多媒體技術-數(shù)字視頻

1、第七章 數(shù)字視頻視頻信息的數(shù)字化視頻卡MPEG規(guī)范7.1模擬視頻和數(shù)字視頻數(shù)字視頻是指以數(shù)字化方式記錄的延續(xù)變化的圖像信息。例如VCD電影、DVD電影 模擬視頻模擬視頻是指在時間和幅度上(空間)都是延續(xù)的信號。比如：電視機、錄像機等均采用模擬視頻。 數(shù)字視頻7.2視頻數(shù)字化模擬視頻采樣方式的復雜性是空間的函數(shù)也是時間的函數(shù)隔行掃描方式模擬視頻數(shù)字化過程普通采用分量數(shù)字化方式1)先把復合視頻信號中的亮度和色度分別，得到YUV或YIQ分量2)然后用三個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對三個分量分別進展數(shù)字化3)最后再轉(zhuǎn)換成RGB空間。采樣格式根據(jù)電視信號的特征，亮度信號的帶寬是色度信號帶寬的兩倍數(shù)字化時可采用幅色采樣

2、法，即對信號的色差分量的采樣率低于對亮度分量的采樣率用Y：U：V來表示YUV三分量的采樣比例，那么數(shù)字視頻的采樣格式分別有4：1：1、4：2：2和4：4：4三種。分量采樣時采到的是隔行樣本點，要把隔行樣本組合成逐行樣本，然后進展樣本點的量化，YUV到RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換等等，最后才干得到數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。數(shù)字視頻規(guī)范CCIR 601規(guī)范廣播級質(zhì)量的數(shù)字電視編碼規(guī)范目的：在PAL、NTSC和 SECAM電視制式之間確定共同的數(shù)字化參數(shù)該規(guī)范對采樣頻率、采樣構造、顏色空間轉(zhuǎn)換等都作了嚴厲的規(guī)定。2、分辨率與幀率1、采樣頻率為f s13.5MHz3、不同的采樣格式下的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量：在視頻信息的處置及運

3、用過程中緊縮和解緊縮技術非常必要。視頻緊縮包括對視頻信息本身的緊縮以及伴隨在視頻信息中的音頻信息的緊縮。 目前的規(guī)范：MPEG I、 MPEG II、MPEG 47.3 視頻文件的緊縮7.4 視頻卡及其分類基于PC機的一種多媒體視頻信號處置平臺可以聚集的信息源有：視頻源音頻源激光視盤機錄像機攝像機視頻卡任務過程：信 源數(shù)字化硬件壓 縮存 儲傳 輸解緊縮作用將視頻信號延續(xù)轉(zhuǎn)換成計算機存儲的數(shù)字視頻信號，保管在計算機中或顯示在屏幕上。視頻采集卡視頻信號采集模塊音頻信號采集模塊總線接口模塊將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，并送到計算機中音頻信息采集過程中完成對聲音的預處置和模數(shù)轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)對視頻、音頻

4、信息采集的控制，并將采樣、量化后的數(shù)字信息存儲到計算機內(nèi)部視 頻 采 集 卡圖形加速卡對二維或三維圖形數(shù)據(jù)進展硬件加速處置視頻解壓卡用于視頻重放，可以非?？焖俚貙⒕o縮保管的數(shù)字視頻信號解緊縮并在顯示器上播放出來。電視卡電視轉(zhuǎn)換卡將規(guī)范的電視信號(NTSC、PAL等)轉(zhuǎn)換成VGA信號在計算機顯示。 將計算機VGA信號轉(zhuǎn)換成規(guī)范電視信號在電視上播放或進展錄像。TV編碼器即使是運動的部分，也多為簡單的平移。7.5 視頻的緊縮MPEG規(guī)范幀與幀之間的時間相關性：動態(tài)圖像以每秒24或25幀播放，在如此短的時間內(nèi)，畫面常不會有大的變化。在畫面中變化的只是運動的部分，靜止的部分往往占有較大的面積。動態(tài)圖像緊

5、縮的根本思緒用差別幀替代原來的幀，以提示幀間的相關性，這是動態(tài)圖像緊縮的根本出發(fā)點。幀與幀之間存在相關性，因此可以將相鄰的畫面相減。例如將第1幀記作A，第2幀記作B，定義B=B-A。兩幀相減是將后一幀畫面B中的每一個點的像素值減去前一幀畫面A中相應點的像素值，其結果稱為差別幀。由于差別幀的緊縮是有損的。上述方式在緊縮和解緊縮時將發(fā)生誤差的積累，積累到一定程度，會呵斥很大的失真。差別幀也帶來了新的問題假設只保管第1幀，其他幀采用差別幀。那么后面的每一幀都需求從前一幀計算出來，恢復時也必需一幀幀順序進展。這樣就無法從想跳到的某一點進展播放，很不方便。一旦某一幀數(shù)據(jù)出了問題，后面的幀更無法恢復。關于

6、后兩點，可以采取運動補償?shù)姆椒右蕴幚?。?jīng)過計算兩個畫面中運動對象的運動矢量，跟蹤畫面中的運動部分進展預測，并經(jīng)過畫面挪動去“迎合后續(xù)幀的方式來產(chǎn)生差別幀的方法，叫做“運動補償。圖像整體運動也是動態(tài)圖像經(jīng)常采用的表現(xiàn)手法，假設干次簡單的相減，差別幀就不能很好地提示相鄰幀之間的相關性，也不能夠得到高的緊縮比。差別幀只能提示活動圖像中靜止部分的相關性。對差別幀比對原來的幀更難緊縮。MPEG規(guī)范Motion Picture Experts GroupMPEG-IMPEG-IIMPEG-IVMPEG-VIIMPEG-21MPEG -規(guī)范ISO/IEC11172-的目的傳輸速率1.5Mbps視頻信號電視

7、質(zhì)量亮度信號的分辨率360240色度信號的分辨率180120每秒30幀MPEG-規(guī)范的內(nèi)容MPEG系統(tǒng)ISO/IEC11172-1MPEG視頻ISO/IEC11172-2MPEG音頻ISO/IEC11172-3測實驗證ISO/IEC11172-4MPEG涉及的問題是視頻緊縮、音頻緊縮及多種緊縮數(shù)據(jù)流的復合和同步問題。 MPEG對視頻和音頻緊縮的方法、緊縮后數(shù)據(jù)的儲存和傳輸?shù)母袷降确矫婢髁嗽敿毜囊?guī)定。例如：在視頻緊縮方面，采用運動補償來減少幀序列間的時間冗余信息；用離散余弦變換(DCT)技術來減少幀序列間的空間冗余信息；為處理高緊縮比和隨機播放的要求，還采用了預測和插補等幀間技術。 時間冗余量

8、的減少為了減少時間冗余量，MPEG將1/30秒時間間隔的幀序列電視圖像，以三種類型的圖像格式表示：內(nèi)碼幀I預測幀P插補幀B另有第四種類型幀是D幀，它是一種公用幀格式，僅僅用于實現(xiàn)快速查詢中。I幀，又稱內(nèi)碼幀，是完好的獨立編碼的圖像，是不能由其他幀構造的幀，必需存儲或傳輸。 P幀，也稱為預測幀，經(jīng)過對它之前的I幀進展預測，對預測誤差作有條件的存儲和傳輸。B幀，又稱為雙向幀或插補幀，是根據(jù)其前后的I幀或者P幀的信息進展插值編碼而獲得。該過程有時也稱為雙向插值。運動補償運動補償預測法運動補償插補法畫面上的運動部分在幀與幀之間必然有延續(xù)性，預測法根據(jù)這一特性，將當前的圖像畫面看作是前面某時辰圖像的位移

9、，位移的幅度和方向在圖像畫面的各處可有不同。用插補的方法進展運動的補償，可以大幅度地緊縮運動圖像的信息。MPEG的位流分層構造有效性是MPEG緊縮算法需求對附加信息，如位移域、量化器步長、預測器或插值類型等，提供有效的管理。 MPEG視頻圖像數(shù)據(jù)流是一個分層構造。目的是把位流中邏輯上獨立的實體分開，防止語意模糊，并減輕解碼過程的負擔。對分層的要求是支持通用性、靈敏性和有效性。通用性的含義是使MPEG規(guī)范的語法規(guī)定可滿足不同的運用要求；靈敏性可經(jīng)過視頻序列頭上所定義的許多參數(shù)來闡明；MPEG視頻位流分層構造共包括6層：圖像序列層圖像組層圖像層宏塊片層宏塊層塊層隨機存取單元：上下文隨機存取單元：視

10、頻編碼根本編碼單元重同步單元運動補償單元DCT單元每一個層的開場有一個頭，作為闡明參數(shù)。在圖像序列層的頭中，裝有視頻序列參數(shù)，如圖像寬度、圖像高度、像素長寬比、楨率、位率、緩沖區(qū)尺寸等。 每一層支持一個確定的函數(shù)，或是一個信號處置函數(shù)DCT，運動補償，或是一個邏輯函數(shù)同步，隨機存取點等。MPEG-II系統(tǒng)支持的根本功能：解碼時多緊縮流的同步；將多個緊縮流交錯成單個的數(shù)據(jù)流；解碼時緩沖器初始化；緩沖區(qū)管理和時間識別。 MPEG-II規(guī)范包括MPEG系統(tǒng)、MPEG視頻、MPEG音頻和一致性四大部分內(nèi)容。MPEG-II規(guī)范的系統(tǒng)功能是將一個或更多的音頻、視頻或其他的根本數(shù)據(jù)流合成單個或多個數(shù)據(jù)流，以

11、順應于存儲和傳送。MPEG-視頻視頻分量的位速率范圍大約為2到15Mbps與MPEG-視頻體系向下兼容力求滿足數(shù)字存儲媒體、可視、數(shù)字電視、高明晰度電視HDTV、通訊網(wǎng)絡等領域的運用。分辨率低 352288中 720480次高14401080高 19201080高速緊縮基于內(nèi)容交互基于內(nèi)容分級擴展具有基于內(nèi)容方式表示的視頻數(shù)據(jù)MPEG-IV規(guī)范MPEG-是以內(nèi)容為中心的描畫方法，對信息元的描畫更加符合人的心思，不僅可以獲得比現(xiàn)有規(guī)范更為優(yōu)越的性能，還提供了各種新的功能。特點復合。將各個VO的碼流復合成一個符合MPEG-4規(guī)范的位流。基于內(nèi)容的視頻編碼過程VO的構成。先從原始視頻流中分割出VO。

12、編碼。對各VO分別獨立編碼，即對不同VO的運動信息、外形信息和紋理信息這三類信息分別編碼，分配不同的碼字。在編碼和復合階段可以參與用戶的交互控制或由智能化算法進展控制。7.6視頻文件格式一種MPEG多媒體格式用于緊縮和儲存音頻和視頻分辨率為 352 x 240 象素幀速率為每秒 25 幀(PAL)可提供與錄像帶同等質(zhì)量的視頻。MPEG1MPEG2一種MPEG多媒體格式用于緊縮、儲存音頻及視頻供廣播質(zhì)量的運用程序運用定義了支持添加封鎖式字幕和各種言語通道功能的協(xié)議。AVIAudio/Video Interleave音頻/視頻交錯,在AVI文件中，運動圖像和伴音數(shù)據(jù)是以交錯的方式存儲，并獨立于硬件

13、設備。讀取視頻數(shù)據(jù)流時能更有效地從存儲媒介得到延續(xù)的信息。一種用于 Windows 系統(tǒng)的 Microsoft 多媒體視頻格式。AVI格式主要參數(shù)視頻參數(shù)視窗尺寸(Video size)幀率(Frames per second)音頻參數(shù)WAV文件參數(shù)視頻與伴音的交錯參數(shù)同步控制Synchronization緊縮參數(shù)AVI格式的特點提供無硬件視頻回放功能實現(xiàn)同步控制和實時播放可以高效地播放存儲在硬盤和光盤上的AVI文件提供了開放的AVI數(shù)字視頻文件構造：AVI文件可以再編輯AVI的緊縮算法沒有一致規(guī)范Microsoft公司推出AVI文件格式時，同時推出了一種緊縮算法由于AVI的開放性，其它公司的

14、緊縮算法也可參與其中。實現(xiàn)方法 把該算法的驅(qū)動參與到Windows系統(tǒng)中DIVXMPEG4運用 MPEG4 緊縮算法可以實現(xiàn)高緊縮比。文件擴展名AVIDVDCD-ROMCD-ROM對計算機配置的要求CPU 主頻300MHz 以上64 兆的內(nèi)存8兆顯存的顯卡播放軟件Windows Media PlayerMPEG4 編碼器DIVX 5.0.5IDVX字幕支持軟件VobSubMOVMovie digital video technologyApple公司推出的一種視頻格式相應的視頻運用軟件為QuickTime?？梢圆捎貌痪o縮或緊縮的方式緊縮算法包括Cinepak、Intel Indeo Video R3.2 和Video編碼。Real VideoReal Networks公司流媒體(Streaming Video)文件格式文件擴展名RA、RAM、RMVBReal Networks 編碼RealProducerRealProducer Plus/Pro加強功能，需付費購買根本功能，可免費下載在用 56K MODEM 撥號上網(wǎng)的條件下實現(xiàn)不延續(xù)的視頻播放ASFAdvanced Streaming Format采用 MPEG4 的緊縮算法一種流媒體格式網(wǎng)絡運用的ASF圖象質(zhì)量比 V