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第七章 数字视频及转换

第七章 数字视频及转换. 教学要点：. 基本概念 电视制式及数字视频基础 数字视频格式及转换. 一、基本概念. 1 、视频. 视频是活动的图像。 正如像素是一幅数字图像的最小单元一样，一幅幅数字图像组成了视频，图像是视频的最小和最基本的单元。 在电视中把每幅图像称为一帧（ frame ），在电影中每幅图像称为一格。. 2 、模拟视频信号. 模拟信号 (Analog Signal) 是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度、频率，或相位随时间作连续变化，如目前广播的声音信号，或图像信号等。

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第七章 数字视频及转换

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  1. 第七章 数字视频及转换

  2. 教学要点： • 基本概念 • 电视制式及数字视频基础 • 数字视频格式及转换

  3. 一、基本概念 1、视频 视频是活动的图像。 正如像素是一幅数字图像的最小单元一样，一幅幅数字图像组成了视频，图像是视频的最小和最基本的单元。 在电视中把每幅图像称为一帧（frame），在电影中每幅图像称为一格。

  4. 2、模拟视频信号 模拟信号(Analog Signal)是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度、频率，或相位随时间作连续变化，如目前广播的声音信号，或图像信号等。 模拟视频信号是模拟信号的一种，是指随时间作连续变化的视频图像信号。

  5. 3、数字视频信号 数字信号(Digital Signal)，是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号，它用有限个“0”和“1”的代码来表示信息中某一个字符，当很多字符组合起来时，才能表达完整的信息。 数字视频信号也只是数字信号的一种，它是用数字信号表示的视频图像信号。

  6. 4、模拟信号与数字信号之间的相互转换 目前，已经有很成熟的转换方法实现两者之间的相互转换。 模拟信号可以通过PCM脉码调制方法量化为数字信号，数字信号可以通过对载波进行移相的方法转换为模拟信号。

  7. 二、电视制式及数字视频基础 • 电视制式及信号 • 数字视频基础

  8. 1、电视制式及信号 • 模拟电视制式 • 模拟视频信号类型

  9. 电视系统示意图 发射机 发射机 卫 星 卫 星 摄像机 电 缆 录像带 录像机 录像机

  10. 1.1 模拟电视制式 由于电视信号是模拟的视频信号，所以，电视制式也是指模拟电视制式。 不同国家的视频系统有不同制式之分，这些制式定义了视频信号的各种不同的参数标准（包括帧频、分辨率、信号带宽等。世界上现行的模拟电视制式有三种： • NTSC制 • PAL制 • SECAM制

  11. （1）PAL（Phase-Alternative Line）制式 1962年由西德制定的彩色电视广播标准，它克服了NTSC制式色彩失真的缺点。中国、英国、新加坡、澳大利亚、新西兰、西德等国使用该标准。 帧频：25帧/秒 垂直分辨率：625线（或行/帧） 亮度宽度：6.0MHz 分辨率：768*576

  12. （2）NCST（National Television Systems Committee）制式 1952年由美国国家电视标准委员会制定的彩色电视广播标准，它有色彩失真的缺点。美国、加拿大等西半球国家和中国台湾、日本、韩国等采用该制式。 帧频：30帧/秒 垂直分辨率：525线（或行/帧） 亮度宽度：4.2MHz 分辨率：640*480

  13. （3）SECAM（法文：Sequential Coleur Avec Memoire）制式 1966年由法国制定的彩色电视广播标准，它也克服了NTSC制式色彩失真的缺点。法国、中东部分国家采用该制式。 帧频：25帧/秒 垂直分辨率：625线（或行/帧） 亮度宽度：6MHz 分辨率：768*576

  14. 电视国际制式

  15. 1.2 模拟视频信号类型 模拟视频信号通常有以下几种类型： • RF射频信号 • 复合视频信号 • S-Video信号 • 分量视频信号

  16. （1）RF（Radio Frequency）射频信号 RF射频信号是一种为了能在空中传播电视信号，而由视频全电视信号调制而成的信号。电视机从天线或有线电视电缆接收到的就是RF信号。 电视机对收到的RF信号进行解调和处理后得到某种制式的复合全电视信号，再从全电视信号中分离伴音信号和视频信号。

  17. 音频处理 YC分量信号 RGB扫描信号 伴音 全电视信号 高频放大混频、检波 放大、 亮色分离 伴音与 视频分离 转换电路 扫描输出 射频输入 （RF In） 两分量视频输入 （S－Video In） 复合视频输入 （Video In） 电视机基本工作原理

  18. （2）复合视频信号（Composite Video Signal） 包含亮度信号、色差信号和所有同步信号的单一信号叫做复合视频信号。 复合视频接线通常含有三条线：黄色的是视频接口，白色和红色是音频接口。

  19. （3）S-Video信号（Separated Video） S-Video是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号（成为YC信号），使用两条信号电缆线分别传输，并可记录在模拟磁带的两路磁迹上。 使用S-Video有两个优点：减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰；亮度信号和色差信号都具有较宽的带宽。 与复合视频信号相比，S-Video可以更好地重现色彩。

  20. （4）分量视频信号（component video Signal） 分量视频指的是亮度Y，色差U和V分别是三路模拟信号，它们通过三路导线传送并记录在模拟磁带的三路磁迹上。 分量视频由于其具有很宽的频带，可以提供最高质量及最精确的色彩重放。较高级的广播级录像机采用分量视频信号的记录方式。

  21. 2、数字视频基础 • 相对于传统的模拟视频信号，数字视频有很多优点：可以直接进行随机存储使得视频图像检索变得很方便，在复制和传输数字视频时不会造成视频质量下降，很容易对视频进行非线性编辑。 • 模拟视频的数字化方法 • 数字视频的采样格式和数字视频标准 • 数字视频的压缩

  22. 2.1 模拟视频的数字化方法 • 复合数字化 • 分量数字化

  23. （1）复合数字化 这种方式是先用一个高速的模/数（A/D）转换器对全彩色电视信号进行数字化，然后在数字域中分离亮度和色度，以获得YUV分量或YIQ分量，最后再转换成RGB分量。

  24. （2）分量数字化 这种方式是先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模／数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。 模拟视频一般采用分量数字化方式。

  25. 2.2 数字视频的采样格式和数字视频标准 模拟视频数字化处理过程： 采样——量化——编码 采样是对视频图像进行扫描从而将复合彩色信号分离出彩色分量。 常用副色采样法。

  26. （1）采样格式 • 数字视频的采样格式有如下三种： • Y：U：V＝4：1：1 • Y：U：V＝4：2：2 • Y：U：V＝4：4：4

  27. （2）数字视频标准 • 采样频率 • 分辨率与帧频 • 数据量

  28. 采样频率： 分辨率与帧频

  29. 数据量

  30. （3）视频序列的表示单位 通常用时间码来识别和记录视频数据流中的每一帧。 格式： 小时：分钟：秒：帧

  31. 2.3 数字视频的压缩 • 有损压缩和无损压缩 • 帧内压缩和帧间压缩

  32. （1）有损压缩和无损压缩 有损压缩：压缩前后数据不一致。在压缩过程中丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢复。 无损压缩：压缩前后数据完全一致。多数无损压缩都采用RLE行程编码算法。适用于有计算机生成的图像。

  33. （2）帧内压缩和帧间压缩 帧内压缩：也称为空间压缩。压缩图像时，仅考虑本帧数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，与静态图像压缩类似。 帧间压缩：也称为时间压缩。通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。

  34. 三、数字视频格式及转换 • MPEG数字视频标准 • AVI数字视频 • 流媒体技术 • 常用视频文件的格式 • 常用视频文件格式的相互转换

  35. MPEG-1格式和MP3 • MPEG-2格式和DVD • MPEG-4格式和MP4 • MPEG其他标准 1、MPEG数字视频标准

  36. 1.1 MPEG-1格式和MP3 MPEG-1是MPEG组织于1992年提出的第一个具有影响力的多媒体国际标准。 MPEG-1传输速率为150 KB/秒，标准的图象格式为352×240象素，帧频为20 fps。MPEG-1促进了VCD的流行，也推动了我国VCD产业的发展。 MP3是指MPEG-1 Audio Layer 3。采用MP3编码解码标准技术，可以实现12 :1的压缩比，而仍然保持CD水平的音频质量。

  37. MPEG-1解压卡与MPC的端口连接示意

  38. 1.2 MPEG-2格式和DVD MPEG-2是1994年制订完成的。一般把它看作广播电视的标准，适合应用于隔行扫描图象的编码。 图象具有720×480象素，帧频为60 fps，传输速率要求达到 2MBps。 采用MPEG-2编解码标准的数字TV和DVD都能够获得清新的图象。MPEG-2标准的制订，使得数字TV和DVD产品得以流行。

  39. MPEG-1与MPEG-2的主要不同指标

  40. 1.3 MPEG-4格式和MP4 MPEG-4与MP4标准于1998年获得专利许可，于1999年被接受作为国际标准。 利用MPEG-4与MP4标准进行视频与语音信号无损压缩来存储电影时，所占用的存储容量仅仅为按照DVD标准所需要的存储空间的15%。 按照MPEG-4来进行编码解码，可以将信号数据分成非常少位数的数据分组。

  41. MPEG-4的主要应用： • 适合于低速率的音频视频信息 对象的引入和交互性的实现

  42. 1.4 MPEG其他标准 • MPEG-7 MPEG-7称为多媒体内容描述接口，用来描述各种类型的多媒体信息以及它们之间的关系，以便更快、更有效地检索信息。在MPEG-7中，包括范围广泛的描述单元。 • MPEG-21。 • MPEG-21则仍然处于酝酿的阶段。它的最终目标是为多媒体信息的用户提供透明而有效的电子交易和使用环境。

  43. AVI数字视频格式 • AVI数字视频的特点 • AVI采用的压缩算法 2、AVI数字视频标准

  44. 视频 音频 视频 音频 视频 音频 音频 帧1 帧2 帧n 文件头 索引块 数据块 2.1 AVI数字视频格式 AVI视频文件格式

  45. 视像参数 视窗尺寸（Video size） 帧率（Frames per second） • 伴音参数 视像与伴音的交织参数 同步（Synchronization）控制

  46. 帧率与画面连续性

  47. 视像与伴音的同步与不同步效果

  48. 压缩参数： • 压缩算法 • 图像深度 • 压缩质量 • 关键帧（ Key Frame ） • 数据率

  49. 不同图像深度的效果

  50. 不同压缩质量与效果

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