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第四章数字视频基础 像素是数字图形与图像中能被单独处理的最小基本单元 注 从像素的视觉属性看 它是一个最小可视单位 从像素的量值属性看 它的数据结构应同时包含有显示地址 色彩 亮度等数据 这些数据就称为像素值 如果把每个像素值按照图像中该像素所对应的位置排列 就可以构成一个像素矩阵 矩阵中的每一个元素对应图像中的一个点 因此数字图形与图像的非线性编辑正是对这个像素矩阵的数据采用一定的算法进行有目的的处理 1 图形 图像的像素 常见的色彩模式有 HSB 色相 饱和度 亮度 RGB 红色 绿色 蓝色 CMYK 青色 洋红 黄色 黑色 LAB 由亮度L分量和两个色度分量 A从绿色到红色 B从蓝色到黄色 YUV与YIQ模式 其中HSB 不常用 RGB三色光混合 用于显示器 CMYK以打印在纸上的油墨的光线吸收特性为基础 2 图形图像的色彩模式 RGB 红色 绿色 蓝色 RGB模型也称为加色法混色模型 它是以RGB 红 绿 蓝 三基色光互相叠加来实现混色的方法 因而适合于显示器等发光体的显示 当三种基本颜色等量相加时 就会得到不同深浅的灰色 然而物体的颜色是丰富多彩的 任何一种颜色和这三种基色之间的关系可用下面的配色方程来描述 F 物体颜色 R 红色的百分比 G 绿色的百分比 B 蓝色的百分比 YUV与YIQ模式 YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式 而YIQ适用于NTSC NationalTelevisionSystemCommittee 国家电视系统委员会 彩色电视制式 其中Y是亮度信号 U和V则是两个色差信号 分别传送红基色分量和蓝基色分量与亮度分量的差值信号 在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型 其特性与YUV模型相近 3 图形与图像的基本类型 位图图像在技术上称为栅格图像 它使用彩色网格即像素来表现图像每个像素都具有特定的位置和颜色值 优缺点 矢量图形由称为矢量的数学对象定义的线条和曲线组成 矢量根据图像的几何特性描绘图像 优缺点 4 图形与图像的基本属性 分辨率颜色深度Alpha通道 分辨率 分辨率是一个统称 分为显示分辨率 图像分辨率等 显示分辨率是指某一种显示方式下 显示屏上能够显示出的像素数目 以水平和垂直的像素数表示 图像分辨率是指组成数字图形与图像的像素数目 以水平和垂直的像素数表示 关于图像的大小和分辨率 显示器分辨率 显示器上每单位长度显示的像素或点的数量 通常以点 英寸 dpi 来表示 硬件上与制造有关 一定的图像像素在不同分辨率的屏幕上显示的大小不一样 屏幕分辨率越大显示的图像越小 显示器的尺寸只影响人视觉上的大小 图像分辨率 通常以像 英寸 ppi 来表示 在photoshop中可以更改图像的分辨率 在inmageready中 图像的分辨率始终是72ppi 由于其创建的图像专门用于联机Web介质而非打印介质 在photoshop中 图像的分辨率和像素尺寸是相互依存的 由于一定的打印机其打印分辨率是一定的 如果在打印尺寸一定的情况下 图像分辨率越大 像素尺寸越小 文件大小 图像大小是指图像的容量数字大小 度量单位是字节 相同的图像尺寸 像素越多 图像尺寸越大 1 1英寸200ppi的图像所包含的像素是1 1英寸100ppi所包含的像素的四倍 所以文件大小也是它的四倍 另外 文件的压缩格式也影响图像文件的大小 颜色深度颜色深度是指图像中每个像素的颜色 或亮度 信息所占的二进制数位数 记作位 像素 bitsperpixel bpp 常见颜色深度种类有 4位 这是VGA标准支持的颜色深度 共16种颜色 8位 这是数字媒体应用中的最低颜色深度 共256种颜色 16位 在16位中 用其中的15位表示RGB三种颜色 每种颜色5位 用剩余的一位表示图像的其他属性 24位 用三个8位分别表示RGB 称为三个颜色通道 可生成的颜色数为16777216种 约16M种颜色 这已成为真彩色 32位 同24位颜色深度一样 也是用三个8位通道分别表示RGB三种颜色 剩余的8位用来表示图像的其他属性 Alpha通道使用32位颜色深度时 用一个8位来表示图像的透明度信息 这个8位通道称为Alpha通道 Alpha通道分为两种类型 Straight和Premultiplied通道 StraightAlpha通道将像素的透明度信息保存在独立的Alpha通道中 它也被称为不带遮罩的Alpha通道 PremultipliedAlpha通道不但保存Alpha通道中的透明度信息 而且同时保存RGB通道中的相同信息 因而它也被称为带有背景色遮罩的Alpha通道 数字视频原理及标准 1 动态图形与图像的视觉原理人眼具有 视觉暂留 的时间特性 人眼对光像的主观亮度感觉与光像对人眼作用的时间并不同步 主观感觉亮度是逐渐下降的 如图所示 视觉暂留一般时间较短暂 约0 1s 0 4s 利用这一现象 将一系列画面中物体移动或形状改变很小的图像 以足够快的速度连续播放 就会产生连续活动的场景 电影电视里屏幕闪烁 车轮风扇反转等 2 视频的定义视频又称运动图像或活动图像 它是指连续地随着时间变化的一组图像 一般情况下该组图像具有相关性 趋于一致 帧 一幅单独的图像 frame 帧率 每秒种播放的帧数 单位是f s典型的帧率 24f s 25f s 30f s常见的视频信号 电影 电视 3 视频信号的描述 普通电视制式 PAL NTSC SECAM制 从扫描的形式上看 可以分为非交错式和交错式 逐行 隔行 NTSC制式 美国 日本 中国台湾等 NationalTelevisionSystemsCommittee 1953 美国 30帧 秒 29 97fps 525行 帧 隔行扫描 2场 帧 262 5行 场 颜色模型 YIQ 宽高比 4 3 帧大小 352 240 PAL制式 中国 德国 英国 朝鲜等 PhaseAlternationLine 1962 德国 25帧 秒 625行 帧 隔行扫描 2场 帧 312 5行 场 颜色模型 YUV 宽高比 4 3 帧大小 352 288 SECAM制式 法国 俄罗斯 东欧国家 轮流传送彩色与存储 1966年 法国 类似PAL制式 数字电视 拍摄 编辑 制作 传输 播出 接收电视信号全过程都使用数字技术的电视系统 目前数字视频可以分为三种不同的标准 1 ATSC AdvancedTelevisionSystemsCommittee 广播行业组织 美国高级电视系统委员会 标准 该标准中14种采用逐行扫描方式 高清晰度电视 HDTV 为1920 1080 F 帧频F为60 59 94 Hz 隔行扫描 帧频30 29 97 Hz 逐行扫描 帧频24 23 92 Hz 逐行扫描 还有 HDTV 1280 720 F 帧频F为60 59 94 Hz 逐行扫描 帧频30 29 97 Hz 逐行扫描 帧频24Hz 逐行扫描 目前的HDTV有三种显示分辨率格式 分别是 720P 1280 720 逐行 1080i 1920 1080 隔行 和1080P 1920 1080 逐行 常规清晰度电视 SDTV 为704 480 F和64O 480 F 帧频F可以是23 976 24 29 97 30 59 94和60Hz 4 数字视频标准 2 DVB TheDigitalVideoBroadcastingProject 数字视频广播节目 标准 是以欧洲为典型的数字视频标准 25Hz帧频的SDTVIRD可以接收扫描格式为720 576 25 544 576 25 352 576 25的图像 3OHz帧频的SDTVIRD可以支持30000 1001Hz的帧频 可以接收扫描格式为720 480 30 544 480 30 480 680 30 352 480 30和352 240O 30的图像 对25Hz的HDTVIRD 可以接收扫描格式为1152 192O F和1080 1920 F的图像 3 ISDB IntegratedServicesDigitalBroadcasting 综合业务数字广播 标准它是由欧洲的DVB T衍生出来的集中在日本的数字视频标准 可以说是经修改的欧洲方案 与DVB T相比 ISDB T增加了部分接收和分层传输功能 是一种标准化的复用方案 可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务 它可以接收的扫描格式与DVB系统相近 其电视接收器按清晰度等级可分 收看数字电视 数字机顶盒 AV端子 智能卡 1 视频数字化过程 视频是连续的图像图像是离散的视频 二 视频的数字化 2 数字视频的优点与模拟视频相比 其优点 数字视频便于创造性的编辑与合成 数字视频可不失真地进行多次复制 在网络环境下容易实现资源共享 数字视频可与其它媒体组合使用缺陷 处理速度慢 数据量大 压缩 光盘 运动图像压缩标准 一 MPEG标准概述MPEG MovingPictureExpertsGroup 运动图像专家组 是在1988年由ISO IEC联合成立的工作组 其主要任务是制订各种运动图像及其伴音信号的数字压缩国际标准 1 MPEG 1标准MPEG 1是92年通过的用于1 5Mbps速率的数字存储媒体运动图像及伴音编码标准 MPEG 1主要应用 光盘 数字录音带 磁盘 通信网络以及VCD等 5 2运动图像压缩标准 2 MPEG 2标准MPEG 2是1994年通过的用于4 15Mbps速率的广播级运动图像及伴音编码国际标准 MPEG 2主要应用 DVD HDTV 高清晰度电视 视频会议以及多媒体邮件等 3 MPEG 4标准MPEG 4是1998年通过的用于低比特率 64kbps 的视频压缩编码标准 主要应用 可视电话 视听对象 交互 衍生DIVX DivX是将影片的音频由MP3来压缩 视频由MPEG 4技术来压缩 最后再将两部分合成制作而成的Xvid 真正全开放 性能比DIVX更佳 运动图像压缩标准 4 MPEG 7标准MPEG 7 MultimediaContentDescriptionInterface 多媒体内容描述接口 规定一套描述符标准 用于描述各种多媒体信息 以便更快更有效地检索信息 主要应用 数字图书馆 广播媒体选择 多媒体编辑以及多媒体索引服务 5 MPEG 21标准多媒体框架 MultimediaFramework 运动图像压缩标准 6 H 264 AVC是由ITU T视频编码专家组 VCEG 和ISO IEC动态图像专家组 MPEG 联合组成的联合视频组 JVT JointVideoTeam 提出的高度压缩数字视频编解码器标准 H 264 MPEG 4AVC x 264是H 264的另外一种开源编码格式 相对依赖CPU软件解码 7 VC 1微软公司高清电视压缩标准 VC 1和H 264一样是下一代数字高清电视的视频压缩标准 VC 1是SMTP 美国电影协会 所有 只有付费才能拿到 运动图像压缩标准 8 AVSAVS AudioandVideocodingStandardWorkgroupofChina 信息技术先进音视频编码 是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准 是国家标准之一 据传 AVS和H 264即将成为IPTV的候选国际标准 MPEG 4未入选 视频容器格式定义了怎么存储数据 视频和音频 而不论存储什么类型的数据 不是所有视频格式能兼容该容器格式 一般我们说视频文件格式主要是指容器格式 而不是指编码格式 1 AVI文件AVI AudioVideoInterleave 是一种音视频交叉记录的视频容器文件格式 微软在1992年推出AVI文件及其应用软件VideoforWindows 故通用性好 使用广泛 索引放在文件尾部 特点 AVI采用帧内压缩 可用一般的视频编辑软件进行编辑 提供无硬件视频回放 其窗口大小和帧率可根据播放环境调整 不适用网络流媒体 高码率和动态速率编码支持不好 三 视频容器格式 文件格式 2 MOV文件MOV Moviedigitalvideo 文件是Apple公司在其Macintosh机推出的视频文件格式 其相应的视频应用软件QuickTime QuickTimeforMacintoshQuickTimeforWindows目前很少有人使用 3 MPEG MPG文件MPG文件是采用MPEG算法进行压缩的全运动视频文件格式 可同步播放全运动视频图像和CD音乐伴音 其扩展名一般是 mpg或 mepgVideoCD的文件名是 DAT M1V 基于MPEG1压缩算法 DVD文件一般是 VOB M2V 4 WMV文件微软公司的编码方式 可用在Internet上实时传播多媒体的技术标准 可扩充的媒体类型 本地或网络回放 可伸缩的媒体类型 流的优先级化 多语言支持 扩展性等5 Asf文件asf AdvancedStreamingformat 高级流格式 是MICROSOFT为了和现在的Realplayer竞争而发展出来的一种可以直接在网上观看视频节目的文件压缩格式 实用于网络实时观看 6 3GP文件3GP是一种3G流媒体的视频编码格式