FLA是是FLASH软件和其软件和其相关软件特有的一种动态矢量图像文相关软件特有的一种动态矢量图像文件格式。相信随着网络和件格式。相信随着网络和FLASH动动画的发展，这两种文件格式会越来越画的发展，这两种文件格式会越来越流行起来！流行起来！322多媒体技术基础及应用