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文档简介
数字视频基础
KeytoDigitalVideo
非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第1页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第2页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第3页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第4页!
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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第5页!
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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第6页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第7页!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:非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第8页!2.采样将模拟信号数字化的步是采样(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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第9页!(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。
非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第10页!(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。
非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第11页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第12页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第13页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第14页!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)。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第15页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第16页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第17页!PR中的HDV格式预置非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第18页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第19页!7.P2HD——P2
PALM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P2
PALM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非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第20页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第21页!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)。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第22页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第23页!
以上视频标准在摄像机上叫做记录格式,概括如下表所示:制式PAL制NTSC制标清576/50i、576/25p480/59.94i、480/29.97p高清1080/50i、1080/25p720/25p、720/50p1080/59.94i、1080/29.97p720/29.97p、720/59.94p字母“i”前的数字是场频,“p”前的数字是帧频在我国,面向电视运用时,应选择PAL制、隔行扫描(带字母“i”的)。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第24页!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:
CCDCCDCCD非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第25页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第26页!(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。
非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第27页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第28页!-----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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第29页!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。
非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第30页!DVCAM和DVCPRO分别是索尼和松下专有的一种非通用DV25格式。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第31页!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。非线性编辑----数字视频共37页,您现在浏览的是第32页!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
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