音视频制作第六章.教学教程课件电子教案

第六章音视频的记录与回放第一节模拟音视频技术基础第二节数字音视频技术基础第三节音视频记录与回放设备及其操作

第一节

模拟音视频技术基础一、模拟音视频信号及其分类

模拟信号（AnalogSignal）是指在时间上和幅值上都连续（不间断）变化的信号。一般采用十进制数表示。摄像机通过电子扫描，将镜头前的景物进行光电转换后得到的电信号，其电平的高低对应景物亮度的大小且呈现连续的波状变化，是典型的模拟信号。模拟音视频信号的记录格式可以分为复合模拟方式和分量模拟方式两大类。信号的格式不同，意味着所采用的设备、接口和电缆都不相同。一般来说，在一个系统中，为保证信号质量得到最优化，应保持信号格式的一致和匹配。第六章第一节

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模拟音视频技术基础一、模拟音视频信号及其分类

1.复合信号复合视频信号也称为基带视频信号或RCA视频信号。复合信号把色度和亮度信息合成在一起进行记录，只需要用一根电缆进行传输，但复合信号色度和亮度之间的信号干扰是不可避免的，信号越弱干扰越严重，且磁带每翻录一次，信号都会减弱，翻录次数越多，信号衰减速度越大。使用复合信号格式的系统成本最低，但质量最差。第六章第一节

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模拟音视频技术基础一、模拟音视频信号及其分类

2.Y/C分量信号Y/C分量信号是在编码和解码过程中，把亮度信号Y和色度信号C分开，这样可以减低色度和亮度信号之间的干扰，但传输时就需要用两根电缆。使用Y/C分量信号格式的系统成本比复合信号格式稍高，质量稍好。第六章第一节

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模拟音视频技术基础一、模拟音视频信号及其分类

3.YUV分量信号在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R－Y（即U）、B－Y（即V），最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去，这个系统称之为YUV系统。YUV分量信号比Y/C分量信号质量更高，传输中需要用三根电缆，所用设备价格更高。第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频设备的接口与传输1.复合AV接口复合AV音视频接口是目前在视听产品中应用得最广泛的接口，一般用于家用级的复合系统。该接口通常采用RCA接头（俗称莲花接头）进行连接第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频设备的接口与传输2.S-Video接口也是非常常见的接口，一般用于专业级的Y/C分量系统。S接口将亮度和色度分离输出，避免了混合视频信号输出时亮度和色度的相互干扰。同AV接口相比，避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，提高了图像的清晰度。但S接口将两路色差信号(Pr、Pb)混合为一路色度信号C进行传输，之后再在显示设备内解码还原为Pb和Pr进行处理，这样仍会带来一定信号损失而产生失真。所以S-Video系统比AV复合系统质量更高，但离广播级还相去甚远。第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频设备的接口与传输3.模拟分量接口分量视频接口包括色差接口和RGB接口，一般用于广播级系统。分量视频接口通常采用YPbPr、YCbCr、RGB标识，YPbPr是逐行输入/输出色差分量接口，YCbCr是隔行输入/输出色差分量接口，RGB是RGB分量输入/输出接口。它是在S端子的基础上，把色度（C）信号里的蓝色差（b）和红色差（r）分开传输，因此光是视频信号就需要三根线分别传输，为减小信号间的干扰，一般分量视频接口采用NBC接口，用同轴电缆传输第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频的数字化过程数字信号具有以下优点：1.信息易处理可通过计算机对音、视频信号进行各种特技及非线性编辑，能够进行数据压缩。2.媒体易保存使用时间长，采用数字化的光盘，重放时不存在机械磨损，使用寿命长。3.设备便于集成化、微型化设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。成本低。数字化信息便于大规模集成电路的存储和处理，可降低成本。第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频的数字化过程数字信号具有以下优点：

4.可靠性高数字信号只要求脉冲的有无，而不依赖信号的幅值大小，对硬件一致性和稳定性要求下降了许多，从而提高了可靠性。5.便于构成综合数字网和综合业务数字网采用数字传输方式，可以实现数字化，构成综合业务数字网。第六章第一节

第一节

模拟音视频技术基础二、模拟音视频的数字化过程音视频信号的数字化，主要是为了传输质量的提高以及与其他信号交流的便利。其主要过程是，将摄像器件上通过光电转换得到的模拟音视频信号数字化，使其便于制作处理和交流，最后在显示端，再将数字信号转化回模拟信号，通过显像屏幕还原成光信号。模拟信号的数字化是指将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念数字音视频信号是指用0和1来表示的音视频信号。它是通过对模拟信号编码来获得的。这个编码过程包括三个步骤：抽样、量化和压缩。1.抽样抽样是将一个时间上连续变化的模拟信号变为样本序列，来取代该连续变化的模拟信号。两次抽样的时间间隔大小叫做抽样周期,用Ts表示。单位时间内的采样次数叫做抽样频率，用fs表示，fs=1/Ts。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念1.抽样1）抽样频率与抽样精度和抽样后的数据量大小有关在单位时间内抽样次数越多,则对信号的描述越细腻,所得到的数字信号越接近真实信号，即抽样频率fs应尽量高。但一味提高采样频率会增大数据量，给数据处理带来麻烦，增加技术实现上的困难。2）抽样频率与被抽样信号的变化速度有关抽样频率的选择必须考虑被抽样信号变化的快慢程度，对变化缓慢的信号进行高频率抽样是不合适的。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念1.抽样亨利.奈奎斯特(HarryNyquist)的采样定理:当对连续变化的信号波形采样时,若采样频率fs高于该信号所含最高频率的2倍,那么可以由采样值通过插补技术正确地恢复原信号的波形。否则将会引起频谱混叠（Aliasing）产生混叠噪声（AliasingNoise）,而重叠的部分是不能恢复的。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念1.抽样处理数字视频时，抽样率一般以一个比率来呈现，这个比率指的是数字信号不同分量的取样次数。例如，在4:2:2的采样中，亮度信号每取样4次，每种色度信号就会被取样2次。在同等条件下，4:2:2的抽样率比4:1:1的采样率产生更好的结果。但高采样率也相应地需要更宽的带宽和更大的存储容量。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念2.量化量化（quantization）过程是将抽样值在幅度上再进行离散化处理的过程，用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。量化描述的是被采样的数字信号比特有多少。1比特（二进制数字的缩写）就是一个单独的数值为0或者1的数字脉冲。比特数越大，信号的质量越高。数字视频最常见的量化是8比特、10比特和12比特。但高量化水平也会导致占有更高的带宽和存储容量。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念3.压缩经过采样和量化后，数字化的视频数据相当庞大。为了便于传输和提高效率，我们需要通过压缩（compression)技术，在保证信号一定质量的前提下，尽量减小信号占据带宽。压缩是通过采样和分析图像的视觉信息，将相对不重要的信息去除的过程。压缩肯定会导致画面质量的损耗。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念3.压缩数字视频可以分为无损和有损两大类，没有经过压缩的，画面质量无损的称为“无损”(lossless），反之则称之为“有损”（lossy）。压缩比（compressionratio）指的是原始信号与压缩之后信号大小之比。压缩比越高，压缩文件相对原始文件就越小，占据带宽越小。对同一个视频信号来说，16:1压缩比就比4:1压缩比需要带宽更小。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础一、数字音视频信号及其概念3.压缩目前常用的压缩方法有内部帧压缩、帧间压缩和二者结合。内部帧压缩（intraframecompression）是将视频每个帧作为独立实体进行分析，将每个帧中信息相同的像素压缩掉，比如白色的背景中含有很多白色像素，就可以其中把大部分压缩。帧间压缩（interframecompression）分析的是帧群，压缩的是上下帧之间没有变化的像素。相对于单独使用内部帧压缩或帧压缩，同时使用内部帧压缩和帧间压缩方法能够获得更高的压缩率。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展1.数字压缩的必要性及可能性数字化的信号数据量十分大，巨大的数据量不利于进行数据的存储与传输。原始的视频数据存在着大量的冗余，这些冗余正是进行数字压缩的基础。2.数字压缩的过程数字音视频压缩要经过采样、预处理、帧间预测、变换、量化、熵编码、打包这几个步骤。

第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展“标准化是产业化的前提”，技术的应用必须有统一的国际化标准作前提。已经建立的国际标准中包括有对静态图像进行压缩的JPEG标准，对运动图像及声音进行压缩的MPEG标准，为可视通信通信服务的H.261、H.263及最新出现的超媒体标准MHEG。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展（1）压缩标准目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展（1）压缩标准Motion-JPEGMotion-JPEG（M-JPEG）压缩系统是静态图像压缩JPEG（JointPhotographicExpertsGroup联合图像专家小组）格式的扩展，只使用内部帧压缩，压缩率很低。M-JPEG是第一个活动图像压缩系统，但现在已几乎被其他系统取代。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展（1）压缩标准MPEG-1MPEG-1命名于（MovingPicturesExpertsGroup），用于将VHS质量的标清视频记录到光盘CD上去，也可用于网络视频发布，视频质量较差。MPEG-2MPEG-2是目前广泛用于数字电视的压缩格式。MPEG-2不是一个标准而是一系列的标准，可以在较广的范围内改变压缩比以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展（1）压缩标准MPEG-4MPEG-4包含了MPEG-1及MPEG-2的绝大部份功能及长处，并加入了对虚拟现实模型语言的支持，面向对象的合成档案以及数字版权管理及其他互动功能，是一种较新的压缩格式，是主要是为发布交互式多媒体内容而设计的，主要用于视频游戏、虚拟现实和以因特网为基础的视频运用。MPEG-4提供的也是一系列的标准。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展（1）压缩标准DVDV压缩格式对于电视制作来说是第二个重要的压缩技术。它只用内部帧压缩，所以非常适用于编辑。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式AVIAVI，是音频视频交错(AudioVideoInterleaved)的英文缩写。AVI在视频领域可以说是最悠久的格式之一，由微软公司推出。AVI格式调用方便、图像质量好，压缩标准可任意选择，是应用最广泛、也是应用时间最长的格式之一。MOVMOV，即QuickTime影片格式，它是Apple公司开发的一种音视频文件格式，用于存储常用数字媒体类型。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式ASFASF，是高级流格式AdvancedStreamingformat的缩写。ASF是MICROSOFT为了和的Realplayer竞争而发展出来的一种可以直接在网上观看视频节目的文件压缩格式。ASF使用了MPEG4的压缩算法，压缩率和图像的质量都很不错。因为ASF是以一个可以在网上即时观赏的视频“流”格式存在的，所以它的图像质量比VCD差一点，但比同是视频“流”格式的RAM格式要好。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式WMV种独立于编码方式的在Internet上实时传播多媒体的技术标准，Microsoft公司希望用其取代QuickTime之类的技术标准以及WAV、AVI之类的文件扩展名。WMV的主要优点在于：可扩充的媒体类型、本地或网络回放、可伸缩的媒体类型、流的优先级化、多语言支持、扩展性等。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式NAVINAVI是NewAVI的缩写，是一个名为ShadowRealm的地下组织发展起来的一种新视频格式。它是由MicrosoftASF压缩算法的修改而来的（并不是想象中的AVI），NAVI为了追求压缩率和图像质量，改善了原始的ASF格式的一些不足，让NAVI可以拥有更高的帧率。可以说，NAVI是一种去掉视频流特性的改良型ASF格式。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式3GP:3GP是一种3G流媒体的视频编码格式，主要是为了配合3G网络的高传输速度而开发的，也是目前手机中最为常见的一种视频格式。简单的说，该格式是“第三代合作伙伴项目”(3GPP)制定的一种多媒体标准，使用户能使用手机享受高质量的视频、音频等多媒体内容。其核心由包括高级音频编码(AAC)、自适应多速率(AMR)、MPEG-4和H.263视频编码解码器等组成，目前大部分支持视频拍摄的手机都支持3GPP格式的视频播放。特点是网速占用较少，但画质较差。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式REALVIDEOREALVIDEO（RA、RAM）格式定位在视频流应用方面的，是视频流技术的始创者。它可以在用56KMODEM拨号上网的条件实现不间断的视频播放，当然，其图像质量和MPEG2、DIVX等比略微逊色，毕竟要实现在网上传输不间断的视频是需要很大的频宽的，这方面是ASF的有力竞争者。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式MKV是一种全称为Matroska的新型多媒体封装格式，可在一个文件中集成多条不同类型的音轨和字幕轨，而且其视频编码的自由度也非常大，可以是常见的DivX、XviD、3IVX，甚至可以是RealVideo、QuickTime、WMV这类流式视频。这种先进的、开放的封装格式已经给我们展示出非常好的应用前景。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（2）数字视频格式FLVFLV是FLASHVIDEO的简称，FLV流媒体格式是一种新的视频格式。由于它形成的文件极小、加载速度极快，使得网络观看视频文件成为可能，它的出现有效地解决了视频文件导入Flash后，使导出的SWF文件体积庞大，不能在网络上很好的使用等缺点。第六章第一节

第二节

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（2）数字视频格式F4VF4V是Adobe公司为了迎接高清时代而推出继FLV格式后的支持H.264的F4V流媒体格式。F4V已经逐渐取代了传统FLV，被大多数主流播放器兼容播放。它和FLV主要的区别在于，FLV格式采用的是H263编码，而F4V则支持H.264编码的高清晰视频，码率最高可达50Mbps。也就是说F4V和FLV在同等体积的前提下，能够实现更高的分辨率，并支持更高比特率，就是我们所说的更清晰更流畅。第六章第一节

第二节

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（2）数字视频格式RMVBRMVB的前身为RM格式，它们是RealNetworks公司所制定的音频视频压缩规范，根据不同的网络传输速率，而制定出不同的压缩比率，从而实现在低速率的网络上进行影像数据实时传送和播放，具有体积小，画质也还不错的优点。第六章第一节

第二节

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（2）数字视频格式WebM由Google提出，是一个开放、免费的媒体文件格式。WebM影片格式其实是以Matroska（即MKV）容器格式为基础开发的新容器格式，里面包括了VP8影片轨和OggVorbis音轨，其中Google将其拥有的VP8视频编码技术以类似BSD授权开源，OggVorbis本来就是开放格式。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（3）数字音频格式数字音频是指一个用来表示声音强弱的数据序列，由模拟声音经抽样、量化和编码后得到的。简单地说，数字音频的编码方式就是数字音频格式，音频格式最大带宽是20KHZ，速率介于40~50KHZ之间，采用线性脉冲编码调制PCM，每一量化步长都具有相等的长度。音频格式日新月异，现阶段主要有CD格式、WAVE（*.WAV）、AIFF、AU、MP3、MIDI、WMA、RealAudio、VQF、OggVorbis、AAC、APE。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（3）数字音频格式CDCD格式的音质是比较高的音频格式。在大多数播放软件的“打开文件类型”中，都可以看到*.cda格式，这就是CD音轨了。标准CD格式是44.1K的采样频率，速率88K/秒，16位量化位数，因为CD音轨可以说是近似无损的，因此它的声音基本上是忠于原声的第六章第一节

第二节

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（3）数字音频格式WAVEWAVE是微软公司开发的一种声音文件格式，它符合PIFFResourceInterchangeFileFormat文件规范，用于保存WINDOWS平台的音频信息资源，被WINDOWS平台及其应用程序所支持。标准格式的WAV文件和CD格式一样，也是44.1K的采样频率，速率88K/秒，16位量化位数，WAV格式的声音文件质量和CD相差无几，也是目前PC机上广为流行的声音文件格式。第六章第一节

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（3）数字音频格式AIFFAIFF是（AudioInterchangeFileFormat）音频交换文件格式的英文缩写。是APPLE公司开发的一种音频文件格式，被MACINTOSH平台及其应用程序所支持，AIFF是Apple苹果电脑上面的标准音频格式，属于QuickTime技术的一部分。第六章第一节

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（3）数字音频格式AUAU,即AUDIO，是SUN公司推出的一种数字音频格式。AU文件原先是UNIX操作系统下的数字声音文件。由于早期INTERNET上的WEB服务器主要是基于UNIX的，所以，AU格式的文件在如今的INTERNET中也是常用的声音文件格式。第六章第一节

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（3）数字音频格式MPEGMPEG是动态图象专家组的英文缩写。这个专家组始建于1988年，专门负责为CD建立视频和音频压缩标准。MPEG音频文件指的是MPEG标准中的声音部分即MPEG音频层。目前INTERNET上的音乐格式以MP3最为常见。虽然它是一种有损压缩，但是它的最大优势是以极小的声音失真换来了较高的压缩比。MPEG含有格式包括：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-Layer3、MPEG-4。第六章第一节

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（3）数字音频格式MP3MP3指的是MPEG标准中的音频部分。根据压缩质量和编码处理的不同分为3层，分别对应.mp1"/“*.mp2”/“*.mp3”种声音文件。MPEG音频文件的压缩是一种有损压缩，低音频部分基本不失真，但是牺牲了12KHz到16KHz高音频部分的质量来换取文件的尺寸，相同长度的音乐文件，用*.mp3格式来储存，一般只有*.wav文件的1/10，因而音质要次于CD格式或WAV格式的声音文件。第六章第一节

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（3）数字音频格式MIDIMIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface）格式常用于音乐创作，它允许数字合成器和其他设备交换数据。MID文件格式由MIDI发展而来。MID文件并不是一段录制好的声音，而是记录声音的信息，然后再告诉声卡如何再现音乐的一组指令。第六章第一节

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（3）数字音频格式WMAWMA(WindowsMediaAudio)格式是由微软发布的，音质要强于MP3格式，更远胜于RA格式，它和日本YAMAHA公司开发的VQF格式一样，是以减少数据流量但保持音质的方法来达到比MP3压缩率更高的目的，WMA的压缩率一般都可以达到1：18左右第六章第一节

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数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（3）数字音频格式RealAudioRealAudio主要适用于网络上的在线音乐欣赏。real的文件格式主要有RA（RealAudio）、RM（RealMedia，RealAudioG2）、RMX（RealAudioSecured）等。这些格式的特点是可以随网络带宽的不同而改变声音质量，在保证大多数人听到流畅声音的前提下，令带宽较富裕的听众获得较好的音质。第六章第一节

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数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（3）数字音频格式VQF雅马哈公司另一种格式是*.vqf，它的核心是减少数据流量但保持音质的方法来达到更高的压缩比，VQF的音频压缩率比标准的MPEG音频压缩率高出近一倍，可以达到18:1左右甚至更高。相同情况下压缩后VQF的文件体积比MP3小30%～50%，更便利于网上传播，同时音质极佳，接近CD音质(16位44.1kHz立体声)。第六章第一节

第二节

数字音视频技术基础二、数字音视频编码压缩技术及其发展3.数字压缩的国际标准及技术发展

（3）数字音频格式OggVorbisOggVorbis是一种新的音频压缩格式，类似