非线性编辑----数字视频

数字视频基础KeytoDigitalVideo 一 摄录一体机的基本构成 成像器有CCD CMOS两种 对角线尺寸一般为 1 3英寸 约6mm 1 2英寸 约9mm 和2 3英寸 约11mm 全画幅成像器的对角线尺寸为43 2mm 与135胶片相等 数字摄像机常用的编码算法有DV和MPEG两大类 对应的摄像机格式有DV 25 DV50 HDV DVCPROHD HDCAM XDCAM等 存储介质可分为磁带 Tape 和无带化 Tapeless 两类 无带化存储则是用光盘 硬盘或存储卡作为存储媒体 索尼多用专业光盘 ProfessionalDisc 类似蓝光DVD 另外也使用SxS卡 松下多用P2卡 二 数字摄像机的制式 两大电视制式 NTSC制和PAL制 NTSC是NationalTelevisionSystemsCommittee的缩写 意为 美国 电视制式委员会 美日加韩等用 PAL是PhaseAlternatingLine的缩写 实为逐行倒相的NTSC制 西欧 中国等用 与制式有关的参数主要有 扫描方式 分辨率 每帧行数及帧速率等 1 扫描方式 扫描方式 逐行扫描 progressivescan 和隔行扫描 interlacescan 隔行扫描是将一幅图像分为奇 偶两场来显示 奇数场 上场 由1 3 5 7 奇数行构成 偶数场 下场 由2 4 6 8 偶数行构成 对于隔行扫描 两场等于一帧 逐行扫描没有场的概念 NoField 标清数字视频的场序是下场优先 两种扫描方式的优缺点隔行扫描通过将一帧变为两场 可以在不增加信号带宽的前提下 将屏幕的刷新频率提高一倍 从而克服了大面积的屏幕闪烁现象 另外 在同样的刷新频率下 可以节省一倍的信号带宽 对于数字信号就是数据流量下降一倍 隔行扫描的缺点是容易出现图像并行和行间闪烁现象 理论上画面质量不如逐行扫描 隔行扫描的动态画面用逐行方式显示时 会出现 鼠齿 MouseTeeth 现象 电视适合采用隔行模式 电脑适合采用逐行模式 2 分辨率 标清 StandardDefinition 缩写SD 画幅宽高比是4 3 也有16 9的宽屏 Widescreen 标清 高清 HighDefinition 缩写HD 画幅宽高比16 9 标清分辨率 PAL制720 576 NTSC制720 480 高清分辨率 主要有1920 1080 1440 1080 1280 720几种 1920 1080和1440 1080属于1080高清标准 1280 720属于720高清标准 1080高清标准支持隔行和逐行两种扫描方式 分别用1080p和1080i表示 而720高清标准只支持逐行扫描方式 只有720p一种表示方式 PAL制和NTSC制执行相同的高清分辨率标准 只有1920 1080叫做全高清 Full HD 决定画幅的因素有两个 一是水平和垂直分辨率之比 二是像素宽高比 PixelAspectRatio 以PALD1 DV格式为例 其分辨率是720 576 要想实现4 3的显示比例 必须将像素宽高比调整为1 067 16 9宽屏的PALD1 DV格式 其分辨率也是720 576 要想实现16 9的显示比例 必须将像素宽高比调整为1 422 3 扫描行数与帧速率 扫描行数 包括扫描逆程阶段的无效行 PAL制是625行 帧 NTSC是525行 帧 帧速率 不管是高清还是标清 PAL制帧速率为25FPS FramePerSecond NTSC是30FPS 实际是29 97FPS 场频变为59 94Hz 对于隔行扫描 由于一帧变成两场 PAL制场频为50Hz NTSC场频为60Hz 实际为59 94Hz 场频才是真正的刷新频率 电影的帧速率是24FPS 为了和NTSC制电视进行互转 实际帧速率是23 97FPS 4 制式的表示方式 用525 60和625 50表示扫描制式 525 60 实为59 94 表示NTSC制 625 50表示PAL制 用帧速率来表示制式 25fps指PAL制 29 97fps指NTSC制 将垂直分辨率和扫描类型相结合 可表示清晰度等级和扫描方式等制式信息 如576i 576p 480i 480p 720p 1080i 1080p等 将场频 帧频和扫描类型综合在一起 表示扫描制式及扫描方式 如50i 25P 50p 59 94i 29 97P 24P 23 98P等 以上视频标准在摄像机上叫做记录格式 概括如下表所示 在我国 面向电视运用时 应选择PAL制 隔行扫描 带字母 i 的 在标清数字电视时代 我国视频编辑时应选择PAL制D1 DV格式作为编辑模式 主要参数如图 三 分量数字视频的采样结构 1 模拟分量视频将RGB模拟基色信号转为YUV模拟分量视频 CCD CCD CCD 2 采样将模拟信号数字化的第一步是采样 Sampling 也就是获取模拟信号的幅度样值 以通过量化和编码 将模拟信号转换为数字信号 对于标清信号 亮度分量Y的采样频率是13 5MHz 每行采样点数是720个 对于高清信号 亮度分量Y的采样频率是74 25MHz 每行采样点数有1280 1440或1920个三种情况 不管是标清还是高清 U V两个色差信号的采样频率和采样点数则有多种选择 其采样结构有4 4 4 4 2 2 4 1 1 4 2 0四种 3 采样结构 以标清为例 1 4 4 4采样结构亮度分量Y 蓝色差分量U和红色差分量V的采样频率均为13 5MHz 每一有效行三个信号的采样点数也均为720个 由于亮度信号与两个色差信号的采样频率和采样点数之比为4 4 4 720 720 720 所以将这种采样格式叫做4 4 4采样结构 如图所示 2 4 2 2采样结构亮度信号的采样频率和有效行采样点数仍然为13 5MHz和720点 但U V两个色差信号的采样频率和有效行采样点数分别为亮度信号的1 2 即分别为6 75MHz和360点 如下图 3 4 1 1采样结构亮度信号的采样频率和有效行采样点数仍然为13 5MHz和720点 但U V两个色差信号的采样频率和有效行采样点数分别为亮度信号的1 4 即分别为3 375MHz和360点 如下图 4 4 2 0采样结构如果两个色差信号和4 2 2格式一样 以6 75MHz的频率取样 但每一行只传送两种色差信号之中的一种 两种色差信号每行交替传送 这便是4 2 0取样结构 如下图 下图以PAL制标清为例 形象地给出了不同采样结构下各信号分量的信息量大小及空间分布 四 数字视频的编码格式 1 量化与码率量化就是对模拟信号分成若干个幅度等级 每个等级都用一定位数的二进制数来表示 绝大多数数字摄像机对YUV三个分量都采用8位 Bit 的量化精度 量化后模拟信号就变成了数字信号 8位量化的像素具有256个亮度等级 ColorLevel 数字信号的数据量大小用码率 Bitrate 来表示 码率即数字信号的数据流量 单位有Kbps kilo bitpersecond 千比特每秒 及Mbps mega bitpersecond 兆比特每秒 码率与时间的乘积就是文件的体积 量化后的信号是用二进制编码 未经打包压缩的原始数字信号 因数据量太大 必须进行压缩 不同的压缩算法可形成不同的格式 空间冗余 图像中有许多颜色相同或相近的大面积色块 像素间具有很强的相关性 数据压缩的依据 时间冗余 相邻帧之间有很强的相关性 2 压缩与格式 数据压缩类型有帧内压缩和帧间压缩两大类 帧内压缩即空域压缩 利于解压 画质好 但文件体积大 代表性的格式有DV类格式 M Jpeg Motion Jpeg 格式等 帧间压缩在采用帧内压缩的基础上 同时进行相邻帧之间的时域压缩 压缩效率高 文件体积小 但解压复杂 信息损失稍大 代表性的格式有MPEG类 H 26x类及网络流媒体格式WMV FLV RM RMVB等 3 DV压缩格式 DV特指DigitalVideoFormat 是一种特定的压缩算法和编码格式 DV格式采用DCT DiscreteCosineTransform 离散余弦变换 算法进行空间变换 形成8 8的DCT数据块 然后通过量化和游程编码 去掉画面中的空间冗余信息 从而降低了每一帧的数据量 DV格式不能进行帧间 Inter frame 压缩 但可在同一帧内进行场间 Inter field 压缩 3 DV压缩格式 民用级DV格式主要指标有 8位量化 4 1 1或4 2 0采样结构 压缩比为5 1 压缩后码率为25Mbps 所以DV又叫DV25 或者说DV是DV25的简称 广播级的DV格式叫DV50 主要指标有 8位量化 4 2 2采样结构 压缩比为3 3 1 压缩后码率为50Mbps 松下的DVCPRO50系列摄像机即属于广播级标清摄像机 DVCAM和DVCPRO分别是索尼和松下专有的一种非通用DV25格式 4 MPEG 2编码格式 MPEG 2 MovingPicturesExpertGroup 广泛地用于数字摄像机 DVD及数字视频广播 DigitalVideoBroadcasting DVB 等领域 MPEG 2有三种编码帧 分别是I帧 P帧和B帧 I帧即帧内编码帧 Intra codedframes P帧是预测编码帧 Predictive codedframes B帧是双向预测编码帧 Bidirectional predictive codedframes I帧利用空间相关性采用和DV一样的DCT算法进行帧内压缩 P帧和B帧都属于帧间压缩 MPEG 2视频流的基本单位是图像组 GroupofPictures GOP 一般由少则一帧 只有I帧 多则十几帧构成 只有I帧的GOP叫短GOP ShortGOP 本质上和DV格式是一样的 超过一帧的叫长GOP LongGOP 5 MPEG 4AVC H 264 编码格式 MPEG 4AVC是ITU T 国际电信联盟 和ISO IEC 国际标准化组织 国际电工委员会 共同开发的新一代视频压缩标准 在ITU T叫做H 264 在ISO IEC则叫做MPEG 4AVC AdvancedVideoCoding 高级视频编码 简称AVC MPEG 4AVC H 264 和MPEG 2一样 既有帧内压缩 又有帧间压缩 采用由I帧 P帧和B帧构成的GOP结构 但比MPEG 2压缩效率高1倍以上 比DV 25 格式更是高了一个数量级 MPEG 4AVC H 264 在数字摄像机 高清数字电视及蓝光盘等领域 和MPEG 2形成了竞争 并存的局面 五 数字摄像机的分类 1 DV25标清系列DV25摄像机简称DV机 属于专业以下级别的标清摄像机 采用DV格式压缩 码率为25Mbps 手持系列如松下的DVC180 佳能的XL2 JVC的GY DV300 310及索尼的PD10P PD190 PD198等 肩扛系列这类机型是DV25中的高端产品 多采用3片2 3英寸的CCD和大口径可更换变焦镜头 具有接近于广播级摄像机的成像质量 广泛地用于新闻采访及一般专题片 广告片的拍摄 常见机型有 松下的AJ D610 615和索尼的DSR 600 650 2 DV50系列代表性机型是松下的DVCPRO50系列 采用双DV25编码器 8位量化 4 2 2采样 DV编码 3 3倍压缩 视频码率为50Mbps 具体机型有AJ D815 908 D913等 索尼的DigitalBetacam系列 数字Beta 虽然指标更好 但本质上也可归属于DV50系列 3 DVCPROHD系列 DVCPROHD 亦称作DVCPRO100 是松下DVCPRO50的 高清版 摄像机系列 DVCPROHD继承了DV的 血统 使用四个DV编码器并行工作 码率100Mbps 常见型号有AJ HDC27HMC AJ HDX900MC等 4 HDV小高清系列 可理解为高清版的DV 有720p和HDV1080两种分辨率标准 主要指标如下表 PR中的HDV格式预置 5 XDCAMEX系列 XDCAMEX以SxS存储卡为存储媒体 采用MPEG 2压缩格式 4 2 0采样结构 支持720P和1080i等多种高清格式 目前有PMW EX1 PMW EX1R和PMW EX3三款机型 6 XDCAMHD XDCAMHD422系列 XDCAMHD是XDCAMHD420的简称 采用4 2 0采样 MPEG 2压缩 1 2英寸CCD 兼容DVCAM标清格式 XDCAMHD422又叫MPEGHD422 采用4 2 2采样 MPEG 2压缩 最高码率可达50Mbps 支持1920 1080p的逐行全高清分辨率 代表性机型是PDW 700 索尼XDCAM无带化存储的四个产品系列 7 P2HD P2PALM手提式系列 P2是ProfessionalPlug In的缩写 松下将采用P2卡存储的高清摄像机统一定义为P2HD系列 其手提便携式叫做P2PALM系列 采用DV算法压缩 有DVCPRO DV 25Mbps DVCPRO50 50Mbps 和DVCPROHD 100Mbps 多种格式可供选择 HVX203HPX173 7 P2HD 肩扛式系列 除采用和P2PALM系列一样的基于DV的压缩格式外 该系列机型还引入了一种更