《大學計算機基礎》課件第5章5.4 數(shù)字視頻及應用

5.4數(shù)字視頻及應用5.4.1數(shù)字視頻基礎5.4.2數(shù)字視頻的壓縮編碼5.4.3數(shù)字視頻的編輯與播放5.4.4計算機動畫5.4.5數(shù)字視頻的應用5.4.1數(shù)字視頻基礎

視頻(video)：泛指內(nèi)容隨時間變化的一個圖象序列，又叫運動圖象或活動圖象(motionpicture)常見視頻：電視，電影，動畫等.視頻的特點：內(nèi)容隨時間而變化,伴隨有與畫面動作同步的聲音(伴音),人類接受的信息70%來自視覺,其中活動圖象是信息量最豐富、直觀、生動、具體的一種承載信息的媒體。視頻信息的處理是多媒體技術的核心。什么是視頻（video）？數(shù)字視頻的主要參數(shù)幀頻、幀速率（framerate）——每秒鐘顯示多少幀圖像，單位是fps圖像掃描方式：隔行掃描（interlacedscanning）逐行掃描方式（progressivescanning）

幀大小——每幀圖像的分辨率，即圖像寬度x圖像高度（單位：像素）顏色深度、像素深度——圖像中每個像素的二進位數(shù)目（單位：bit）例：持續(xù)時間為1小時的一段數(shù)字視頻，假設幀大小是720×576，像素深度為24位，幀速率為25fps，則該數(shù)字視頻（未壓縮時）具有下列性質(zhì)：? 每幀的像素數(shù)目=720×576=414,720像素? 每幀的二進位數(shù)目=414720×24=9953280≈9.95Mb? 視頻流的比特率=9.95×25≈248.75Mb/s? 視頻流的大小=248Mb/s×3600s=892800Mb≈111600MB=111.6GB我國數(shù)字視頻的3種顯示格式標準清晰度電視（SDTV，也表示為576i）圖像畫面的分辨率為720×576，隔行掃描，幀頻為25fps，視頻流（壓縮后）的比特率約為3Mb/s。目前數(shù)字有線電視的大部分頻道用于播放標準清晰度電視節(jié)目，DVD-Video光盤中的視頻大多也是SDTV格式。高清晰度電視（HDTV，也表示為1080i）分辨率為1920×1080，隔行掃描，幀頻為25fps，視頻流的比特率約為8Mb/s。比標準清晰度電視可以展現(xiàn)更多的影像細節(jié)，數(shù)字有線電視中高清頻道播放的就是HDTV節(jié)目。超高清晰度電視（UHDTV，也稱為4K電視）分辨率達3840×2160甚至更高，是HDTV的4倍以上近幾年4K電視機和LCD顯示器已經(jīng)成熟，電腦顯卡也都支持4K顯示，就連一些高端智能手機也能拍攝4K視頻數(shù)字視頻信號的獲取

視頻信號的數(shù)字化過程:

與圖像、聲音的數(shù)字化過程相仿，但更復雜一些(8-10bits)濾波取樣量化編碼數(shù)字視頻信息模擬視頻信號VUYUVY數(shù)字視頻的獲取設備：

視頻采集卡（簡稱視頻卡）數(shù)字攝像頭，通過光學鏡頭和CCD或CMOS采集動態(tài)圖像，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入PC機脫機獲取設備：數(shù)碼攝像機數(shù)字攝像頭分辨率為352×288～640×480，高清攝像頭分辨率更高速度一般在30fps（每秒30幀）左右鏡頭的視角可達到45-60度

支持USB接口或IEEE1394（火線）接口成像器件采用CMOS或CCD數(shù)碼攝像機提供480線以上的分辨率，清晰度高自動對焦，自動曝光

使用MPEG-2進行壓縮編碼，然后記錄在存儲卡或硬盤上具有錄音功能數(shù)據(jù)量很大，采用USB接口或IEEE1394接口

5.4.2數(shù)字視頻的壓縮編碼數(shù)字視頻的壓縮編碼視頻數(shù)據(jù)壓縮的必要性：數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量大得驚人，1分鐘的數(shù)字電視圖像未壓縮時其數(shù)據(jù)量可超過1GB，對存儲、傳輸和處理都有很大的困難視頻數(shù)據(jù)壓縮的可能性：視頻信息的每個畫面內(nèi)部有很多信息冗余相鄰畫面的內(nèi)容有高度的連貫性人眼的視覺靈敏度有限，允許畫面有一定失真結論：數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量可壓縮幾十倍甚至幾百倍數(shù)字視頻編碼的三大類國際標準公司標準：早期：Intel公司的IndeoVideo，蘋果公司的Cinepak當前：RealNetwork公司的RealVideo，微軟公司的WMV，Googlee公司的VP8、VP9等H.265/MPEG-HITU-TISO/IECITU-TISO/IEC2014目前流行的數(shù)字視頻編碼國際標準名

稱圖像格式壓縮后的碼率主要應用MPEG-1360×288大約1.2Mb/s~1.5Mb/s適用于VCD、數(shù)碼相機、數(shù)字攝像機等H.261360×288或180×144Px64kb/s(P=1、2時，只支持180×144格式，P≥6時，可支持360×288格式)應用于視頻通信，如可視電話、會議電視等MPEG-2(MP@ML)720×5765Mb/s~15Mb/s用途最廣,如DVD、衛(wèi)星電視直播、數(shù)字有線電視等MPEG-2高清格式1440×11521920×115280Mb/s~100Mb/s高清晰度電視（HDTV）領域MPEG-4ASP分辨率較低的視頻格式與MPEG-1，MPEG-2相當，但最低可達到64kb/s在低分辨率低碼率領域應用，如監(jiān)控、IPTV、手機、MP4播放器等MPEG-4AVC多種不同的視頻格式采用多種新技術，編碼效率比MPEG-4ASP顯著減少已在多種領域應用，如HDTV、藍光盤、IPTV、XBOX、iPod、iPhone等背景材料：

什么是MPEG-4ASP和MPEG-4AVCMPEG-4是數(shù)字音視頻壓縮編碼的國際標準MPEG-4分成23個部分，其中part2和part10是視頻編碼為了適應不同應用對視頻圖像大小和質(zhì)量的不同要求，每種視頻編碼標準都分成若干level和profile：MPEG-4Part2分成21個profile，ASP（AdvancedSimpleProfile）是其中之一，其技術特點是：畫面分辨率較低，最低碼率僅64kb/s左右，但畫面質(zhì)量好，復雜度中等MPEG-4Part10又稱為MPEG-4AVC(AdvancedVideoCoding).它是目前技術最先進的視頻編碼案，分成7個profile，可用于HDTV背景材料：

編碼標準與編/解碼器(Codec)編碼標準的具體實現(xiàn)稱為編碼器/解碼器（Coder/Decoder，Codec）Codec可以是硬件，也可以是軟件同一種編碼標準可以有許多不同的Codec產(chǎn)品，例如實現(xiàn)MPEG-4ASP的Codec有：DivX(DigitalVideoExpress)，能以較少的數(shù)據(jù)和較高的質(zhì)量對視頻信息進行編/解碼，在網(wǎng)絡視頻應用、MP4播放器和Xbox360、SonyPlayStation3游戲機中得到了較好應用Xvid(自由軟件)，功能與DivX相當，某些性能甚至還更好一些VideoCodec有很多種，它們實現(xiàn)的編碼標準不同，性能和技術各有特色，用途也有差異，相互間通常不一定兼容背景材料：

Codec與文件格式經(jīng)過編碼處理后的信息均以數(shù)據(jù)文件的形式進行存儲和傳輸！視頻數(shù)據(jù)通?？偘殡S有與之同步的音頻數(shù)據(jù)（稱為音像文件）音像數(shù)據(jù)文件的格式往往設計成一種“封包”（container）形式，即：文件中既有視頻數(shù)據(jù)，也有音頻數(shù)據(jù)，甚至還有文字(字幕)等其它信息視頻、音頻或文字信息所采用的編碼標準可以不止一種舉例：微軟公司的.avi格式和.asf格式文件（后者適合流媒體應用）蘋果公司的.mov格式和.qt格式文件RealNetwork公司的.rm格式和.rmvb格式文件（.rmvb格式是.rm的擴充，它采用MPEG-4AVC的算法，性能優(yōu)于DivX和Xvid）Adobe公司的FLV（.flv）和F4V（.f4v）文件格式編碼器解碼器數(shù)據(jù)文件播放初始數(shù)據(jù)常用音像文件(視頻文件)的比較音像文件/視頻文件名稱（格式）視頻編碼格式音頻編碼格式

支持情況舉例WMPiPhoneMate8MPEG（mpeg、mpg）MPEG-1/-2videoMPEG-1層I,II,III√√MPEG-4（.mp4）MPEG-2Part2H.263/MPEG-4ASPH.264/MPEG-4AVCVC-1,Dirac等MPEG-2/-4AACMPEG-1/2LayersI,II,III(MP3),AC-3,AppleLossless等√√√蘋果QuickTime（.mov、.qt）（大體同上）（大體同上）僅低版本√3G通信合作項目（.3gp、.3g2）H.263/MPEG-4ASPH.264/MPEG-4AVCAMR,AAC-LC等√√√微軟ASF（.asf、.wmv）

(幾乎所有格式)

(幾乎所有格式)√√微軟AVI（.avi）(不支持可變碼率、可變幀率等高級特性)(幾乎所有格式)√MotionJPEG(.mj2、.mjp2)1280×720像素，每秒

30幀Ulaw、PCM立體聲√√DivX公司（.divx）MPEG-4ASPMP3,PCM,AC-3√RealNetworks

公司（.rm、.rmvb）RealVideo8,9,10RealAudio(HE)-AAC,Vorbis,√Matroska（.mkv、.mk3d）Google（.webm）VP8、VP9及包括H.265的所有格式MP2,MP3,Vorbis,AAC,AC3,PCM等√Adobe公司Flash（.flv、.f4v）H.264/MPEG-4AVCMP3,AAC等音像文件(視頻文件)與播放器播放器(Plaper)實際上就是一種解碼器，但通常既可以解碼多種類型的信息（音頻、視頻、圖片、···），還能解碼多種不同格式的影音文件格式。PC上使用的是軟件播放器，一臺計算機可以安裝多個不同的播放器：微軟公司的“MicrosoftMediaPlayer”，蘋果公司的QuickTimePlayer和iTunes，Real公司的RealPlayer(簡稱RealOne

播放器)“全能”播放器：StormPlayer（暴風影音）、TheKMPlayer、絢彩魅影、變色龍萬能播放器（PPStream）、豪杰超級解霸，等等硬件播放器（便攜式）：MP3播放器：以播放MP3格式的音頻信息為主，也能收聽廣播、觀看文本和圖片，功能更強一些的還能播放視頻信息MP4播放器：以播放視頻為主，國外叫做PVP（個人視頻播放器）或PMP（便攜式媒體播放器），LCD屏幕較大，價格較高5.4.3數(shù)字視頻的編輯例：簡單的視頻編輯軟件

——WindowsMovieMaker由微軟公司開發(fā)，在WindowsXP平臺上運行功能：通過攝像機、數(shù)字攝像頭或其他視頻源將音頻和視頻捕獲到計算機中打開已有的音頻、視頻或靜止圖片，對音頻與視頻內(nèi)容進行編輯（包括添加片頭、使用視頻過渡或特技效果等）將制作的視頻保存到硬盤中，或刻錄在CD或DVD光盤上，供“媒體播放器”進行播放5.4.4合成視頻——

計算機動畫什么是計算機動畫？計算機動畫——使用計算機生成一系列內(nèi)容連續(xù)的畫面供實時演播的一種技術，它是一種計算機合成的數(shù)字視頻，而不是用攝像機拍攝的“自然視頻”上世紀九十年代開始，計算機動畫技術應用于電影特技，如電影“侏羅紀公園”、《玩具總動員》、《泰坦尼克》等，取得轟動效應應用領域：影視和廣告領域：電影特技、動畫片、電視廣告制作等教育和培訓領域：輔助教學、駕駛員訓練等科技領域：科學計算可視化，復雜系統(tǒng)的動態(tài)模擬軍事領域：軍事訓練、作戰(zhàn)模擬等游戲選講：

計算機動畫的制作過程計算機動畫制作包括：在計算機中建立景物的模型、描述它們的運動、生成一系列逼真的圖像三維計算機動畫制作過程分以下幾個階段：（1）描述景物的形狀與結構（建模）（2）確定景物的顏色和材質(zhì)（紋理）（3）設置燈光和確定虛擬攝像機的位置（4）描述場景中物體的運動和攝像機的移動（5）繪制一系列的圖像（6）輸出動畫結果動畫制作軟件著名的造型與動畫制作的商品化軟件:加拿大Alias公司的Poweranimator法國TDI公司的Explore荷蘭ElectroGIG公司的3DGO加拿大Vertigo公司的Vertigo美國Wavefront公司的AdvancedVisualizer美國SGI公司Alias和Wavefront

公司的MAYA美國Autodesk公司Discreet公司的3dsmax，AnimatorStudio互聯(lián)網(wǎng)動畫：GIF和FlashGIF動畫(參見5.2節(jié))：Adobe(Macromedia)公司的Flash動畫支持矢量圖形，也支持位圖圖像，文件較小；畫面大小可任意調(diào)節(jié)，支持用戶交互；既可生成自動可執(zhí)行文件(*.exe)，還可生成用Flash播放器播放的文件(*.SWF)；既可做成單獨的動畫，也可以嵌入網(wǎng)頁文件采用流式傳輸方式，可以邊下載邊進行播放5.4.5數(shù)字視頻的應用可視電話與視頻會議數(shù)字電視與IPTV視頻監(jiān)控1可視電話和視頻會議可視電話：通話雙方能互相看見的一種電話系統(tǒng)電話機具有攝像、顯示、聲音等功能，內(nèi)置高質(zhì)量CCD鏡頭及MODEM視頻會議：多人同時參與的一種音/視頻通信系統(tǒng)類似于可視電話，但多人參加通話，提供的功能也更加豐富兩種實施方式：在電信局的數(shù)字通信網(wǎng)上進行在互聯(lián)網(wǎng)上進行，例如使用下列即時通信軟件：

iPad/iPhone的FaceTime，微軟的MSNMessenger，騰迅的QQ，微信等2什么是數(shù)字電視?數(shù)字電視指的是:電視節(jié)目的制作（攝錄、編輯）、處理、傳輸、接收播放全過程的數(shù)字化，特別是將電視信號進行數(shù)字化之后以數(shù)字形式進行傳輸和接收；數(shù)字電視的3種格式：標準清晰度電視（SDTV，也表示為576i）高清晰度電視（HDTV，也表示為1080i）

超高清晰度電視（UHDTV，也稱為4K電視）節(jié)目制作信號處理廣播傳輸接收播放

1234數(shù)字電視的優(yōu)點(1)頻道利用率高 可傳輸?shù)臄?shù)字電視節(jié)目比傳輸模擬電視節(jié)目增加好幾倍(2)抗干擾能力強 同等傳輸條件下的抗干擾能力優(yōu)于模擬電視(3)圖像清晰度高 用戶接收到的圖像質(zhì)量能達到演播室水平(4)音響效果好 具有CD級音質(zhì)效果，可支持5.1環(huán)繞立體聲家庭影院(5)可開展基于TV的交互式數(shù)據(jù)業(yè)務 包括電視購物、電視銀行、電視商務、電視游戲、點播電視等業(yè)務