专转本计算机第5章54数字视频及应用

1、5.4 数字视频及应用数字视频及应用5.4.1 数字视频基础数字视频基础5.4.2 数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码5.4.3 数字视频的编辑数字视频的编辑5.4.4 合成视频合成视频计算机动画计算机动画5.4.5 数字视频的应用数字视频的应用 25.4 数字视频及应用5.4.1 数字视频基础数字视频基础35.4 数字视频及应用基本概念基本概念n视频视频（video）：内容随时间变化的一个图像序列，也称为）：内容随时间变化的一个图像序列，也称为活动图像或运动图像活动图像或运动图像(motion picture)。常见的视频有电视。常见的视频有电视和计算机动画。和计算机动画。n电视电视：能传

2、输和再现真实世界的图像与声音，是当代最有影：能传输和再现真实世界的图像与声音，是当代最有影响力的信息传播工具。响力的信息传播工具。数字视频数字视频：数字化的电视信号称为数：数字化的电视信号称为数字视频。字视频。n计算机动画计算机动画：是计算机制作的图像序列，是一种计算机合成：是计算机制作的图像序列，是一种计算机合成的视频。的视频。45.4 数字视频及应用电视基本知识电视基本知识n电视画面：电视画面：一种由光点在显示屏上自左而右、自上而下高速扫描而成一种由光点在显示屏上自左而右、自上而下高速扫描而成的光栅图像，一般采用的光栅图像，一般采用隔行隔行扫描扫描方式，即方式，即图像由图像由奇数场奇数场和

3、和偶数场偶数场两部分两部分组成，合起来组成，合起来组成一帧图像。组成一帧图像。n彩色电视机播放制式彩色电视机播放制式nNTSC制式，制式，正交平衡调幅制式正交平衡调幅制式。 (美国、加拿大、日本、韩国等）美国、加拿大、日本、韩国等）nSECAM制式，即制式，即行轮换调频制式行轮换调频制式。（俄罗斯、前苏联、东欧国家等。（俄罗斯、前苏联、东欧国家等nPAL制式制式，即，即正交平衡调幅逐行倒相制式正交平衡调幅逐行倒相制式。（。（中国中国、德国、英国等、德国、英国等n同一制式在不同国家使用时，由于各国对图象载频和伴音载频使用同一制式在不同国家使用时，由于各国对图象载频和伴音载频使用不同，因此又需要用

4、不同的载频方式进行详细划分，不同，因此又需要用不同的载频方式进行详细划分，PAL制式可分制式可分为为PAL-I、PAL-M、PAL-N、PAL-D。中国的电视播放制式为。中国的电视播放制式为PAL-D，因此要求用带有，因此要求用带有PAL-D制式接受功能的电视机进行收看。制式接受功能的电视机进行收看。帧频帧频25帧帧/s, 场频场频50场场/s。55.4 数字视频及应用彩色电视信号的发送与接收彩色电视信号的发送与接收n彩色电视信号的发送与接收：彩色电视信号的发送与接收：PAL制彩色电视信号远距制彩色电视信号远距离传输时不使用离传输时不使用RGB表表示，而是使用亮度信号示，而是使用亮度信号Y和两

5、个色度信号和两个色度信号U、V来来表示表示 为进行远距离传为进行远距离传输必须进行调制输必须进行调制 RGBRGBYUV 复合复合 调制调制摄像机摄像机 话筒话筒发射发射天线天线RGBYUV分路分路解调解调接收接收天线天线RGB将将Y、U、V信号信号转换成为转换成为R、G、B 信号，然后再信号，然后再进行显示进行显示n使用使用Y、U，V彩色空间的原因：彩色空间的原因：与黑白电视保持兼容与黑白电视保持兼容利用人的视觉特性来节省电视信号的带宽和发射功率利用人的视觉特性来节省电视信号的带宽和发射功率65.4 数字视频及应用视频信号的数字化视频信号的数字化 n 视频信号的数字化过程视频信号的数字化过程

6、: n 与图像、声音的数字化过程相仿，但更复杂一些与图像、声音的数字化过程相仿，但更复杂一些(8-10 bits)滤波取样量化编码数字数字视频视频信息信息模拟模拟视频视频信号信号VUYUVYn 视频视频(采集采集)卡的功能卡的功能n将模拟视频信号（及伴音信号）数字化并存储在硬盘将模拟视频信号（及伴音信号）数字化并存储在硬盘中。数字化后的视频图像，经彩色空间转换（从中。数字化后的视频图像，经彩色空间转换（从YUV转转换为换为RGB），与计算机图形显示卡产生的图像叠加，显），与计算机图形显示卡产生的图像叠加，显示在屏幕上示在屏幕上75.4 数字视频及应用视频卡、显卡与主机视频卡、显卡与主机的关系的

7、关系视频视频捕获器捕获器视频视频缓冲器缓冲器叠加叠加/转换器转换器TV编码器编码器图形图形控制器控制器显示显示存储器存储器内存内存CPUDSP处理器处理器PCI总线总线视频视频信号信号显示器显示器TV机机硬盘硬盘硬硬 盘盘（视频卡和显示卡）（视频卡和显示卡）（主机）（主机）视频信视频信号数字号数字化并存化并存入硬盘入硬盘在屏幕上监看视频信号在屏幕上监看视频信号计算机图形文字输出计算机图形文字输出在电脑上播放视频在电脑上播放视频在电视机上播放视频在电视机上播放视频获取数字视频的同时使用数字信号处理器（获取数字视频的同时使用数字信号处理器（DSP）进行音频和视频数据的压缩编码。）进行音频和视频数据

8、的压缩编码。85.4 数字视频及应用数字摄像头数字摄像头 n通过光学镜头和通过光学镜头和CCD（电荷耦合器件）（电荷耦合器件）采集动态图像，直接转换成数字信号并采集动态图像，直接转换成数字信号并输入输入PC机。不需视频采集卡进行机。不需视频采集卡进行A/D转转换换 n一般分辨率为一般分辨率为30万像素（万像素（640480），），或者或者50万像素（万像素（800600）。）。n速度一般在速度一般在30fps（每秒（每秒30帧）左右，帧）左右，n镜头的视角可达到镜头的视角可达到45-60度度,n大多采用大多采用CCDCCD光传感器光传感器，部分采用，部分采用CMOSCMOS光光传感器传感器，后

9、者分辨率不能很高，但功耗，后者分辨率不能很高，但功耗低、速度快低、速度快n支持支持USB接口接口 或或IEEE1394（火线）接（火线）接口。口。- 数字视频数字视频 在线获取设备在线获取设备95.4 数字视频及应用数码摄像机数码摄像机 n原理：与数码相机类似，能自原理：与数码相机类似，能自动对焦、自动曝光，具有录音动对焦、自动曝光，具有录音等更多功能。等更多功能。n压缩编码：视频图像及伴音使压缩编码：视频图像及伴音使用用MPEGMPEGn记录介质：磁带，硬盘记录介质：磁带，硬盘n数据量很大，数据量很大，采用采用USB接口或接口或IEEE1394接口接口-数字视频数字视频 脱机获取设备脱机获取

10、设备105.4 数字视频及应用5.4.2 数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码115.4 数字视频及应用数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码n视频数据压缩的视频数据压缩的必要性必要性：n数字视频的数据量大得惊人，数字视频的数据量大得惊人，1分钟的数字电视图像未压缩时分钟的数字电视图像未压缩时其数据量约为其数据量约为1G字节，对存储、传输和处理都有很大的困难字节，对存储、传输和处理都有很大的困难n视频数据压缩的视频数据压缩的可能性可能性：n画面内部信息相关性很强，画面内部信息相关性很强，有很多冗余信息有很多冗余信息n相邻画面的内容有高度的连贯性相邻画面的内容有高度的连贯性n人眼的视觉灵敏度有限，

11、允许画面有一定失真人眼的视觉灵敏度有限，允许画面有一定失真n结论：结论：n数字视频的数据量可压缩数字视频的数据量可压缩几十倍几十倍甚至甚至几百倍几百倍 125.4 数字视频及应用数字视频压缩编码的国际标准数字视频压缩编码的国际标准 名名 称称图像格式图像格式压缩后的码率压缩后的码率主要应用主要应用MPEG-1360288大约大约1.2 Mb/s 1.5Mb/s适用于适用于VCD、数码相机、数字、数码相机、数字摄像机等摄像机等H.261360288 或或180144Px64 kb/s (P=1、2时，只支时，只支持持180144格式，格式，P6时，时，可支持可支持360288格式格式)应用于视频

12、通信，如可视电话、应用于视频通信，如可视电话、会议电视等会议电视等MPEG-2 (MPML)7205765 Mb/s 15Mb/s用途最广用途最广, 如如DVD、卫星电视、卫星电视直播、数字有线电视等直播、数字有线电视等MPEG-2高清格式高清格式144011521920115280 Mb/s 100Mb/s高清晰度电视（高清晰度电视（HDTV）领域）领域MPEG-4(H. 26L)多种不同的多种不同的视频格式视频格式与与MPEG-1，MPEG-2相当，相当，但最低可达到但最低可达到64kb/s适合于交互式和移动多媒体应适合于交互式和移动多媒体应用，包括虚拟现实、远程教学、用，包括虚拟现实、远

13、程教学、手机、手机、MP4播放器等播放器等135.4 数字视频及应用数字视频的常用文件格式数字视频的常用文件格式n.mpeg（.mpg，.dat）使用使用MPEG编码的电影文件编码的电影文件n.mp2MPEG-2 编码的电影文件编码的电影文件n.mp4MPEG-4 编码的电影文件编码的电影文件n.avi （.navi）微软公司的视频剪辑文件微软公司的视频剪辑文件 n.wmv微软公司的流式视频文件微软公司的流式视频文件n.asf微软公司的流式视频文件微软公司的流式视频文件n.rm(RealAudio)RealNetworks的流式视频文件的流式视频文件n.mov (.qt)苹果公司的流式视频文件

14、苹果公司的流式视频文件n DivX格式格式MPEG-4 v3 改进后的一种格式，在改进后的一种格式，在MP4播放播放器上使用器上使用145.4 数字视频及应用附：什么是附：什么是MP4？nMP4播放器是一种能够播放视频的便携播放器是一种能够播放视频的便携式设备，也叫做式设备，也叫做PVP（个人视频播放器）（个人视频播放器）或或PMP（便携式媒体播放器）（便携式媒体播放器）n功能：功能：n看录像（电影）看录像（电影）n播放音乐播放音乐n浏览文本和图片浏览文本和图片n甚至还可以上网甚至还可以上网n技术特点：技术特点：n自带自带25英寸的英寸的LCD屏屏n存储容量达几十存储容量达几十GB155.4

15、数字视频及应用5.4.3 数字视频的编辑数字视频的编辑165.4 数字视频及应用视频编辑软件视频编辑软件nAdobe Premiere，PC机上流行的视频编辑软件机上流行的视频编辑软件nWindows Movie Maker：由微软公司开发，在：由微软公司开发，在Windows XP平台上运行。功能包括：平台上运行。功能包括：n通过摄像机、数字摄像头或其他视频源将音频和视频捕通过摄像机、数字摄像头或其他视频源将音频和视频捕获到计算机中获到计算机中n打开已有的音频、视频或静止图片，对音频与视频内容打开已有的音频、视频或静止图片，对音频与视频内容进行编辑（包括添加片头、使用视频过渡或特技效果等）进

16、行编辑（包括添加片头、使用视频过渡或特技效果等）n将制作的视频保存到硬盘中，或刻录在将制作的视频保存到硬盘中，或刻录在CD或或DVD光盘上，光盘上，供供“媒体播放器媒体播放器”进行播放进行播放 175.4 数字视频及应用5.4.4 合成视频合成视频计算机动画计算机动画185.4 数字视频及应用什么是计算机动画？什么是计算机动画？n计算机动画计算机动画使用计算机制作的可供实时演播的一系列连使用计算机制作的可供实时演播的一系列连续画面的一种技术，它是一种计算机合成的数字视频，而不续画面的一种技术，它是一种计算机合成的数字视频，而不是用摄像机拍摄的是用摄像机拍摄的“自然视频自然视频”n上世纪九十年代

17、开始，计算机动画技术应用于电影特技，如上世纪九十年代开始，计算机动画技术应用于电影特技，如电影电影“侏罗纪公园侏罗纪公园”、 玩具总动员玩具总动员、泰坦尼克泰坦尼克等，等，取得轰动效应取得轰动效应n应用领域：应用领域：n影视和广告领域：电影特技、动画片、电视广告制作等影视和广告领域：电影特技、动画片、电视广告制作等n教育和培训领域：辅助教学、驾驶员训练等教育和培训领域：辅助教学、驾驶员训练等n科技领域：科学计算可视化，复杂系统的动态模拟科技领域：科学计算可视化，复杂系统的动态模拟n军事领域：军事训练、作战模拟等军事领域：军事训练、作战模拟等n游戏游戏195.4 数字视频及应用计算机动画的制作过

18、程计算机动画的制作过程n基础：计算机图形学基础：计算机图形学n计算机动画制作包括：计算机动画制作包括：在计算机中生成场景和形体的模在计算机中生成场景和形体的模型型描述它们的运动描述它们的运动生成图像并转换为视频信号输出生成图像并转换为视频信号输出n三维计算机动画制作过程分以下几个阶段：三维计算机动画制作过程分以下几个阶段：（1）描述景物的形状与结构（建模）描述景物的形状与结构（建模） （2）确定景物的）确定景物的颜色和材质（纹理）颜色和材质（纹理） （3）设置灯光和确定虚拟摄像机）设置灯光和确定虚拟摄像机的位置的位置（4）描述场景中物体的运动和摄像机的移动）描述场景中物体的运动和摄像机的移动（

19、5）绘制一系列的图像）绘制一系列的图像（6）输出动画结果）输出动画结果n 二维动画软件如二维动画软件如Animator ProAnimator Pro 三维动画软件如三维动画软件如3D StudioMAX3D StudioMAX、MAYAMAYA、DirectorDirector等等205.4 数字视频及应用动画制作软件动画制作软件n著名的造型与动画制作的商品化软件著名的造型与动画制作的商品化软件:n加拿大加拿大Alias公司的公司的Power animator n法国法国TDI公司的公司的Exploren荷兰荷兰ElectroGIG公司的公司的3DGOn加拿大加拿大Vertigo公司的公司的

20、Vertigon美国美国Wavefront公司的公司的Advanced Visualizern美国美国SGI公司公司Alias和和Wavefront 公司的公司的MAYAn美国美国Autodesk公司公司Discreet公司的公司的3ds max，Animator Studio215.4 数字视频及应用互联网动画：互联网动画：GIF和和FlashnGIF动画：将多张动画：将多张GIF图像保存在一个文件中，图像保存在一个文件中，显示时按预先规定的时间间隔逐一进行显示，显示时按预先规定的时间间隔逐一进行显示，从而形成动画的效果。从而形成动画的效果。nMacromedia公司的公司的Flash动画动

21、画n采用采用矢量图形，矢量图形，画面大小可任意调节，用户可控制播放过程画面大小可任意调节，用户可控制播放过程n既可生成自动可执行文件既可生成自动可执行文件(*.exe)，还可生成用，还可生成用 Flash 播放器播放的播放器播放的文件文件 (*.SWF)；n既可做成单独的动画，也可以嵌入网页文件既可做成单独的动画，也可以嵌入网页文件n将音乐、声效、视频与动画画面结合在一起，制作高品质网页动画将音乐、声效、视频与动画画面结合在一起，制作高品质网页动画n采用流媒体技术，可以边下载边播放采用流媒体技术，可以边下载边播放n演示演示225.4 数字视频及应用5.4.5 数字视频的应用数字视频的应用1 V

22、CD与与DVD2 可视电话与视频会议可视电话与视频会议3 数字电视数字电视4 点播电视点播电视235.4 数字视频及应用什么是什么是VCD, 什么是什么是DVD ?nCD(Compact Disc)：小型光盘：小型光盘, 最早应用于数字音响最早应用于数字音响领域领域, 代表产品是代表产品是CD唱片。每张唱片。每张CD唱片的存储容量是唱片的存储容量是650MB左右，可存放左右，可存放1小时的立体声高保真音乐。小时的立体声高保真音乐。nVideoCD（简称（简称VCD）：按）：按MPEG-1标准将标准将60分钟的分钟的音频音频/视频节目记录在一张视频节目记录在一张CD光盘上，图像质量为光盘上，图像

23、质量为VHS (352240)，即家用录放像机的水平，可播放立体声，即家用录放像机的水平，可播放立体声 nDVD-Video（简称为（简称为DVD）：按）：按MPEG-2标准将音频标准将音频/视频节目记录在视频节目记录在DVD光盘上，图像质量为广播级光盘上，图像质量为广播级 (720576)，可播放，可播放5.1声道的环绕立体声，单面单层声道的环绕立体声，单面单层DVD（容量为（容量为4.7GB）光盘可记录）光盘可记录120分钟以上的影视分钟以上的影视节目节目245.4 数字视频及应用VCD与与DVD的比较的比较 VCDDVD视频压缩编视频压缩编码标准码标准MPEG-1 video，图像分，图

24、像分辨率为辨率为352240（家用（家用电视质量）电视质量）MPEG-2 video，图像分辨率为，图像分辨率为720480（广播级电视图像质量）（广播级电视图像质量）音频压缩编音频压缩编码标准码标准MPEG-1 audio，层，层2，支持双声道立体声支持双声道立体声MPEG-2audio或杜比或杜比AC-3,支持支持5.1声声道的三维环绕立体声道的三维环绕立体声光盘存储容光盘存储容量量650MB左右左右有多种不同规格。单面单层有多种不同规格。单面单层DVD容容量为量为4.7GB，单面双层为，单面双层为8.5GB播放时间播放时间1小时左右小时左右单面单层单面单层DVD光盘可播放光盘可播放2小时

25、左右小时左右其他功能其他功能较少较少支持多种辅助功能，如多种文字字幕，支持多种辅助功能，如多种文字字幕，多种语言声音，多种视角，多种宽高多种语言声音，多种视角，多种宽高比等比等255.4 数字视频及应用可视电话和视频会议可视电话和视频会议n可视电话：通话双方能互相看见的一种电话系统可视电话：通话双方能互相看见的一种电话系统n电话机具有摄像、显示、声音与图像的编电话机具有摄像、显示、声音与图像的编/解码等功能，内置高质量解码等功能，内置高质量CCD镜头及镜头及MODEMn静态图像可视电话静态图像可视电话：静止图像，图像信号和话音信号交替传送，传：静止图像，图像信号和话音信号交替传送，传送图像时不

26、能通话。送图像时不能通话。n动态图像可视电话动态图像可视电话：传输话音时也传输图像，通话时图像可动态变：传输话音时也传输图像，通话时图像可动态变化。化。n视频会议：通过数字音视频数据实时传送声音、图像使得分散在两个或视频会议：通过数字音视频数据实时传送声音、图像使得分散在两个或多个地点的用户就地参加会议的一种多媒体通信应用。多个地点的用户就地参加会议的一种多媒体通信应用。n视频会议的视频会议的两种实施方式：两种实施方式：n在在电信局的数字通信网上电信局的数字通信网上进行进行n在互联网上进行，例如使用下列即时通信软件：在互联网上进行，例如使用下列即时通信软件：微软的微软的MSN Messenge

27、r，腾迅的，腾迅的QQ，网易的，网易的POPO，新浪的，新浪的UC等等265.4 数字视频及应用什么是数字电视什么是数字电视 ?n数字电视指的是数字电视指的是:电视电视节目的制作（摄录、编辑）、处理、节目的制作（摄录、编辑）、处理、传输、接收、播放全过程传输、接收、播放全过程的数字化，特别是将电视信号进行的数字化，特别是将电视信号进行数字化之后以数字化之后以数字形式进行传输和接收数字形式进行传输和接收；n数字电视的范围：数字电视的范围：n高端高端高清晰度电视高清晰度电视(HDTV)，分辨率，分辨率1920 x1024n中端中端常规模拟电视的数字化（常规模拟电视的数字化（DTV）n低端低端包括互

28、联网上的包括互联网上的IPTV等等 节目制作节目制作信号处理信号处理广播传输广播传输接收播放接收播放 1 2 3 4275.4 数字视频及应用数字电视的优点数字电视的优点(1) 频道利用率高频道利用率高可传输的数字电视节目比传输模拟电视节目增加好几倍可传输的数字电视节目比传输模拟电视节目增加好几倍(2) 抗干扰能力强抗干扰能力强同等传输条件下的抗干扰能力优于模拟电视同等传输条件下的抗干扰能力优于模拟电视 (3) 图像清晰度高图像清晰度高用户接收到的图像质量能达到演播室水平用户接收到的图像质量能达到演播室水平(4) 音响效果好音响效果好具有具有CD级音质效果，可支持级音质效果，可支持5.1环绕立体声家庭影院环绕立体声家庭影院 (5) 可开展基于可开展基于TV的交互式数据业务的交互式数据业务包括电视购物、电视银行、电视商务、电视游戏、点播电视包括电视购物、电视银行、电视商务、电视游戏、点播电视等业务等业务 285.4 数字视频及应用数字电视的传播途径数字电视的传播