数字视频基础

5．5．1　数字视频基础

视频处理技术是多媒体技术中的重要组成部分，主要包括模拟电视视频、计算机数字视频、数字电视视频。

与其他媒体相比，视频信息具有以下特点：

（1）视频信息的分辨率高、色彩逼真（真彩色）。

（2）人类接受信息的约70%来自视觉，其中视频信息是最直观、生动、具体的一种承载信息的媒体。

（3）视频信息容量大，通过视觉获得的视频信息往往比通过听觉获取的音频信息有更大的信息量。

1）模拟电视视频

视频中的单幅静止图像称为“帧”（frame），每秒连续播放的帧数称为“帧率”，单位是帧／秒。人类的视觉系统具有视觉暂留的特点，在连续播放图像的速度达到20帧／秒时，几乎很难有画面断续的感觉。视频技术通常采用的帧率有24帧／秒、25帧／秒和30帧／秒。我国采用的PAL电视制式的帧率为25帧／秒，电影采用的帧率是24帧／秒。美国采用的NTSC电视制式的帧率为30帧／秒。视频图像同时伴随着一个或多个音轨来提供音效。

电视制式是国际上通用的电视显示标准。不同的制式对视频信号的解码方式、色彩处理方式以及屏幕扫描频率的要求都有所不同。因此，如果计算机系统处理的视频信号与连接的视频设备制式不同，播放时图像的效果就会明显下降，甚至根本没有图像。

NTSC、PAL、SECAM和HDTV是常见的几种彩色电视制式。

NTSC是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾地区采用该制式。NTSC制式规定：30帧／秒，每帧525行，宽高比是4：3，隔行扫描，场扫描频率是60Hz，颜色模型为YIQ。

PAL是1962年德国制定的彩色电视广播标准。德国、英国等一些西欧国家以及中国采用这种制式。PAL制式规定：25帧／秒，每帧625行，宽高比是4：3，隔行扫描，场扫描频率是50Hz，颜色模型为YUV。

SECAM是1965年法国制定的彩色电视广播标准。这种制式与PAL制式相似，差别在于SECAM中的色度信号是频率调制（FM）。法国、俄罗斯和东欧国家采用这种制式。

HDTV称为“高清晰度电视”，是目前发展迅猛的电视标准。一般认为，HDTV制式要求：每帧扫描在1 000以上，宽高比是16∶9，逐行扫描，有较高的扫描频率，传送的信号全部数字化。

2）计算机数字视频

计算机所处理的对象是数字视频，与模拟视频相比，数字视频具有很多优点。例如，复制和传输不会造成信号质量下降，易于编辑修改，抗干扰能力强，易于加密，可节省频率资源等。

视频信号的数字化过程比音频信号数字化复杂，计算机中用于视频信号数字化的硬件称为“视频采集卡”，简称“视频卡”，它能将输入的模拟视频信号（以及伴音信号）进行数字化，然后存储在硬盘中。在数字化的同时，视频图像经过彩色空间转换（由YUV转换为RGB）后与计算机图形显示卡产生的图像叠加，用户即可以在显示器上观看到视频内容。

通常，获取数字视频的同时需要数字信号处理器（DSP）进行音频和视频数据的压缩编码。当使用专用的视频播放软件打开视频文件时，播放之前需要将音频和视频数据解压缩。图5．19是视频卡的组成及视频卡、图形卡与主机之间的关系。

图5．19　视频卡、图形卡与主机的关系

数字摄像头也是一种在线获取数字视频的设备。数字摄像头通过光学镜头和CCD传感器采集图像，不需要视频采集卡，直接将图像转换成数字信号并输入到计算机。数字摄像头有分辨率、帧率和视角等主要技术参数。大多数的数字摄像头采用CCD感光传感器，也有些产品采用成本较低、技术参数也低的CMOS类型的光传感器，获得功耗小、速度快的优点。数字摄像头的接口一般采用USB接口，有些则采用高速的IEEE1394接口。

数字摄像机是一种离线的数字视频获取设备。其原理与数码相机类似，但功能更多。数字摄像机所拍摄的视频图像及记录的伴音使用MPEG进行压缩编码，记录在磁带或硬盘上，需要时可通过USB和IEEE1394接口输入计算机处理。

3）计算机视频格式

（1）AVI文件。AVI是Microsoft公司定义的音频视频交互的文件，是一种不需要专门的硬件支持就能实现音频与视频压缩处理、播放和存储的文件。AVI格式的文件可以把视频信号与音频信号同时保存在文件中，在播放时，音频和视频可同步播放。多数多媒体产品均采用AVI视频文件格式来表现影视作品、动态模拟效果、特技效果和纪实性新闻。

利用视频编辑软件，可以对AVI文件进行剪辑、合成、配解说词等加工编辑处理。Office系列软件中的幻灯片软件PowerPoint可以播放AVI视频文件。利用高级程序设计语言，可定义、调用和播放AVI视频文件。

目前，可下载的由MP4播放器进行播放的文件都是AVI文件，但采用的编码技术有互不兼容的Divx和Xvid两种。AVI文件的不足是不能很好地适应网络播放的视频流。

（2）FLI／FLC文件。FLI格式和FLC格式的文件是Autodesk公司为动画系统开发的，它具有电影般的动画效果，主要用于存储一组位图图像，即动画数据。因此，FLI格式和FLC格式的文件又称为“动画文件”。

FLC格式的动画文件的特点：

①具有足够大的显示画面尺寸，最大极限尺寸为216像素，但显示画面尺寸与显示卡的缓存容量有关，因此实际的画面尺寸受到显示卡缓存容量的制约。

②帧的更换速度可调并随文件保存。

③具有256色调色盘，每个颜色具有8位的彩色变化。

④采用帧存储模式，实际存储第一帧位图的全部压缩代码，以后只保存每一帧与前一帧有差异的像素数据。

⑤采用帧与帧之间求差的算法以及行程长度压缩算法进行数据压缩与解压缩，具有数据量小、实时性好、动画演播平稳等特点。

⑥不支持同步声音，但特殊的动画播放器可以配上同步声音。

（3）MPEG文件。MPEG格式的文件是目前广泛应用的一种视频文件格式，其中包括了MPEG－1、MPEG－2和MPEG－4三种标准。MPEG－1常用在VCD、数码相机、数字摄像机等方面，刻录软件自动将MPEG－1转成DAT格式。MPEG－2应用在DVD、150路卫星电视直播、540路数字有线电视以及高清晰度电视（HDTV）领域。MPEG－4适合交互和移动多媒体应用，包括虚拟现实、远程教学、手机、MP4播放器。

（4）流媒体格式文件。Microsoft公司定义的ASF文件格式在视频压缩和音频压缩时分别采用了WM Video8和WM Audio8流媒体技术，适用于Internet上的视频直播（WebTV）、视频点播（VOD）、视频会议等方面。

另外，Real Networks公司定义的RealMedia（RM格式）流媒体格式在网络上的应用也很广泛。