视频数字信息处理技术

1、第4章 数字视频处理技术4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.1 什么是视频什么是视频 1视频的定义 视频（Video）就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、具体的承载信息的媒体。 视频与图像既有联系又有区别：静止的图片称为图像（Image），运动的图像称为视频（Video）。 视频信号具有以下特点： （1）内容随时间的变化而变化； （2）伴随有与画面同步的声音。4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.1 什么是视频什么是视频 2视频的分类. （1）模拟视频（Analog Video） 模拟视频是一种用于传输图像和声音的随时间连

2、续变化的电信号。 模拟视频信号的缺点是：视频信号随存储时间、拷贝次数和传输距离的增加衰减较大，产生信号的损失，不适合网络传输，也不便于分类、检索和编辑。 （2）数字视频（Digital Video DV） 要使计算机能够对视频进行处理，必须把模拟视频信号进行数字化，形成数字视频信号。 视频信号数字化以后，有着模拟信号无可比拟的优点： 再现性好 便于编辑处理 适合于网络应用4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.2 电视信号及其标准电视信号及其标准 1 电视视频信号的扫描方式 电视视频信号是由视频图像转换成的电信号。任何时刻，电信号只有1个值，是一维的，而视频图像是二维的，将二维视频图像转换为

3、一维电信号是通过光栅扫描实现的。而视频的显示则是通过在监视器上水平和垂直方向的扫描来实现，扫描方式主要有逐行扫描和隔行扫描两种。 逐行扫描方式的每一帧画面一次扫描完成；隔行扫描行方式的每一帧画面由两次扫描完成，每次扫描组成一个场，即一帧由两个场组成。4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.2 电视信号及其标准电视信号及其标准 2 彩色电视信号制式 彩色电视制式就是彩色电视的视频信号标准。 世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制，它们分别定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩处理方式和屏幕的扫描频率。 （1）NTSC制式 NTSC制规定水平扫描525行

4、、30帧/秒、隔行扫描、每场1/60s。 （2）PAL制式 PAL制式规定水平扫描625行、25帧/秒、隔行扫描、每场1/50s。 （3）SECAM 制式 SECAM 制式规定水平扫描625行、25帧/秒、隔行扫描、每场1/50s。其基本技术和广播方式与NTSC和PAL有很大的区别。4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.2 电视信号及其标准电视信号及其标准 2 彩色电视信号制式 （4）数字电视（Digital TV） 1990年美国通用仪器公司研制出高清晰度电视HDTV，提出信源的视频信号及伴音信号用数字压缩编码，传输信道采用数字通信的调制和纠错技术，从此出现了信源和传输通道全数字化的真正

5、数字电视，它被称为“数字电视”。 数字电视（DTV）包括高清晰度电视HDTV、标准清晰度电视SDTV和VCD质量的低清晰度电视LDTV。 随着数字技术的发展，全数字化的电视HDTV标准将逐渐代替现有的彩色模拟电视。 4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.2 电视信号及其标准电视信号及其标准 3彩色电视机的彩色模型 在PAL彩色电视制式中采用YUV模型来表示彩色图像。其中Y表示亮度，U 和V表示色差，是构成彩色的两个分量。与此类似，在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型。 YUV表示的亮度信号（Y）和色度信号（U、V）是相互独立的，可以对这些单色图分别进行编码。采用YUV模型的优点之一是亮度

6、信号和色差信号是分离的，使彩色信号能与黑白信号相互兼容。 由于所有的显示器都采用RGB值来驱动，所以在显示每个像素之前，需要把YUV彩色分量值转换成RGB值。4.1 视频基础知识视频基础知识 4.1.2 电视信号及其标准电视信号及其标准 4 彩色电视信号的类型 电视频道传送的电视信号主要包括亮度信号、色度信号、复合同步信号和伴音信号，这些信号可以通过频率域或者时间域相互分离出来。电视机能够将接收到的高频电视信号还原成视频信号和低频伴音信号，并在荧光屏上重现图像，在扬声器上重现伴音。 根据不同的信号源，电视接收机的输入、输出信号有三种类型： （1）分量视频信号与S-Video （2）复合视频信号

7、 （3）高频或射频信号4.2 视频的数字化视频的数字化 要让计算机处理视频信息，首先要解决的是视频数字化的问题。 对彩色电视视频信号的数字化有两种方法： 一种是将模拟视频信号输入到计算机系统中，对彩色视频信号的各个分量进行数字化，经过压缩编码后生成数字化视频信号； 另一种是由数字摄像机从视频源采集视频信号，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。 目前，视频数字化主要还是采用将模拟视频信号转换成的数字信号的方法。4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.1 视频的数字化过程视频的数字化过程 1采样 由于人的眼睛对颜色的敏感程度远不如对亮度信号灵

8、敏，所以色度信号的采样频率可以比亮度信号的采样频率低，以减少数字视频的数据量。 采样格式分别有4：1：1、4：2：2和4：4：4三种。 其中4：1：1采样格式是指在采样时每4个连续的采样点中取4个亮度Y、1个色差U和1个色差V共6个样本值，这样两个色度信号的采样频率分别是亮度信号采样频率的四分之一，使采样得到的数据量可以比4：4：4采样格式减少一半。4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.1 视频的数字化过程视频的数字化过程 2量化 采样是把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，而量化则是进行幅度上的离散化处理。 在时间轴的任意一点上量化后的信号电平与原模拟信号电平之间在大多数情况下存在一定的

9、误差，我们通常把量化误差称为量化噪波。 量化位数愈多，层次就分得愈细，量化误差就越小，视频效果就越好，但视频的数据量也也就越大。所以在选择量化位数时要综合考虑各方面的因素。4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.1 视频的数字化过程视频的数字化过程 3编码 经采样和量化后得到数字视频的数据量将非常大，所以在编码时要进行压缩。其方法是从时间域、空间域两方面去除冗余信息，减少数据量。编码技术主要分成帧内编码和帧间编码，前者用于去掉图像的空间冗余信息，后者用于去除图像的时间冗余信息。 视频编码技术主要有MPEG与H.261标准。 MPEG标准是面向运动图像压缩的一个系列标准，包括MPEG视频、MP

10、EG音频和MPEG系统（视频、音频和同步）3个部分。 ITU H.261标准化方案的标题为“64kbps视声服务用视像编码方式”，又称为P64 kbps视频编码标准。 4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.2 常见的数字视频格式及特点常见的数字视频格式及特点 1 AVI AVI（Audio Video Interleave） 是微软公司开发的一种符合RIFF文件规范的数字音频与视频文件格式。 AVI格式允许视频和音频交错记录、同步播放，支持256色和RLE压缩，是PC机上最常用的视频文件格式，其播放器为VFW（Video For Windows）。 在AVI文件中，运动图像和伴音数据是以交

11、替的方式存储，播放时，帧图像顺序显示，其伴音声道也同步播放。以这种方式组织音频和视像数据，可使得在读取视频数据流时能更有效地从存储媒介得到连续的信息。 AVI文件还具有通用和开放的特点，适用于不同的硬件平台，用户可以在普通的MPC上进行数字视频信息的编辑和重放，而不需要专门的硬件设备。 AVI文件可以用一般的视频编辑软件如Adobe Premiere进行编辑和处理。 4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.2 常见的数字视频格式及特点常见的数字视频格式及特点 2DV DV是由索尼、松下、JVC等一些厂商联合提出的一种家用数字视频格式。目前非常流行的数码摄像机就是使用这种格式记录视频数据的。它

12、可以通过电脑的IEEE 1394端口传输视频数据到电脑，也可以将电脑中编辑好的的视频数据回录到数码摄像机中。这种视频格式的文件扩展名一般是.avi，所以也叫DV-AVI格式。 3. MOV Apple公司在其生产的Macintosh机推出了Movie Digital Video的文件格式，其文件以MOV为后缀，相应的视频应用软件为Apples QuickTime for Macintosh。同时Apple公司也推出了适用于PC机的视频应用软件Apple s QuickTime for Windows。4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.2 常见的数字视频格式及特点常见的数字视频格式及特点

13、 4MEPG MPEG（Motion Picture Experts Group） 是运动图像压缩算法的国际标准，它采用有损压缩方法减少运动图像中的冗余信息，在显示器扫描设置为1024786像素的格式下可以用25帧/秒（或30帧/秒）的速率同步播放视频图像和CD音乐伴音, 具有很好的兼容性和最高可达200:1的压缩比，并且在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。 MPEG 包括 MPEG-1, MPEG-2，MPEG-4和MPEG-7。4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.2 常见的数字视频格式及特点常见的数字视频格式及特点 4MEPG （1）MPEG-1被广泛的应用在 VCD 的制作和网

14、络上一些可下载的视频片段。 （2）MPEG-2 被应用在 DVD 的制作、 HDTV（高清晰电视广播）及一些高要求的视频编辑、处理上面。 （3）MPEG-4 是一种新的压缩算法，主要应用于视像电话（videophone），视像电子邮件（VideoEmail）和电子新闻（Electronicnews）等。 （4）MPEG-7的目标是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。它将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与所描述的内容相联系，以实现快速的搜索。 4.2 视频的数字化视频的数字化 4.2.2 常见的数字视频格式及特点常见的数字视频格式及特点 5REAL VIDEO RE

15、AL VIDEO （RA、RAM）是Real Networks公司开发的一种流式视频（Streaming Video）文件格式。 流式视频采用一种边传边播的方法，先从服务器上下载一部分视频文件，形成视频流缓冲区后实时播放，同时继续下载，为接下来的播放做好准备。这种边传边播的方法避免了用户必须将整个文件从Internet上全部下载完毕才能观看的缺点。 流式视频主要用来在低速率的广域网上实时传输活动视频影像，可以根据网络数据传输速率的不同而采用不同的压缩比率，从而实现影像数据的实时传送和实时播放。4.3 数字视频的获取数字视频的获取 在多媒体计算机系统中，视频处理一般是借助于一些相关的硬件和软件，

16、在计算机上对输入的视频信号进行接收、采集、传输、压缩、存储、编辑、显示、回放等多种处理。 数字视频素材，可以通过视频采集卡将模拟数字信号转换为数字视频信号，也可以从光盘及网络上直接获取数字视频素材。4.3 数字视频的获取数字视频的获取 4.3.1 视频采集卡视频采集卡 视频采集系统需要包括视频信号源设备、视频采集设备、大容量存储设备以及配置有相应视频处理软件的高性能计算机系统。 提供模拟视频的信号源设备有录像机、电视机、影碟机等； 对模拟视频信号的采集、量化和编码由视频采集卡来完成； 最后由计算机接收和记录编码后的数字视频数据。在这一过程中起主要作用的是视频采集卡，是它把模拟信号转换成数字数据

17、。4.3 数字视频的获取数字视频的获取 4.3.1 视频采集卡视频采集卡 视频采集卡有单工卡和双工卡两种。单工卡只提供视频输入接口，如果只需在PC机上编辑数字化视频，单工卡就可以了。双工卡还提供输出接口，可以把数字化编辑过后的影像拷贝到录像带上。 大多数视频采集卡都具有压缩的功能，在采集视频信号时先将视频信号压缩后再通过接口把压缩的视频数据传送到主机上。视频采集卡可采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高性能的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG格式的文件。4.3 数字视频的获取数字视频的获取 4.3.2 对数码摄像机拍设的对数码摄像机拍设的DV进行采集进行采

18、集 要对用数码相机拍摄的DV进行采集，需要有一块IEEE1394DV采集卡（简称DV采集卡或1394卡），用一条数据线，一头接在电脑的1394接口，一头接在摄像机的DV1394输出口，打开摄像机，把开关选在录，放像的状态，即可用Premiere等视频编辑软件进行采集。4.3 数字视频的获取数字视频的获取 4.3.3 从光盘上获取数字视频素材从光盘上获取数字视频素材 VCD、DVD是重要的视频素材来源，利用视频转换工具软件可获取这些视频并将其转换为所需的文件格式进行存储和编辑，有些视频播放器也具有视频获取存储功能。 例如超级解霸可以从此类的格式的视频文件中截取视频片断并将其转换为AVI或MPG格

19、式。 如果我们要使用光盘中的一个完整视频文件，可以从资源管理器中将VCD光盘中Mpegav文件夹下的相应扩展名为DAT的文件直接拷贝到硬盘中，再将的扩展名改为MPG的文件即可。 对于.MPG文件，可以利用Windows自带的媒体播放机打开，然后另存为.AVI文件。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 Premier是Adobe System公司推出的非常优秀的非线性视频编辑软件。它可以配合硬件进行视频的捕获和输出，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。 1 Premiere 6.5的基本功能 （1）提供了多种编辑技

20、术，使用非线性编辑功能将多种媒体数据综合处理为一个视频文件。 （2）Premiere提供了多种从一个片断到另一个片段的过渡方法，我们可以从中选择过渡效果，也可以自己创建新的过渡效果4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 1 Premiere 6.5的基本功能 （3）在Premiere中可以很容易的添加音频、混合声音，精确地控制音量的大小，并提供了广泛的音频效果的设置。 （4）可以利用不同的视频轨道进行视频叠加，也可以创建文本和图形并叠加到当前视频片断中。 （5）具有多种活动图像的特技处理功能。使用“运动”使任何静止或移动的图像沿某个路径移动，具有

21、扭转、变焦、旋转和变形等效果，并提供了多种视频效果的设置。 （6）可以实时采集视频信号，采集精度取决于视频卡和计算机的功能。能编译生成AVI或MOV格式的数字视频文件、MPEG文件或“流式”文件。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 启动Premiere后进入其主窗口，如图4-4所示。主窗口主要由菜单和具有不同功能的子窗口和命令面板组成，子窗口主要包括Project（项目）窗口、Timeline（时间轴）窗口、Monitor（监控）窗口等，而命令面板主要有Transitions（过渡）等。这些子窗口和命令面板可

22、以在主窗口内显示，也可以隐藏。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 项目窗口时间轴窗口监控窗口过度面板4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 Project窗口是用户输入、组织和存储引用素材片断的地方，它列出了用户输入的所有源片断（剪辑）。 Premiere将视频文件的编辑处理定义为一个项目（Project），它是按时间轴组织的一组剪辑，其所有数据和编辑控制可以存储为一个项目文件。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4

23、.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 Timeline窗口是对数字视频进行编辑处理的主要工作区。显示当前编辑的视频节目中每一个素材的放置时刻、持续时间和其他素材的关系等特性。 用Timeline窗口可将各种剪辑片断和特技处理功能按播放时间的时间顺序放置在各自的轨道上，排列成一段连续播放的视频序列 。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 Monitor窗口主要用于预演原始的视频、音频素材片断或编辑的影片；设置素材片断的入点、出点，定制静帧图片的持续时间；在原始素材上设置标记等编辑任务。

24、 根据不同的编辑需要，Monitor窗口共分为Dual View、Single View 和Trim Mode三种模式。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.1 Premiere简介简介 2 熟悉Premiere主窗口 Transitions是视频编辑中镜头与镜头之间的不同的组接方式。 Premiere带有多种不同效果的过渡，这些过渡按类型放置在Transitions面板的不同文件夹中，每种过渡在其名称的左边都有自己独特的图标，用以形象地说明各种过渡方法是如何工作的。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 1启动Premie

25、re 出现Load Project Setting对话框，设置项目属性 。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 2导入素材 在制作数字影片之前，首先要将这些素材片断导入到Project窗口。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 3添加片断到Timeline窗口中 用户项目中的片断只有添加到Timeline窗口中，才成为视频节目的一部分。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 3添加片断到Timeline窗口中 将几个片断其拖动到Timeline

26、窗口，就建立起了一个粗略剪辑 。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 4预览剪辑 编辑一个视频节目的过程中，需要对编辑的结果进行预览，Premiere提供了多种不同的预览方式。 （1）使用时间标尺预览剪辑 激活Timeline窗口，将鼠标指针放在Timeline窗口上端的时间标尺上，指针将会变成一个指向下方的黑色三角形，将鼠标指针在时间标尺内缓慢向右拖动，这时Timeline窗口中的编辑线会伴随预览的进行一起移动，在Monitor窗口内就会显示编辑线所在帧的内容。 这种预览方法常被称为Scrubbing（刮擦）。 4.4 数字视频的制作与编辑数

27、字视频的制作与编辑 4.4.2 创建数字影片创建数字影片 5保存项目 选择File Save命令，保存项目文件。不仅保存素材片段的引用指针、素材片段的剪辑及组织信息和施加的各种编辑效果等，还保存当前影片文件的Premiere界面布局。如打开或关闭哪些对话框，对话框被拖动到了什么位置等。 6关闭项目文件 激活Project窗口，选择File Close命令，可关闭项目文件。而选择File Exit命令，可关闭项目文件并退出Premiere。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 在建立起粗略剪辑之后，需要对剪辑进行裁剪、调整片断等基本编辑。 1打开项目文件

28、 启动Premiere，选择File Open命令，打开项目文件 2设置Timeline窗口 选择Window Window Options Timeline Window Options命令，打开Timeline Window Options对话框 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 在Icon Size选项框中，共有三个从小到大的图标，代表素材片断在窗口中的显示尺寸。 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 Track Format选项决定剪辑在Timeline窗口中的显示方式，共有四种格式供选择 。4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 Count下拉列表框用来确定视频节目的时基和时间码显示方式 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 Zero Point选项规定视频起始帧的时间码 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频的制作与编辑 4.4.3 基础编辑基础编辑 On Insert选项确定剪辑的插入方式 4.4 数字视频的制作与编辑数字视频