第5章5.4 数字视频及应用

5.4数字视频及应用5.4.1数字视频基础5.4.2数字视频的压缩编码5.4.3数字视频的编辑5.4.4合成视频——计算机动画5.4.5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35.4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：PAL制彩色电视信号的颜色不使用RGB表示，而是使用亮度信号Y和两个色度信号U、V来表示为进行远距离传输必须进行调制RGBRGBYUV复合调制摄像机话筒发射天线RGBYUV分路解调接收天线RGB将Y、U、V信号转换成为R、G、B信号，然后再进行显示使用Y、U，V彩色空间的原因：①与黑白电视保持兼容②利用人的视觉特性来节省电视信号的带宽和发射功率45.4数字视频及应用数字视频信号的获取•视频信号的数字化过程:•与图像、声音的数字化过程相仿，但更复杂一些(8-10bits)滤波取样量化编码数字视频信息模拟视频信号VUYUVY•数字视频的获取设备：•视频采集卡（简称视频卡）•数字摄像头，通过光学镜头和CCD或CMOS采集动态图像，转换成数字信号并输入PC机•脱机获取设备：数码摄像机55.4数字视频及应用视频捕获(采集)卡的功能从多种视频源中选择一种作为视频输入;支持不同的电视制式;能同时处理图像信号的伴音;可在显示器上监看输入的视频信号,其位置及大小可调;能将计算机生成的图像/图形/文本与视频图像迭加处理;可随时冻结(定格)一幅画面,并按指定格式保存;可实时压缩与存储视频及其伴音信息;可实时解压缩并播放视频及其伴音信息,输出设备可选(VGA监视器、电视机、录相机等)65.4数字视频及应用视频卡、显卡与主机的关系视频捕获器视频缓冲器叠加/转换器TV编码器图形控制器显示存储器内存CPUDSP处理器PCI总线视频信号显示器TV机硬盘硬盘（主机）视频信号数字化并存入硬盘在屏幕上监看视频信号计算机图形文字输出在电脑上播放视频在电视机上播放视频视频卡显示卡75.4数字视频及应用数字摄像头分辨率为352×288～640×480速度一般在30fps（每秒30帧）左右镜头的视角可达到45-60度支持USB接口或IEEE1394（火线）接口成像器件采用CMOS或CCD85.4数字视频及应用数码摄像机提供480线以上的分辨率，清晰度高自动对焦，自动曝光使用MPEG-2进行压缩编码，然后记录在硬盘上具有录音功能数据量很大，采用USB接口或IEEE1394接口95.4数字视频及应用5.4.2数字视频的压缩编码105.4数字视频及应用数字视频的压缩编码视频数据压缩的必要性：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其数据量可超过1GB，对存储、传输和处理都有很大的困难视频数据压缩的可能性：视频信息的每个画面内部有很多信息冗余相邻画面的内容有高度的连贯性人眼的视觉灵敏度有限，允许画面有一定失真结论：数字视频的数据量可压缩几十倍甚至几百倍115.4数字视频及应用数字视频的三类编码标准ITU-T国际标准：H.261(Px64)标准、H.263标准等ISO/IEC国际标准：MPEG-1标准，MPEG-2标准（等同于ITU-TH.262），用于低分辨率、低码率视频应用的MPEG-4ASP，代表当前技术水准的MPEG-4AVC视频编码标准（等同于ITU-TH.264）,在HDTV、蓝光盘、XBOX、iPod、iPhone等众多领域得到推广应用。公司标准：Intel公司的Indeo•Video，苹果公司在QuickTime中使用过的Cinepak，RealNetwork公司的RealVideo，微软公司的WMV，Adobe公司Flash播放器中使用的VP6等125.4数字视频及应用目前流行的数字视频编码标准名称图像格式压缩后的码率主要应用MPEG-1360×288大约1.2Mb/s~1.5Mb/s适用于VCD、数码相机、数字摄像机等H.261360×288或180×144Px64kb/s(P=1、2时，只支持180×144格式，P≥6时，可支持360×288格式)应用于视频通信，如可视电话、会议电视等MPEG-2(MP@ML)720×5765Mb/s~15Mb/s用途最广,如DVD、卫星电视直播、数字有线电视等MPEG-2高清格式1440×11521920×115280Mb/s~100Mb/s高清晰度电视（HDTV）领域MPEG-4ASP分辨率较低的视频格式与MPEG-1，MPEG-2相当，但最低可达到64kb/s在低分辨率低码率领域应用，如监控、IPTV、手机、MP4播放器等MPEG-4AVC多种不同的视频格式采用多种新技术，编码效率比MPEG-4ASP显著减少已在多种领域应用，如HDTV、蓝光盘、IPTV、XBOX、iPod、iPhone等135.4数字视频及应用背景材料：什么是MPEG-4ASP和MPEG-4AVCMPEG-4是数字音视频压缩编码的国际标准MPEG-4分成23个部分，其中part2和part10是视频编码为了适应不同应用对视频图像大小和质量的不同要求，每种视频编码标准都分成若干level和profile：MPEG-4Part2分成21个profile，ASP（AdvancedSimpleProfile）是其中之一，其技术特点是：画面分辨率较低，最低码率仅64kb/s左右，但画面质量好，复杂度中等MPEG-4Part10又称为MPEG-4AVC(AdvancedVideoCoding).它是目前技术最先进的视频编码案，分成7个profile，可用于HDTV145.4数字视频及应用资料:编码标准与编/解码器(Codec)编码标准的具体实现称为编码器/解码器（Coder/Decoder，Codec）Codec可以是硬件，也可以是软件同一种编码标准可以有许多不同的Codec产品，例如实现MPEG-4ASP的Codec有：DivX(DigitalVideoExpress)，能以较少的数据和较高的质量对视频信息进行编/解码，在网络视频应用、MP4播放器和Xbox360、SonyPlayStation3游戏机中得到了较好应用Xvid(自由软件)，功能与DivX相当，某些性能甚至还更好一些VideoCodec有很多种，它们实现的编码标准不同，性能和技术各有特色，用途也有差异，相互间通常不一定兼容155.4数字视频及应用资料：Codec与文件格式经过编码处理后的信息均以数据文件的形式进行存储和传输！视频数据通常总伴随有与之同步的音频数据（称为音像文件）影音数据文件的格式往往设计成一种“容器”（container）形式，即：文件中既有视频数据，也有音频数据，甚至还有文字(字幕)等其它信息视频、音频或文字信息所采用的编码标准可以不止一种举例：微软公司的.AVI格式和.ASF格式文件（后者适合流媒体应用）苹果公司的.MOV格式文件RealNetwork公司的.RM格式和.RMVB格式文件（.RMVB格式是.RM的扩充，它采用MPEG-4AVC的算法，增加了可变码率编码的功能，性能优于DivX和Xvid）编码器解码器数据文件播放初始数据165.4数字视频及应用音像文件与播放器播放器(Plaper)实际上就是一种解码器，但通常既可以解码多种类型的信息（音频、视频、图片、···），还能解码多种不同类型的音像文件格式。PC上使用的是软件播放器，一台计算机可以安装多个不同的播放器：微软公司的“MicrosoftMediaPlayer”，苹果公司的QuickTimePlayer和iTunes，Real公司的RealPlayer(简称RealOne播放器)“全能”播放器：StormPlayer（暴风影音）、TheKMPlayer、绚彩魅影、变色龙万能播放器（PPStream）、豪杰超级解霸，等等硬件播放器（便携式）：MP3播放器：以播放MP3格式的音频信息为主，也能收听广播、观看文本和图片，功能更强一些的还能播放视频信息MP4播放器：以播放视频为主，国外叫做PVP（个人视频播放器）或PMP（便携式媒体播放器），LCD屏幕较大，价格较高175.4数字视频及应用附：什么是MP4？MP4播放器是一种能够播放视频的便携式设备，也叫做PVP（个人视频播放器）或PMP（便携式媒体播放器）功能：看录像（电影）播放音乐浏览文本和图片甚至还可以上网技术特点：自带2～5英寸的LCD屏存储容量达几十GB185.4数字视频及应用5.4.3数字视频的编辑195.4数字视频及应用例：简单的视频编辑软件——WindowsMovieMaker由微软公司开发，在WindowsXP平台上运行功能：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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）将制作的视频保存到硬盘中，或刻录在CD或DVD光盘上，供“媒体播放器”进行播放205.4数字视频及应用5.4.4合成视频——计算机动画215.4数字视频及应用什么是计算机动画？计算机动画——使用计算机生成一系列内容连续的画面供实时演播的一种技术，它是一种计算机合成的数字视频，而不是用摄像机拍摄的“自然视频”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“侏罗纪公园”、《玩具总动员》、《泰坦尼克》等，取得轰动效应应用领域：影视和广告领域：电影特技、动画片、电视广告制作等教育和培训领域：辅助教学、驾驶员训练等科技领域：科学计算可视化，复杂系统的动态模拟军事领域：军事训练、作战模拟等游戏225.4数字视频及应用选讲：计算机动画的制作过程计算机动画制作包括：在计算机中建立景物的模型、描述它们的运动、生成一系列逼真的图像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）（2）确定景物的颜色和材质（纹理）（3）设置灯光和确定虚拟摄像机的位置（4）描述场景中物体的运动和摄像机的移动（5）绘制一系列的图像（6）输出动画结果235.4数字视频及应用例：三个简单动画例1例2例3例4245.4数字视频及应用动画制作软件著名的造型与动画制作的商品化软件:加拿大Alias公司的Poweranimator法国TDI公司的Explore荷兰ElectroGIG公司的3DGO加拿大Vertigo公司的Vertigo美国Wavefront公司的AdvancedVisualizer美国SGI公司Alias和Wavefront公司的MAYA美国Autodesk公司Discreet公司的3dsmax，AnimatorStudio255.4数字视频及应用互联网动画：GIF和FlashGIF动画(参见5.2节)：Adobe(Macromedia)公司的Flash动画画面大小可任意调节，用户可控制播放过程既可生成自动可执行文件(*.exe)，还可生成用Flash播放器播放的文件(*.SWF)；既可做成单独的动画，也可以嵌入网页文件采用流式传输方式，可以边下载边进行播放演示265.4数字视频及应用5.4.5数字视频的应用1VCD与DVD2可视电话与视频会议3数字电视4点播电视275.4数字视频及应用什么是VCD,什么是DVD?VideoCD（简称VCD）：按MPEG-1标准将60分钟的音频/视频节目记录在一张CD光盘上，图像质量为VHS(352×240)，即家用录放像机的水平，可播放立体声DVD-Video（简称为DVD影碟）：按MPEG-2标准将音频/视频节目记录在DVD光盘上，图像质量为广播级(720×576)，可播放5.1声道的环绕立体声，单面单层DVD（容量为4.7GB）光盘可记录120分钟以上的影视节目285.4数字视频及应用VCD与DVD的比较VCDDVD视频压缩编码标准MPEG-1video，图像分辨率为352×240（家用电视质量）MPEG-2video，图像分辨率为720×480