第6章-数字视频处理

第6章数字视频处理,6.1动态图像特征6.2模拟视频与数字视频技术6.3MPEG视频数据压缩标准6.4流媒体技术与应用6.5视频信息捕获与输出6.6数字视频编辑软件Premiere,6.1动态图像特征,动态图像，包括动画和视频信息，是连续渐变的静态图像或图形序列，沿时间轴顺次更换显示，从而构成运动视感的媒体。当序列中每帧图像是由人工或计算机产生的图像时，我们常称作动画；当序列中每帧图像是通过实时摄取自然景象或活动对象时，我们常成为影像视频，或简称为视频。,动态图像可分为两类：视频：图像为实时获取的自然景物。动画：人工绘制的图形或计算机产生的图形以图像的形式表现出来。,视频（Video）就其本质而言是其内容随时间变化的一组动态图像，所以又叫运动图像或活动图像。它是一种信息量最丰富、直观、生动、具体的成载信息的媒体。视频信号具有以下特点：,内容随时间变化而变化。伴随有与画面同步的声音（伴音）。,6.2模拟视频与数字视频技术,视频信号可分为模拟视频信号和数字视频信号两大类:1.模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。2.数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。,6.2.1模拟视频简介,模拟信号对应于时间轴有连续的无穷多个值，它完全准确地表示信号电平，如话音、图像等均是模拟信号。以模拟信号传输或处理的电视称为模拟电视。,1彩色电视信号的制式,目前国际上有三种主要的视频制式标准:正交平衡调幅（NTSC）制式，逐行倒相正交平衡调幅（PAL）制式和顺序传送彩色与存储（SECAM）制式。这些制式都定义了视频的主要特征:分辨率，亮度和色差编码，视频的刷新频率。彩色电视国际制式如下表所示。,NTSC制式,NTSC（NationalTelevisionSystemCommittee即国家电视系统委员会），简称n制，也称为正交平衡调幅制，解决了彩色电视和黑白电视广播相互兼容的问题。NTSC制的优点是：电路简单，设备成本低。缺点是两色差信号传输过程中的串扰和在接收端色差信号分离不彻底，容易出现颜色失真、串色。NTSC制电视的供电频率为60Hz场频（又称垂直扫描频率）为60Hz行频（又称水平扫描频率）为15734Hz帧频为每秒30帧，水平扫描线为525行水平分辨率为240400个像素点图像信号带宽为6.2MHz采用这种制式的国家和地区有：美国、日本、加拿大、墨西哥、菲律宾和我国的台湾省等。,PAL制式,PAL（PhaseAlternationLine即逐行倒相），又称为帕尔制。是为了克服NTSC制对相位失真的敏感性，在1962年，由前联邦德国在综合NTSC制的技术成就基础上研制出来的一种改进方案。采用PAL制的国家较多，如我国、德国、新加坡、澳大利亚等。PAL制电视的供电频率为50Hz隔行扫描，场频为每秒50场帧频为每秒25帧行频为15625Hz扫描线为625行水平分辨率为240400个像素点采用YUV色彩系统，从RGB色彩系统得到亮度信号Y和两个色差信号。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中我国大陆采用的是PALD制式。,SECAM制式,SECAM（法文SequentielCouleurAMemoire即按顺序传送彩色与存储），又称塞康制。SECAM制式特点是不怕干扰，彩色效果好，但兼容性差。隔行扫描，帧频每秒25帧场拼50Hz水平扫描线625行水平分辨率为625个像素点行频为15625Hz采用SECAM制的国家主要为俄罗斯、法国、埃及等等。,全电视信号,电视为了准确存储图片信息、重现图像，必须传送图像信号为了消去行、场扫描的回扫线，使其不干扰正常的图像，必须传送行、场消隐信号为了保证扫描的同时，必须传送复合同步信号为了让这三种信号能用一个通道传送，并在接收端可以方便地将它们分开，必须在发送端按一定规律将这三种信号组合起来，这个合成信号称为全电视信号。,分解率,电视的清晰度一般用垂直方向和水平方向的分解率来表示。垂直分解率与与扫描行数密切相关。扫描行数越多越清晰，分解率越高。我国电视理论上的垂直分解率为575线（或行），水平分解率为630线。实际分解率与扫描的有效区间有关，根据统计，电视接收机实际垂直分解率约400线。,6.2.2数字视频,多媒体计算机视频图像采用的是数字信号，得到数字视频图像可以有两种途径：一是将模拟视频信号经过模拟/数字（A/D）转换后输入到计算机中，对彩色视频的各个分量进行数字化，经压缩编码后生成数字化视频信号。另一种就是使用数字化视频捕捉设备，对外界影像直接拍摄，将得到的数字视频信号输入到计算机中直接通过软件进行编辑处理，这是真正意义上的数字视频技术。,视频的数字化过程,视频的数字化过程需要经过采样、量化和编码三个步骤。采样指通过周期性地以某一规定间隔截取模拟信号，从而将模拟信号变换为数字信号的过程。量化就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。经采样和量化后的到的数字视频的数据量非常大，所以要进行压缩编码。视频信号压缩的目标就是在保证视觉效果的前提下减少视频数据率。其方法是从时间域和空间域两方面去除冗余信息，减少数据量。,数字视频的优点,再现性好数字视频可以不失真地进行无限次拷贝，其抗干扰能力是模拟信号无法比拟的。数字视频不会因为存储、复制和传输而产生图像质量上的退化，从而够准确再现图像。适合于网络应用数字视频信号可以长距离传输而不会产生不良影响，利用现有的网络环境，数字视频可以很方便地实现资源共享。便于计算机编辑处理数字视频信号在计算机中可以方便地进行存储、处理，很容易地进行创造性的编辑与合成，可以对数字视频进行非线性编辑，并可增加特技效果，并进行动态交互。,6.3MPEG视频数据压缩标准6.3.1视频压缩方法,压缩方法种类繁多，视频图像的压缩方法总体可分成两种类型:有损压缩和无损压缩。无损压缩（losslesscompression）指数据经过压缩后信息不受损失，还能完全恢复到压缩前的原样。它和有损数据压缩相对,这种压缩通常压缩比小于有损数据压缩的压缩比。压缩率一般为2:1到5:1。有损压缩（losscompression）方法是经过压缩、解压的数据与原始数据不同但是非常接近的压缩方法。有损数据压缩又称破坏型压缩，即将次要的信息数据压缩掉，牺牲一些质量来减少数据量，使压缩比提高。,6.3.2MPEG简介,MPEG（MotionPicturesExpertGroup，活动图像专家组）。它是由ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电工委员会）于1988年联合成立的国际组织。专门致力于运动图像及伴音编码标准化工作，包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统(视音频同步)三个部分。MPEG制定的标准有MPEG一1、MPEG一2、MPEG一4、MPEG一7和MPEG一21。MPEG一1即是俗称的VCDMPEG一2则为DVD所采用MPEG一4是为交互式多媒体通讯制定的压缩标准MPEG一7是为互联网视频检索制定的压缩标准MPEG-21被称作多媒体框架,6.3.3MPEG一1标准,MPEG一1标准是针对15Mbits以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码设计的国际标准，经过MPEG一1标准压缩后，视频数据压缩率为1/1001/200，音频数据压缩率为1/6.5。具有接近VHS（家用录像系统）录像带的质量，能够达到激光唱盘的音质。使用MPEG一1的压缩算法，可以将一部两小时长的电影压缩到两张CDROM光盘（约1.2GB）中。MPEG-1成功制定后，以VCD和MP3（MPEG-1AudioLayer3）为代表的MPEG-1产品在世界范围内迅速普及。,6.3.4MPEG一2标准,MPEG一2标准于1994年公布，全称为“运动图像及其伴音的通用编码”。MPEG一2主要用于标准清晰度、高清晰度视频节目的存储及传输，是数字电视机顶盒和DVD等产品的基础。MPEG一2传输速率为310Mbps，最高达15Mbps，MPEG一2能够提供广播级的视频和CD级的音质，成为数字图像盘（DVD）和数字广播电视的压缩方式。利用MPEG-2的压缩算法，可以将一部两小时长的电影压缩到4-8GB、但它提供的是DVD的图像品质。音频编码可提供左、中、右及两个环绕声道、一个加重低音声道和多达7个伴音声道。,MPEG-2的类和等级,为了适应广播、通信、计算机和家电视听产品的各种需求，适应不同的数字电视体系，MPEG-2按压缩比大小的不同分成五个档次(profile)，每一个档次又按图象清晰度的不同分成四种图象格式，或称为级别(level)。五个档次四种级别共有20种组合，但实际应用中有些组合不太可能出现，较常用的是11种组合，这11种组合分别应用在不同的场合，如MPML(主档次与主级别)用在具有演播室质量标准清晰度电视SDTV中，美国HDTV大联盟采用MPHL(主档次及高级别)。,MPEG-2的类和等级,6.3.5MPEG一4标准,MPEG4标准进一步提高编码效率，所有版本都是向下兼容的。它是为视听（audio-visual）数据的编码和交互播放开发的算法和工具，是一个数据速率很低的多媒体通信标准。这个标准主要应用于视频电话(VideoPhone)、视频电子邮件(VideoEmail)和电子新闻(ElectronicNews)，对传输速率要求较低，在48006400bits/s之间，分辨率为176144。MPEG4利用很窄的带宽，通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。利用MPEG4的高压缩率和高图像还原质量可以把DVD里面的MPEG2视频文件转换为体积更小的视频文件，可以很方便地用CDROM来保存DVD上面的节目。,MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4的比较,6.3.6MPEG一7标准,MPEG7并不是一种压缩编码方法，其名字叫做“多媒体内容描述接口”，制定这个标准的主要目的是为了解决多媒体内容的检索问题。对各种形式存储的多媒体结构有一个合理的描述，通过这个描述，用户可以方便地根据内容访问多媒体信息。除了对内容进行特征描述外，MPEG-7还可以对多媒体数据的其他方面信息进行描述，如数据形式、存取访问的限制条件、分类、到其他相关资源的链接、事件背景等。它可以在实时或非实时环境下应用。,6.3.7MPEG一21标准,目前在多媒体领域，仍然没有一种能够描述、表达各种技术的协作合作关系的框架体系。这使得各种技术之间递送和消费多媒体内容变得非常困难。MPEG-21的正式名称是“多媒体框架”或“数字视听框架”，它以将标准集成起来支持协调的技术以管理多媒体商务为目标，目的就是理解如何将不同的技术和标准结合在一起需要什么新的标准以及完成不同标准的结合工作。使得用户能够在不同实体的不同平台下、透明、高效、可信的处理多媒体数据。,6.3.8MPEG压缩技术的应用领域,音、视频压缩技术有广泛应用领域，具体有以下几个方面:数字激光视盘(VCD)。数字低清晰度电视(LDTV)，采用的是MPEG-1的技术，它可用于有线电视网中。高密度数字通用光盘(DVD)，采用MPEG-2标准，其分辨率为704x576，其数码率可达专业级，约为4-6Mbit/s。数字标准高清晰度电视(SDTV)。数字高清晰度电视(HDTV)，利用数字压缩技术可以把HDTV的地面广播频谱压缩到现有的模拟电视频道范围内(6MHz或8MHz)。视频点播(VOD)和准视频点播(NVOD)。多媒体出版物。,6.4流媒体技术与应用6.4.1流媒体的概念,流媒体就是指在网络上使用流式传输技术的连续时基媒体。流媒体技术先在用户端的电脑上创建一个缓冲区，播放前预先下载一段数据作为缓冲，如果网络实际连接速度小于播放所耗用数据的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的数据，以避免播放中断，也使得播放品质得以维持，只是开始时有些延迟，延迟大小由网络带宽和本地计算机的处理速度决定。现在有很多电视台和广播电台都开始利用流媒体技术开设了网络电台和网络电视台。,6.4流媒体技术与应用6.4.1流媒体的概念,与单纯的下载方式相比，这种对多媒体文件边下载边播放的流式传输方式具有以下优点：启动延时大幅度地缩短对系统缓存容量的需求大大降低流式传输的实现有特定的实时传输协议,6.4流媒体技术与应用6.4.1流媒体的概念,实现流式传输有两种方法：实时流式传输（RealtimeStreaming）和顺序流式传输（ProgressiveStreaming）。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定时刻，用户只能观看己下载的那部分，而不能跳到还未下载的前头部分，顺序流式传输不象实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。,6.4流媒体技术与应用6.4.2流媒体传输与控制协议,实时传输协议RTP(RealtimeTransportProtocol)/实时传输控制协议RTCP(RealtimeTransportControlProtocol)是端对端基于组播的应用层协议。实时流协议RTSP(RealTimeStreamingProtocol)，协议是由RealNetworks和Netscape共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。资源预订协议RSVP协议(ResourceReserveProtocol)，Internet上的资源预订协议。,6.4.3流媒体传输的格式,RealMedia与RealPlayer播放器,QuickTime与QuickTimePlayer播放器,WindowsMedia与MediaPlayer播放器,6.5视频信息捕获与输出6.5.1视频信息的捕获,从数码摄像机获取视频从摄像头获取视频从VCD获取视频从DVD获取视频通过屏幕录制软件获取视频从网络获取视频,从数码摄像机获取视频,启动绘声绘影，使摄像机放像，在“来源”处显示所连接的数字摄像机的型号，单击下面的“捕获视频”按钮开始捕获视频，“捕获视频”按钮变为“停止捕获”按钮。,从数码摄像机获取视频,捕获过程中，可以在预览窗口监视视频内容，并可以随时单击“停止捕获”按钮，结束捕获，停止捕获后，出现下图所示的窗口内容，可以在此看到捕获的视频并开始编辑。,从摄像头获取视频,启动AMACP后，在“Capture”菜单中可以完成捕捉的开始和停止，设置帧频和时间限制等。单击“file”菜单中的“SetCaptureFile”命令，设置要捕捉视频文件的路径和名称。单击“Capture”菜单中的“StartCapture”命令，在弹出的窗口中单击“OK”按钮开始捕捉视频。当捕捉完成时，单击“Capture”菜单中的“StopCapture”命令，停止捕捉，从而完成了一段视频的录制。,从VCD获取视频-利用超级解霸进行播放,将VCD光盘放入光驱，单击“循环/选择录取区域”按钮，使截取工具按钮变成可用。拖动播放进度滑块到截取的起点，单击“选择开始点”按钮，然后拖动播放进度滑块到截取的终点，单击“选择结束点”按钮，选择好录像区域。单击“录像制定区域为MPG和MPV文件”按钮，打开保存数据流对话框，设置捕捉的视频文件路径和名称，单击“保存”按钮，出现“正在处理”的信息框，系统开始转换，其间可以随时单击“终止”按钮停止转换，转换完毕信息框会自动消失。,从DVD获取视频,将DVD光盘放入驱动器，启动SmartRipper。在A区中选择要获取的视频片段，使其前面有“”，全部选中单击“all”按钮，全部取消单击“none”按钮。在E区域输入或选择获取视频的存放位置，此时可以参考F区域的硬盘空间情况。,然后单击“Start”按钮软件开始运转，首先搜索DVD的Key，然后进行获取视频，最后单击“RIP-Complete”信息框的“确定”按钮，整个过程结束。,F,A,B,C,D,E,通过屏幕录制软件获取视频-SnagIt,启动Snagit，在窗口中选择“其他捕捉方案”中的“录制屏幕视频”，然后在桌面上便会显示一个形状“剪裁”的手，在你要录制的区域拖拽出一个矩形，并释放鼠标。出现“SnagIt视频捕获”对话框，点击“开始”按钮开始捕获，同时在任务栏上会有个“录像机”图标动态显示。点击“停止”按钮，或者通过事先设置好的快捷键（如PrintScreen）结束捕获。,从网络获取视频-迅雷,目前，从网络获取视频文件变得越来越容易了，而且方法很多。互联网上有许多视频文件提供下载，这里既有业余爱好者的作品，也有专业多媒体公司的产品，在门户网站的搜索引擎中输入关键字“视频”就会列出多个提供视频素材的网站。需要引起注意的是：网络上的视频资源品种繁杂、数量巨大、良莠不齐，使用者应该有鉴别地去选择，特别要注意有关的知识产权问题。,利用广泛使用的下载工具“迅雷”的搜索功能寻找视频文件,6.5.2视频信息的输出,将空白光盘放入刻录机，启动NERO刻录软件。选择刻录数据光盘。进入NeroExpress界面，添加自己想要刻录的文件。在此输入光盘名称，选择写入速度，单击“Burn”按钮，进入刻录界面。刻录界面将动态显示刻录的各种状态。刻录成功后会有提示，单击“确定”，完成刻录。,6.6数字视频编辑软件Premiere6.6.1PremierePro简介,PremierePro是Adobe公司的推出的非常优秀的非线性编辑软件，能对视频、声音、动画、图片、文本进行编辑加工，并最终生成电影文件；是一款集捕获、后期编辑和输出成品三大功能于一体的非线性编辑软件。PremierePro新版本主要的改进集中在:实时处理功能。界面全集成。专业压缩编码。,6.6.2PremierePro的系统要求,根据PremierePro官方网站提供的资料，操作系统的要求是必须为WindowsXP专业版或家庭版，而且最好安装ServicePack1或ServicePack2升级补丁。硬件要求如下：INTELPENTIUMIII800MHZ处理器（建议PENTIUM43.06GHZ）。256MBRAM内存（建议使用1GB或更多）。用于安装的800MB可用硬盘空间。CD-ROM、制作DVD光盘，需要兼容的DVD刻录机(DVD-R/RW+R/RW)。32位彩色视频显示适配器（建议使用1280X1024或双显示器）。采集DV视频:需要OHCI兼容IEEE1394接口和专用大容量7200RPMUDMA66IDE或SCSI硬盘或磁盘阵列。第三方捕捉卡：AdobePremierePro认证的捕捉卡。可选：ASIO音频硬件设备；用于5.1音频播放的环绕声扬声器系统。,6.6.3视频编辑常用术语,线性编辑（LinearEditing）非线性编辑（Non-LinearEditing）场景/镜头（Scene）字幕/标题（Title）转场过渡/切换（Transition）特效/滤镜（Effect/Filter）,6.6.4PremierePro制作实例,构思：片头以一段预先准备好的三维动态