（通信与信息系统专业论文）视频水印辅助工具的设计与实现.pdf

摘要 视频水印辅助工具的设计与实现 专业：通信与信息系统 姓名：雷祥伟 导师：刘红梅副教授 摘要 在多媒体信息中，视频信息多具有商业价值，如广告，电影等，也有可能作 为法律证据，如监控信息。对这些信息进行版权保护及内容认证等具有重要的实 用价值。视频数字水印技术作为解决这些问题的有效手段之一受到越来越多的关 注。 由于视频数据本身具有复杂性，研究和开发视频水印算法的工作者在嵌入水 印后，评估算法的性能时需要做大量的工作，但目前还缺乏相应的工具提高这些 工作的效率。因此，本论文设计并实现了一个视频水印辅助工具系统，使视频水 印的研究和开发人员更方便地获取、分析和进一步处理视频数据。主要工作如下： 1 对辅助工具系统的需求进行分析，完成系统的设计。选择相关实现技术， 包括集成开发环境、实现视频编解码的多线程技术、实现对e x c e l 的编程的 o l e 自动化技术，以及实现视频帧抓取的c x l m a g e 类库等。 2 实现了该系统，并能够做到： 1 ) 提供了两个视频的同步播放功能及查看单一分量( r ，g b ，y u ，v ) 功能，使 用户能够方便地对嵌入水印后视频的质量进行主观评价；同时将客观评价值 p s n r 导出到e x c e l 表中，用户方便地对嵌入水印后视频的质量进行客观评价； 2 ) 集成了m p e g 一2 、h 2 6 4 及a v s 三种视频编码标准，方便用户对视频进 行编解码。同时在编解码过程中可以提取d c t 系数和运动矢量，方便用户进行 相关数据分析及后续处理： 3 ) 集成了y u v 分量的合成与分解功能以及视频帧的抓取功能，便于在原 始格式视频蕾分量上进i ，水印的嵌入以及对视频某。帧做进一步研究； 中山人学颂i j 学位论义 4 ) 集成了三种常用的视频水印攻击方式：帧删除、帧插入、帧交换。可更 好的评价视频水印的性能，比如稳健性。 实验结果表明该系统具有功能较为完善，界面友好，操作简单等特点，可方 便有效地辅助视频水印的开发和研究人员的工作，已经用于相关项目的开发中。 关键词：视频水印，m f c ，多线程技术，o l e 自动化技术，视频压缩 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a s s i s t a n tt o o lf o r v i d e ow a t e r m a r k i n g m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：l e ix i a n g w e i s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f l i uh o n g m e i a b s t r a c t a m o n gv a r i o u sm u l t i m e d i a ，v i d e oi n f o r m a t i o nu s u a l l yh a sc o m m e r c i a lv a l u e ， s u c ha sa d v e r t s i n g , f i l m s ，a n de r e b e s i d e s ，t h e ym a yb eu s e da sl e g a le v i d e n c e , s u c h a sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n p r o t e c t i o no fs u c hi n f o r m a t i o nc o p y r i g h ta n dv e r i f i c a t i o n o ft h e i rc o n t e n th a v ei m p o r t a n t p r a c t i c a lv a l u e d i g i t a l v i d e ow a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na so n eo ft h ee f f e c t i v em e a n st o s o l v et h e s ep r o b l e m s b e c a u s ev i d e od a t ah a sh i g hc o m p l e x i t y , r e s e a r c h e r sa n dd e v e l o p e r so fv i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sn e e dd oal o to fw o r kt oa s s e s st h ep e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h e r ei sn oa p p r o p r i a t et o o lt oi m p r o v et h e i re f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sd e s i g n s a n di m p l e m e n t sav i d e ow a t e r m a r k i n ga s s i s t a n tt o o ls y s t e m i tc a nb eu s e db y r e s e a r c h e r st oa c c e s s ，a n a l y z ea n df u r t h e rp r o c e s st h ev i d e od a t am o r ei n t u i t i v e l ya n d e f f e c t i v e l y t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ef u n c t i o n so ft h ea s s i s t a n tt o o ls y s t e ma n dc o m p l e t et h ed e s i g no f t h i ss y s t e m s e l e c tt h er e l e v a n ti m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n g ：t h ei n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 、m u l t i t h r e a d i n gt oc o m b i n ev i d e oc o d e c 、o l ea u t o m a t i o n f o r t h ep r o g r a m m i n go ft h ee x c e la n dc x l m a g el i b r a r yf o rg r a b b i n gv i d e of r a m e s a n ds oo n 2 i m p l e m e n tt h es y s t e mw h o s ef u n c t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t w o v i d e o sc a nb ep l a y e ds i m u l t a n e o u s l ya n dt h es i n g l ec o m p o n e n t 中山人学顺i j 学位论义 ( r ，g , b ，y u ，v ) c a nb ev i e w e di n d i v i d u a l l y t h a ta l l o w su s e r st oe a s i l ye v a l u a t e w a t e r m a r k e dv i d e oq u a l i t ys u b j e c t i v e l y m e a n w h i l e ，i tc a ne x p o r tt h ev a l u e so fp s n r t oe x c e l ，t h u s ，t h eu s e r sc a n e a s i l ye v a l u a t et h ew a t e r m a r k e dv i d e oq u a l i t y o b j e c t i v e l y 2 ) i n t e g r a t et h r e ev i d e oc o d i n gs t a n d a r d s ，i n c l u d i n gm p e g - 2 、h 2 6 4a n d a v s t h eu s e r sc a ne n c o d ea n dd e c o d ev i d e oc o n v e n i e n t l y a n dt h es y s t e mc a na l s o e x p o r td c tc o e f f i c i e n t sa n dm o t i o nv e c t o r sd u r i n gt h ep r o c e s so fe n c o d i n ga n d d e c o d i n gf o ra n a l y s i sa n df u r t h e rp r o c e s s i o n 3 ) i n t e g r a t es y n t h e s i sa n dd e c o m p o s i t i o no f y u vc o m p o n e n t sa n dg r a b b i n g o fv i d e of r a m e t h er e s e a r c h e r sc a nu s et h i sf u n c t i o nt og e ti n d i v i d u a lc o m p o n e n tf o r f u r t h e rw a t e r m a r k i n go ra n a l y s i s 4 ) i n t e g r a t et h r e ec o m m o nv i d e ow a t e r m a r ka t t a c k s ：f r a m ed e l e t i o n 、f r a m e i n s e r t i o na n df r a m ee x c h a n g e i tc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fv i d e o w a t e r m a r k i n gb e t t e r , s u c ha sr o b u s t n e s s t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et o o ls y s t e mh a sac o m p l e t es e to ff u n c t i o n s ，a n d f r i e n d l yi n t e r f a c e i t ss i m p l et ou s ea n dc a nh e l pt h er e s e a r c h e r si nt h i sf i e l dc o m p l e t e t h ee v a l u a t i o no fv i d e ow a t e r m a r k i n ge f f e c t i v e l y t h et o o lh a sn o wb e e nu s e di na p r o j e c t k e y w o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k i n g ，m f c ，o l ea u t o m a t i o n ，m u l t i t h r e a d i n g ，v i d e o c o m p r e s s t o n 插图 插图 图2 1 系统整体框架8 图2 2e x c e l 组织架构图1 6 图2 3o l e 实现e x c e l 自动化的过程1 6 图3 1 播放器流程图2 4 图3 2 视频播放的相关函数流程2 8 图3 - 3 加载e x c e l 2 0 0 3 类型库3 l 图3 _ 4p s n r 计算流程图3 l 图3 - 5 系统主菜单3 3 图3 - 6 系统启动界面一3 3 图3 7 视频参数没置界面3 4 图3 8 视频播放界面。3 4 图3 - 9p s n r 值计算效果图3 5 图4 1 混合编码系统框架3 7 图禾2m p e g 2 编码器主要函数框架3 9 图4 3m p e g 2 解码器主要函数框架4 0 图4 4h 2 6 4 编码器主要函数框架4 2 图牟5h 2 6 4 解码器主要函数框架4 3 图4 6 a v s 编码器主要函数框架4 5 图4 7m p e g 2 编码实现效果图5 l 图4 8 系统进程显示图5 l 图4 9p 帧运动欠鼍5 2 图4 1 0b 帧运动欠鼙5 2 图4 1 1d c t 系数5 3 图4 1 2y u v 分解界面5 4 图4 1 3 视频帧转换后效果图5 5 图4 1 4b i t m a p 文1 i ，l ：属性5 5 图4 1 5 帧间攻击界面5 6 图4 1 6 帧删除效果图5 7 图4 1 7 帧插入效果图5 7 图4 1 8 帧交换效果图5 8 表格 表格 表3 1y u v 4 ：1 ：l 的采样格式2 1 表3 - 2 y u v 4 ：2 ：0 的采样格式2 2 表3 3y u v4 ：2 ：2 的采样格式2 2 表3 4 y u v 4 ：4 ：4 的采样格式2 3 表3 5r a w 文件常见的存储格式2 3 表4 _ lm p e g 2 图像类型3 8 表4 2h 2 6 4 编码层次结构4 3 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寓晦平 日期：沁f 。年6 月2 - e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量拷贝并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：寓确年 同期：k i 口年b 月1 日 洛 饵 ， ： s e t c h e c k ( t r u e ) ； 2 ) g e t d l g l t e m ( i d c _ r a d i o1 ) - g e t c h e c k o ； 函数返回l 表示己选上，若返回0 则表示没选上。当界面有多个单选按钮并 欲将其中某几个作为一组时，可通过资源编辑器( r e s o u r c ee d i t ) 修改属性一 常 规 选中组来实现； 4 列表控件 此种控件应用在客观评价指标( p s n r ) 的计算过程中，用来接收从e x c e l 表中读取出的p s n r 值。v c + + 6 0 实现对列表控件的访问方式：首先利用类向导 ( c l a s s w i z a r d ) 生成与列表框控件相关联的c l i s t c t r l 类变量，利用此类的成员 函数i n s e t c o l u m n 完成初始化，在使用时利用成员函数s e t l t e m t e x t 实现数据显示 在列表中的指定位置，利用s e t e x t e n d e d s t y l e 设置c l i s t c t r l 控件的扩展风格。 上述成员函数的原型为： 1 ) i n ti n s e r t c o l u m n ( i n tn c o l ，表示要插入的列号 l p c t s t r l p s z c o l u m n h e a d i n g ， 列标题的字符串的地址 i n tn f o r m a t = l v c f m tl e f t ，指定列的对齐方式 i n tn w i d t h = 一1 ，以像素为单位的列宽，缺省 i n tn s u b l t e m = 1 ) ；指明与其相关的索引号，缺省 2 ) i n ti n s e t r l t e m t e x t ( i n tn ，i n tmc s t r i n gs t r ) ；其中，整型变量n 和整型 变量m 分别代表的是列表中的行数和列数，c s t r i n g 类变量s t r 代表要写入列 表中的数据； 3 ) s e t e x t e n d e d s t y l e ( l v s e x g r i d l i n e s ) ；其中参数是可选的，本系 统巾只用到此选项，表示在列表控件中画 h 网格线。 中山人学硕i j 学位论文 2 3 3 多线程技术 现在的大多数操作系统都是多任务的，所谓多任务是指一个可执行程序可以 同时运行多个进程，每个进程又可以同时访问多个线程【1 5 】【16 1 。 1 进程 进程是某个应用程序的执行实例。进程包括操作系统用来管理进程的内核对 象和地址空间，开发人员通过w i n d o w s 提供的函数进行内核对象的操作，进程 一旦创建，系统将会给此进程分配进程所需的系统资源。进程在运行过程中所创 建的资源随着进程的终止而被销毁，所使用的系统资源在进程终止时也会被释放 或关闭。 2 线程 线程是一个独立的执行体，是某个进程内部的一个独立执行单元，相当于一 个子程序。它对应于v i s u a lc + + 6 0 中的c w i n t h r e a d 类对象。线程由内核对象和 线程栈两部分构成。对于每一个进程来说，至少有一个系统自动创建的主线程， 主线程以函数地址的形式出现，此函数地址提供了程序的启动点，如常见的m a i n ( ) 函数。当主线程终止时，进程也随之终止。 根据实际需要，某个应用程序可以被分解成许多独立执行的线程，即同一进 程同时访问多个线程。但是进程并不执行任何功能，它只不过是线程的容器或者 执行环境，真正完成代码的是线程。 3 线程的分类 线程被分为两种：用户界面线程和工作者线程： 1 ) 用户界面线程。此类线程通常用来处理用户的输入并响应各种事件和消 息。应用程序的主执行线程c w i n a p p 对象就是一个用户界面线程，当应用程序 启动时，系统会自动创建和启动主线程； 2 ) 工作者线程。此类线程主要用来执行应用程序的后台处理任务，比如对 串口的读写操作等。它和用户界面线程的区别在于它不需要从c w i n t h r e a d 类派 生来创建，对于此种线程来说，最重要的是如何完成工作者线程任务的运行控制 函数的编写。 4 多线程的优势 总的来说，使用多线袢的优势在于以下三方面： 1 4 第2 章系统总体介绍及相关技术 1 ) 可以降低窗i s l 问的通信的开销； 2 )可以同时访问进程的全局变量和资源； 3 )针对计算量较大的程序，可以防止界面停止响应出现“假死”状态。 2 3 4o l e 自动化技术 在系统实现将客观评测指标p s n r 值输出到e x c e l 表并从e x c e l 表中读 取数据到用户界面。在v c + + 6 0 中，实现e x c e l 自动化的方法通常有三种： m f c 、# i m p o r t 、c c + + 。其中，m f c 方法最为简单，可以充分利用v c 中的 a u t o m a t i o n 技术；# i m p o r t 命令可以生成一个功能非常强大的智能指针，但是容 易引起引用计数问题；c c + + 方式的使用经常是为了弥卒b # i m p o r t 命令引用计数 问题，在一般的系统丌发中并不涉及此方式。 通过对三种方法的对比可见，m f c 方法操作相对比较简单，因此在本系统 开发过程中采用了m f c 中的a u t o m a t i o n 技术实现e x c e l 的自动化。 a u t o m a t i o n 技术以前被称为o l e 技术，此技术可以基于c o m 的对象组织 机制方便可靠的链接、嵌入、存储和处理对象。o l e 技术有o l e l 0 和o l e 2 0 两个规范，后者在前者的基础上进行了完善并增强了以下三个方面的性能：o l e 自动化、o l e 控件和o l e 文档。 o l e 自动化技术采用c s 模式实现对e x c e l 表的访问，此时e x c e l 作为 自动化服务器，本系统则是自动化客户端。对e x c e l 进行访问控制时，e x c e l 服务器在后台被动的按客户端的要求提供所需服务。o l e 自动化技术可以通过 o l e 自动化对象让使用者方便地控制其他应用程序中的对象【1 7 】【1 引。 o l e 自动化对象在本质上是一种实现i d i s p a t c h 接口的c o m 对象。d i s p a t c h 接口最重要的方法是i n v o k e ( ) 。当客户端获取一个e x c e l 自动化服务器的 i d i s p a t c h 接口指针后就可以调用i n v o k e ( ) 方法来执行e x c e l 服务器。 1 ) e x c e l 组织架构 m i c r o s o f t 的o f f i c e 产品中都提供了o l e 自动化程序接口，其中e x c e l 服 务器的对象模型组织架构如图2 2 所示。 中山人学帧i j 学位论义 2 ) o l e 自动化过程 图2 - 2e x c e l 组织架构图 图2 3o l e 实现e x c e l 臼动化的过程 图2 3 显示了o l e 技术实现e x c e l 自动化的过程，共分为以下五个步骤： ( 1 ) 检查注册表文件，判断e x c e l 服务器程序是否已安装； 1 6 笫2 章系统总体介绍及相关技术 ( 2 )建立与服务器程序之间的连接，若未启动e x c e l 服务器，则创建 i d i s p m c h 接口指针，从而运行e x c e l 自动化服务器； ( 3 ) 建立客户端与服务器程序之间的连接，创建o l e 自动化对象； ( 4 ) 通过o l e 自动化对象实现对e x c e l 的写入和读取操作； ( 5 ) 释放i d i s p m c h 接口，关闭e x c e l 服务器程序，终止客户端和服务器 程序之间己建立的连接。 2 4 本章小结 本章首先主要介绍了视频水印技术的发展及当前算法的优缺点，提出当前的 科研需求：需要一个相对完善的工具辅助视频水印的研究和开发人员去评测视频 水印系统，接着针对需求从总体上阐述视频水印辅助工具系统，包含的功能有： 实现主观感知的播放模块、客观评测模块、视频编码解码模块以及d c t 变化系 数和运动矢量的提取、y u v 的合成与分解、视频帧的存储和转换、三种常用的 攻击方式。最后简要阐述在丌发过程中所涉及的相关技术： 1 v i s u a lc + + 交互式开发环境的m f c 框架和本系统中使用的丌发设计模 式一文档视图丌发模式； 2 v c 控件编程及本系统开发中用到控件的使用方法； 3 进程和线程概念以及多线程编程技术的优势； 4 v c + + 借助o l e 自动化技术实现对e x c e l 的写入和读取。 1 7 第3 章主客脱计测 第3 章主客观评测 第2 章已总体介幺 系统的功能，为了获得更好的评测效果，对视频水印系统的评测分 为主观和客观两方面。在本文中的主观评测是由原始格式视频播放器完成，客观评测由 p s n r 值的计算完成。本章首先介绍视频播放器开发中涉及的两种色彩空间模璎r g b 和 y u v 、接着详细描述涉及剑的两种文件格式各自的存储方式及其转换为r g b 色彩空间的原 理；其次介绍客观性能指标p s n r 值的计算，最后给出系统的主客观评测的仿真测试效果 图。 3 1色彩空间模型及文件格式 3 1 1 色彩空间模型概述 颜色存是人的视觉系统对光频谱中可见区的感知，是对颜色进行编码的一种 方法，它的引入是为了更准确的描述颜色。在视频信号处理方面主要的色彩空间 模型有r g b 和y u v 两种，同时这两种色彩空间模型的转换是视频信号处理系 统的一个关键步骤，也是后期信号处理的基础。因此首先要了解这两种色彩空间 模型。 1 r g b 色彩空间模型 r g b 色彩空i 日j 模型的基础是自然界中的三基色原理：任何一种颜色都是红 ( r e d ) 、绿( g r e e n ) 、蓝( b l u e ) 三种基色光分别按从0 至2 5 5 的不同比例混合 而成的。公式3 1 显示了三基色的原理。 f = r ( r ) + g ( g ) + b ( b ) ( 3 - 1 ) 从上述公式可见，r g b 色彩空间模型是一种相加成像系统f 1 9 1 。r g b 三种基 色光经伽马校f 后都变为0 时，混合叠加出的光为黑色光；当三种基色光各自的 比例都为2 5 5 时，混合叠加出的光为白色光。 由r g b 三分量叠加而成的颜色在平台之l 日j 的映射和转换时，并不会严重丢 失信息，因此在大多数多媒体计算机中，r g b 色彩空间模型是最多见的。但r g b 色彩空间模型在表示f - t 然图像的实际f 电用当中，三个分量具有较高的相火性：b 1 9 中山人学硕i ：学位论文 和g 的相关系数0 7 8 、r 和g 的相关系数为o 9 8 、g 和b 的相关系数为o 9 4 【2 0 1 ， 并不符合人类视觉模型的特点，因而产生了其他的色彩空蒯模型，如x y z 、y i q 、 v 等。 2 y u v 色彩空问模型 在以往的黑白电视系统中只传输亮度信号y ，但是随着人们对彩色电视的需 求增加，迫切需要一个能够增加色彩并能兼容黑白电视系统的信号，于是科学家 们在原有亮度信号上增加了两种色度分量( u 分量和v 分量) 来解决这个问题， 因此也就产生了y u v 色彩空间【2 1 】。y 1 是欧洲电视系统所普遍采用的颜色编 码方式，是p a l 制s e c a m 模拟彩色电视所采用的颜色空间模型。 由于人眼对亮度信号的敏度度高于对色度信号的敏感度，并且百分之六十五 左右的亮度信号包含在g 分量内，所以两种色度信号是在r 和g 两种分量中直 接抽取出亮度信号得来的。其中，用y 表示亮度信号，用u 和v 表示构成色彩 的两个分量。对于只有y 分量而没有u 、v 分量的图像来说，此时已变成一幅 黑白灰度图像。 另一方面，y u v 色彩空间模型的优势在于它的亮度信号y 和色度信号u 、 v 是相互独立的，所以由y u v 三分量构成的图像可以进行单独的编码及进一步 处理，并且在实现压缩编码、传输和处理上相对比较方便。 3 1 2y u v 格式和r a w 格式 在本系统中，完成主观评测功能的原始格式视频播放器所涉及到的视频格式 有y u v 和r a w 两种，本小节将详细介绍这两种视频格式的存储格式。 1 y u v 的部分采样 众所周知，图像是由按照一定的方式排列的像素构成。在y u v 图像中按照 y u v 三分量的排列方式，可以将y u v 格式分为打包格式和平面格式两种。格 式种类的不同决定了像素的排列方式的不同。 在打包格式中，y 、u 、v 三种分量的抽样值存储在一个宏像素内，然后由 宏像素构成图像进行存储。常见的打包格式有：y u y 2 、y v y u 、a y u v 、y 4 1 p 、 y 2 1 1 等。 在平面格式中，y 、u 和v 三种分量各为一个平面，然后由这三个独立的平 2 0 第3 帚主客观计测 面构成图像进行存储，常见的平面格式有：y v u 9 和i y u v 等。 上述两种y u v 格式的表示符号被称为f o u r c c 码【2 2 1 ，f o u r c c 码由微软 公司引入，其英文全称为f o u rc h a r a c t e rc o d e ，目前已被处理的软件和硬 件提供商广泛采纳。 如3 1 1 小节所述，y 分量与u 、v 分量相比显得更为重要，因此在不使用 复杂算法时，可以适当丢弃u 、v 分量，从而达到压缩的目的，这就是常说的 y u v 部分采样。本系统中采用的主要部分采样格式有y u ：v4 ：1 ：l 、y u ：v4 ：2 ：0 、 y ：u ：v4 ：2 ：2 和y ：u ：v4 ：4 ：4 四种f 2 3 1 。 1 ) g r a y ，此种采样格式中，只保存对亮度信号的采样值，而不保存两种色 度信号( u 和v 分量) 的采样值，因此此种采样格式的图像为灰度图像。 2 ) y u v4 ：1 ：l ，如表3 1 所示：此种采样格式在水平方向上对色度信号进 行4 ：1 采样，对于未压缩的8 比特量化的视频而言，每个由4 个水平方向相邻的 像素组成的宏像素共占用6 个字节的存储空间；此采样格式主要应用在n t s c d v 和d v c a m 中。 表3 - 1y u v 4 ：1 ：1 的采样格式 y 第一行 yy y u v y 第一二行 yyy u v y 第三行 yyy uv y 第四行 yyy u v 3 ) y u v4 ：2 ：0 ，如表3 2 所示：此种采样格式并不是只有y 、u 分量而没有 v 分量，而是对于每行扫描线来说，只有一种色度分量( u 或v ) 以2 ：1 的采样 比率进行存储，相邻的扫描线则存储不同的色度分量。对于未压缩的8 比特量化 的视频而言，每个由【q 个相邻的像素组成的宏像素共占用6 个字节的存储窄| h j 。 此采样格式的质量同y u v4 ：1 ：1 采样格式的质量很接近，通常用fd v d 、p a ld v 中，同时也是视频信号处理中的常用格式。 中山人学硕i ：学位论文 表3 - 2y u v4 ：2 ：0 的采样格式 yy 第一行 yy uu y y 第_ 二行yy v v yy 第三行 y y uu y y 第四行 yy vv 4 ) y u v4 ：2 ：2 ，如表3 3 所示：此种采样格式中，每个色度信号的抽样率 是亮度信号的一半。对于未压缩的8 比特量化的视频而言，每个由2 个水平方向 相邻的像素组成的宏像素共占用4 个字节的存储空间。 表3 - 3y u v 4 ：2 ：2 的采样格式 yy 第一行 y y uvuv yy 第_ 二行 yy u v u v yy 第二行 yy uv u v yy 第四行 yy uvuv 5 ) y u v 4 ：4 ：4 ，如表3 4 所示：y 、u 和v 三个分量的采样比率相同，因此 在生成的图像中，每个像素的三个分量的信息保存完整( 每个分量通常为8 比 特) ，经过8 比特最化之后，未压缩的每个像素共占用3 个字节的存储空间。由 于此格式完整的表示了最真实的色度信号，所以此格式是一种比较理想的采样格 笫3 章主客脱计测 式，主要应用在影片的后期处理以及高端的底片扫描仪上。 表3 _ 4y u v 4 ：4 ：4 的采样格式 y y yy 第一行 u v u v u vu v yyyy 第二行 u vuvu vu v yyyy 第三行 u vuvu vu v yyyy 第四行 u vuvu vu v 综上所述，y u v 的部分采样格式的不同直接影响图像数据的存储空间大小 以及读取和存储的速率。 2 r a w 格式 r a w 是原始图像数据的存储格式。严格地来说，r a w 并不能算真正的图 像存储格式，因为r a w 文件取源于数码相机的传感器，文件内部的数据表征了 由感光器件感光时所产生的电信号，必须通过一定的图像处理软件来生成具有普 遍意义的图像文件。 r a w 文件( 扩展名是洲) 是一种“无损失”的未压缩数据格式文件， 它内部的数据没有经过任何形式的处理，故可得到最高的图像质量【2 4 1 。另外r a w 文件有一个相对特殊的特点：没有头文件和调色板信息等，故在实现r a w 格式 转换为其他格式时，只需加上其他格式所需的文件头即可实现转换的目的。 表3 - 5r a w 文件常! ! 的存储格式 r g b 【r 】【g 】【b 】【r 】【g 】【b i b g r 【b 】【g 【r j b j 【g 】【r 】 c m y 【c 】【m 】【y 】f c 】【m 】【y 】 c m y k 【c 】【m 】【y 】【k 】【c 】【m 】 中山人学顾l j 学位论义 表3 5 显示了r a w 文件常见的存储格式，本系统实现过程中，涉及了两种 比较典型的：r g b 和b g r 。r a w 文件有灰度r a w 文件和彩色r a w 文件两种。 在狄度r a w 文件中，每个像素点均用8 b i t s 来表示，采用光栅扫描方式： 即先从左到右，再从上到下；彩色r a w 文件，也采用光栅扫描方式，分为i n t e r l a c e 和s e q u e n t i a l 两种：在i n t e r l a c e 格式中，一个像素点的r 、g 、b 三分量值记录 完毕之后，再去记录下一个像素点的r 、g 、b 三分量值，在s e q u e n t i a l 格式中， 先存储所有的r 分量，然后存储g 分量，最后存储b 分量。 3 2 视频播放模块 图3 - 1 播放器流程图 自 两节已介绍播放器丌发中涉及到的两种色彩空问模型、两种文件格式以及 各自的存储方式，本节将介绍视频播放模块，其流程图如图3 一l 所示。本节主要 讲述y u v 格式文件和r a w 格式文件转换为d i b 文件的原理，及d i b 文件的显 示原理。 第3 章土客脱计测 3 2 1图像格式转换及显示原理 视频是由连续的图片序列组成，若想利用图像达到连续的播放效果，必须保 证图像序列的更新时间小于人眼的暂留时间( 1 1 2 1 1 6 秒) ，但由于y u v 和 r a w 格式的种类繁多，针对不同的数据格式，每行的采样数目、每帧中的有效 行数都不同，因此对图像的更新时间要求也不尽相同。另外，w i n d o w s 系统内 部各种各样的图像处理软件都是以b m p 图像文件为基础，故在多媒体计算机上 显示文件或r a w 文件时，须将其转换到r g b 色彩空间的b m p 文件。 b m p 文件分为依赖设备的位图( d d b ) 和与设备无关的位图( d m ) 。w i n d o w s v e r s i o n3 0 之前，b m p 文件被称为d d b 文件，之后，b m p 文件与显示设备不 再有关，因此有时也把b m p 文件称为d i b 文件。d i b 文件具有良好的跨平台操 作性，并且可以永久保存数据，并且能在多种显示设备上实现其显示，因此在本 模块的开发中利用d i b 。 位图文件由四个部分组成【2 5 】：位图文件头，位图信息头，调色板和实际的 位图数据。其中最重要的是位图文件头和信息头。 1 ) 位图文件头 t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r w o r db f r y p e ；指示文件类型，必须是0 x 4 2 4 d d w o r d b t s i z e ；指示文件大小，包括b i t m a p f i l e h e a d e r 的1 4 个字节 w o r db f r e s e r v e d l ；保留字，必须为0 w o r db f r e s e r v e d 2 ；保留字，必须为0 d w o r db f o f f b i t s ； 指示文件头到实际的位图数据的字节偏移数 b i t m a p f i l e h e a d e r ；共1 4 字节。 2 ) 位图信息头 t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r d w o r db i s i z e ；指示本结构的长度 l o n gb i w i d t h ；指示图象的宽度 l o n gb i h e i g h t ；指示图象的高度 w o r d b i p l a n e s ；必须是1 中山人学硕i ：学位论义 w o r db i b i t c o u n t ；表示颜色时要用到的位数，设为8 ，代表2 5 6 色 d w o r d b i c o m p r e s s i o n ；指定位图是否压缩，设为b i r g b 表示不压缩 d w o r d b i s i z e l m a g e ；位图数据占用的字节数，b i s i z e l m a g e = b i w i d t h x b i h e i g h t l o n g b i x p e l s p e r m e t e r ；目标设备的水平分辨率 l o n g b i y p e l s p e r m e t e r ；目标设备的垂直分辨率 d w o r db i c l r u s e d ；实际用到的颜色数，0 表示颜色数为2 b i b i t c o u n t d w o r d b i c l r l m p o r t a n t ；位图中重要的颜色数，0 表示所有颜色都重要 b i t m a p i n f o h e a d e r ；共4 0 字节。 1 图像格式转换原理 为了显示视频图像，需要了解格式转换的基本原理： 1 ) y u v 与r g b 之间的互换 人眼能分辨的颜色数目远小于p o w ( 2 ，2 4 ) ，所以在多媒体计算机中，只采用 r g b 色彩空间的一个子集r g b8 ：8 ：8 来表示颜色即可，其中r g b 各分量的值均为 0 至2 5 5 之间的整数，同样，y u v 三分量值也为0 至2 5 5 之间的整数。由y u v 的8 位b t 6 0 1 定义可派生出下列关系： y = r o u n d ( 0 2 5 6 7 8 8 宰r + 0 5 0 4 1 2 9 奎g4 - 0 0 9 7 9 0 6 幸b ) + 1 6 u = r o u n d ( - 0 1 4 8 2 2 3 宰r 一0 2 9 0 9 9 3 堆g + 0 4 3 9 2 1 6 宰b ) 4 - 1 2 8 v = r o u n d ( 0 4 3 9 2 1 6 宰r 一0 3 6 7 7 8 8 木g - 0 0 7 1 4 2 7 b ) 4 - 1 2 8( 3 - 2 ) 因此可以近似得到r g b 色彩空间