《計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論》第8章 多媒體技術(shù)基礎(chǔ)

1、第8章 多媒體技術(shù)基礎(chǔ)本章導(dǎo)讀： 本章主要介紹有關(guān)多媒體技術(shù)的基本概念，多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件組成，多媒體關(guān)鍵技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，并介紹了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、音頻處理技術(shù)和視頻處理技術(shù)，最后介紹了圖形、圖像、動(dòng)畫的制作技術(shù)。 本章主要知識(shí)點(diǎn)： 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和多媒體關(guān)鍵技術(shù) 音頻、視頻處理技術(shù) 圖形和圖像的處理技術(shù) 動(dòng)畫制作技術(shù) 第8章 多媒體技術(shù)基礎(chǔ)8.1 概述 8.2 媒體信息處理技術(shù)8.3 媒體制作軟件8.1 概述返回本章目錄8.1.1 基本概念8.1.2 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8.1.3 多媒體關(guān)鍵技術(shù)8.1.1 基本概念1媒體 人與人之間進(jìn)行信息溝通和交流的中介物稱之為“媒體”。一般有兩

2、種含義：一是指交流、傳播信息的載體；二是指存儲(chǔ)信息的實(shí)體。 媒體大體上可以分成5類： （1）感覺媒體 （2）表示媒體 （3）表現(xiàn)媒體 （4）存儲(chǔ)媒體 （5）傳輸媒體 各種媒體之間的關(guān)系如下圖所示。 表現(xiàn)媒體（輸入）存儲(chǔ)媒體感覺媒體表示媒體表現(xiàn)媒體（輸出）感覺媒體表示媒體8.1.1 基本概念返回本節(jié)目錄2多媒體 人們將文本、數(shù)字、音頻、視頻、圖形、圖像、動(dòng)畫所構(gòu)成的復(fù)合體統(tǒng)稱為“多媒體”。特點(diǎn)如下： （1）數(shù)據(jù)量大 （2）數(shù)據(jù)類型多 （3）數(shù)據(jù)類型之間的差別大 （4）多媒體數(shù)據(jù)的輸入輸出復(fù)雜 3多媒體技術(shù) 多媒體技術(shù)是指計(jì)算機(jī)綜合處理文本、圖形、圖像、聲音、視頻等多種媒體信息，使它們建立一種邏輯

3、連接，并集成為一個(gè)交互性系統(tǒng)的技術(shù)。多媒體技術(shù)具有以下四個(gè)特性： （1）多樣性 （2）集成性 （3）交互性 （4）實(shí)時(shí)性8.1.2 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 返回本節(jié)目錄 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是指具有多媒體信息處理能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由多媒體硬件系統(tǒng)和多媒體軟件系統(tǒng)組成，其層次結(jié)構(gòu)如下圖所示。8.1.2 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1多媒體計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) （1）主機(jī) （2）多媒體接口卡 （3）多媒體外部設(shè)備。2多媒體計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) （1）多媒體系統(tǒng)軟件： 多媒體驅(qū)動(dòng)軟件 驅(qū)動(dòng)器接口程序 多媒體操作系統(tǒng) 媒體素材制作軟件及多媒體庫函數(shù) 多媒體創(chuàng)作工具和開發(fā)環(huán)境 （2）多媒體應(yīng)用軟件 8.1.3 多媒體關(guān)鍵技術(shù) 返回

4、本節(jié)目錄 1多媒體數(shù)據(jù)壓縮/解壓縮技術(shù) 多媒體信息數(shù)據(jù)量非常大，要想實(shí)時(shí)處理非常困難。因此，壓縮/解壓縮技術(shù)是多媒體技術(shù)的重要研究課題。2多媒體軟件平臺(tái)技術(shù) 主要涉及多媒體操作系統(tǒng)、多媒體創(chuàng)作工具等。3多媒體輸入/輸出技術(shù) 媒體輸入/輸出技術(shù)包括媒體變換技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、媒體理解技術(shù)和綜合技術(shù)。4多媒體系統(tǒng)軟件技術(shù) 主要包括多媒體操作系統(tǒng)，多媒體編輯系統(tǒng)、多媒體數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。8.2 媒體信息處理技術(shù) 8.2.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)8.2.2 音頻處理技術(shù)8.2.3 視頻處理技術(shù)8.2.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)必須滿足三項(xiàng)要求：一是壓縮比大；二是實(shí)現(xiàn)壓縮的算法簡單，壓縮/解壓縮速度快；三是數(shù)據(jù)經(jīng)解

5、壓縮后恢復(fù)質(zhì)量要好，要盡可能地接近原始數(shù)據(jù)。1概述 數(shù)據(jù)壓縮是一種數(shù)據(jù)處理方法，它的作用是將一個(gè)文件的數(shù)據(jù)容量減少，同時(shí)又基本保持原有文件的信息內(nèi)容。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是減少信息存儲(chǔ)的空間，縮短信息傳輸?shù)臅r(shí)間。當(dāng)需要使用這些信息時(shí)，則需要通過解壓縮將信息還原回來。8.2.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)2數(shù)據(jù)冗余的基本概念及種類 人們研究發(fā)現(xiàn)，多媒體數(shù)據(jù)中存在大量的冗余。數(shù)據(jù)壓縮就是研究如何利用原始信息中存在的大量冗余信息來減少數(shù)據(jù)量的方法，這些冗余信息具有相關(guān)性是數(shù)據(jù)可以壓縮的重要原因。 利用信息相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，可以不損失原有信息的內(nèi)容，因此可實(shí)現(xiàn)“無損壓縮”或稱“冗余壓縮法”。這是一種可逆壓縮。經(jīng)壓縮后

6、不能將原有信息完全保留的壓縮方式稱“有損壓縮”或稱“熵壓縮法”，它是一種不可逆壓縮。 數(shù)據(jù)冗余可以分為以下幾種： （1）空間冗余 （2）時(shí)間冗余 （3）視覺冗余。3壓縮算法舉例（游程編碼法）8.2.2 音頻處理技術(shù) 1音頻信息 在多媒體技術(shù)中，人們通常將聲音媒體分為三類： （1）波形聲音 （2）語音 （3）音樂2音頻文件的基本格式 （1）WAV文件 （2）MIDI文件 3數(shù)字化音頻信號(hào) 表示聲音的模擬信號(hào)是時(shí)間和幅度上連續(xù)的物理量，不能由計(jì)算機(jī)直接處理，必須將其數(shù)字化，即在時(shí)間和幅度上將連續(xù)變化的聲音信號(hào)離散化。 數(shù)字化聲音信號(hào)首先應(yīng)對(duì)聲音波形采樣，然后將采樣結(jié)果進(jìn)行量化，變換成計(jì)算機(jī)可以表示

7、的數(shù)值。 數(shù)字化音頻信號(hào)質(zhì)量的好壞主要取決于采樣頻率、量化精度和聲道數(shù)等因素。 8.2.2 音頻處理技術(shù)返回本節(jié)目錄4音頻信號(hào)的獲取 常見的聲音信息的獲取方式有：通過聲音數(shù)字化接口的錄音設(shè)備將聲音直接或轉(zhuǎn)錄到計(jì)算機(jī)中。實(shí)際上，這個(gè)方法就是將模擬聲音信號(hào)經(jīng)過采樣、量化進(jìn)行數(shù)字化的過程。另外一種方式是購買聲音素材庫，這是已經(jīng)數(shù)字化好的數(shù)字聲音信息，通常質(zhì)量比較高。 演示：錄音機(jī)錄制聲音信號(hào)5音頻編輯與特效處理軟件錄音機(jī) 對(duì)于數(shù)字化后的波形聲音文件，可以使用聲音處理實(shí)用軟件工具對(duì)其進(jìn)行剪切、連接、混合、音調(diào)升降處理，并可以為其增加回音、頻率過濾、邊緣效果等特殊效果。 演示：音頻編輯與特效處理8.2.

8、3 視頻處理技術(shù) 返回本節(jié)目錄1視頻信息 任何動(dòng)態(tài)圖像都是由多幅連續(xù)的圖像序列構(gòu)成。每一幅圖像沿著時(shí)間軸保持一個(gè)t時(shí)間，以較快的速度順序更換為另一幅圖像，連續(xù)不斷地顯示，就形成了動(dòng)態(tài)圖像。 當(dāng)每一幀圖像是人工或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的時(shí)候，被稱為“動(dòng)畫”；當(dāng)每一幀圖像是通過實(shí)時(shí)獲取的自然景物時(shí)，被稱為“視頻”。它具有以下特點(diǎn)： 具有時(shí)間連續(xù)性 數(shù)據(jù)量更大 幀與幀之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性 對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成更換畫面播放的過程。 視頻有模擬和數(shù)字兩種形式。 返回本章目錄8.2.3 視頻處理技術(shù)2視頻文件的基本格式 （1）AVI格式 ：是一種將視頻信息與同步音頻信號(hào)結(jié)合在一起存儲(chǔ)的多媒體文件格式

9、，以幀為存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)視頻的基本單位。在每一幀中，都是先存儲(chǔ)音頻數(shù)據(jù)，再存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)?？傮w看來，音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)相互交叉存儲(chǔ)。 （2）MOV格式：是Quick Time視頻處理軟件所選用的視頻格式。 （3）MPG格式 ：是采用MPEG方法進(jìn)行壓縮的全運(yùn)動(dòng)視頻圖像文件格式。 3視頻信息的獲取 獲取數(shù)字視頻信息主要有兩種方式：一種是將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化；另一種是利用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝實(shí)際景物，從而直接獲得無失真的數(shù)字視頻。 8.2.3 視頻處理技術(shù)返回本節(jié)目錄4視頻編輯與特效處理軟件Adobe Premiere Adobe Premiere是Adobe公司推出的一種專業(yè)化數(shù)字視頻處理軟件。它可以配合多種硬

10、件設(shè)備進(jìn)行視頻捕獲和輸出，并提供各種精確的視頻編輯工具，能生產(chǎn)廣播級(jí)質(zhì)量的視頻文件。因此，它可以為多媒體應(yīng)用系統(tǒng)增添高水平的創(chuàng)意。 Adobe Premiere的基本功能包括： 可以實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)，采集精度取決于視頻卡和計(jì)算機(jī) 將多種媒體數(shù)據(jù)綜合處理為一個(gè)視頻文件 具有多種動(dòng)態(tài)視頻圖像的特技處理功能 可以配音或疊加文字和圖像Premiere應(yīng)用程序界面 8.2.3 視頻處理技術(shù)8.3 媒體制作軟件 8.3.1 圖形圖像的制作與處理 8.3.2 動(dòng)畫的制作 8.3.1 圖形圖像的制作與處理1圖形和圖像 圖形是利用繪圖軟件繪制出來的，由有點(diǎn)、直線、圓、橢圓等基本圖元組成。圖形使用矢量格式，即圖形

11、文件中記錄的是繪制圖形中圖元的一條條命令，所以文件很小。 圖像是由像素點(diǎn)陣組成的畫面，它一般是通過掃描儀或數(shù)字相機(jī)輸入的，也可以是通過圖像處理軟件在計(jì)算機(jī)上制作的，又稱為“位圖圖像”。 圖像能夠逼真地表現(xiàn)自然景色，適于表現(xiàn)真實(shí)場景，但在放大或縮小時(shí)會(huì)造成失真，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒狀，導(dǎo)致圖像邊緣出現(xiàn)鋸齒狀。而圖形是由數(shù)學(xué)算法計(jì)算出來的，包含了很多的圖元，因此在進(jìn)行縮放或旋轉(zhuǎn)操作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生失真，但不適于表現(xiàn)真實(shí)感很強(qiáng)的畫面。 8.3.1 圖形圖像的制作與處理2圖形圖像文件的基本格式 （1）PCX格式 （2）BMP格式 （3）TIF格式 （4）TGA格式 （5）GIF格式 （6）JPG格式 （7）

12、PNG格式 3圖形圖像的獲取 （1）圖形的獲?。?利用軟件繪制圖形 利用數(shù)字化儀繪制圖形 利用光筆繪制圖形 （2）圖像的獲?。嚎梢岳脠D像采集設(shè)備（如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等）將其輸入到計(jì)算機(jī)中。 8.3.1 圖形圖像的制作與處理4圖像的加工處理 （1）圖像幾何運(yùn)算：包括圖像的縮放、剪貼、平移、旋轉(zhuǎn)和變形等操作。 （2）圖像增強(qiáng)：指增強(qiáng)圖像中有用的信息，減少噪音。 （3）圖像復(fù)原和重建：就是對(duì)退化或劣化的圖像進(jìn)行校正處理、濾去退化痕跡、恢復(fù)圖像的本來面目。 （4）圖像分割和特征提?。菏菍D像分割成不同的部分或區(qū)域的過程，然后檢測和提取圖像的特征。 （5）圖像編碼和壓縮：對(duì)圖像進(jìn)行壓縮。8.3.1 圖

13、形圖像的制作與處理5圖像處理軟件Photoshop Photoshop的主要功能如下： （1）支持多種文件格式 （2）強(qiáng)大的繪圖功能 （3）靈活的選取功能 （4）方便的調(diào)整 （5）支持多種色彩模式 （6）變形功能 （7）豐富的濾鏡功能 （8）提供圖層和通道功能 8.3.1 圖形圖像的制作與處理Photoshop 7.0中文版的應(yīng)用程序界面 8.3.2 動(dòng)畫的制作 1動(dòng)畫 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫按生成的方式可以分為逐幀動(dòng)畫、關(guān)鍵幀動(dòng)畫、算法動(dòng)畫和實(shí)時(shí)動(dòng)畫等。 （1）逐幀動(dòng)畫：是在計(jì)算機(jī)上先繪出關(guān)鍵幀，再根據(jù)關(guān)鍵幀繪制中間幀。 （2）關(guān)鍵幀動(dòng)畫：與逐幀動(dòng)畫的區(qū)別在于關(guān)鍵幀創(chuàng)作出來后，中間幀不再需要人來“畫”，

14、而是由計(jì)算機(jī)根據(jù)對(duì)兩個(gè)相鄰關(guān)鍵幀之間的差別分析 “計(jì)算”出來的。又分為兩種 形狀插值動(dòng)畫 參數(shù)關(guān)鍵幀動(dòng)畫。 （3）算法動(dòng)畫：是根據(jù)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算來確定對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，故這種方法又叫做“建模動(dòng)畫”。 （4）實(shí)時(shí)動(dòng)畫：是計(jì)算機(jī)一邊計(jì)算邊顯示來產(chǎn)生動(dòng)畫。8.3.2 動(dòng)畫的制作2二維動(dòng)畫 二維動(dòng)畫由一系列關(guān)鍵幀和中間幀組成，每一幀都是一幅平面圖形圖像。制作二維動(dòng)畫要建立相當(dāng)數(shù)量的幀畫面，并對(duì)每一幀畫面的動(dòng)畫角色進(jìn)行設(shè)置，確定每個(gè)角色的位置和角色之間的相互關(guān)系，建立他們的運(yùn)動(dòng)軌跡和角色圖形圖像變化的規(guī)律，建立動(dòng)畫背景和背景變化規(guī)律，配上聲音解說和背景音樂，最后生成動(dòng)畫并形成

15、可以播放的文件格式。 優(yōu)點(diǎn)：使用計(jì)算機(jī)描線上色，工作方便，操作簡單，顏色一致，界線非常準(zhǔn)確，不需晾干，不會(huì)竄色，改色方便，價(jià)格便宜，發(fā)現(xiàn)問題隨即就能在計(jì)算機(jī)上修改，既方便又節(jié)省時(shí)間。 缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)只能代替手工動(dòng)畫中重復(fù)性強(qiáng)、勞動(dòng)量大的那部分工作，代替不了人的創(chuàng)造性勞動(dòng)。 8.3.2 動(dòng)畫的制作3三維動(dòng)畫 實(shí)際上是使用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)生活中的三維空間物體，在計(jì)算機(jī)中建立三維幾何形體，然后賦予其表面材質(zhì)（材料、顏色、紋理圖形），設(shè)計(jì)幾何形體的運(yùn)動(dòng)和變形，設(shè)置照射該空間的燈光類別、強(qiáng)度、位置和變化，并安排攝像機(jī)的位置、焦距和攝像機(jī)移動(dòng)的路徑，然后使這些設(shè)置按照時(shí)間的變化連續(xù)地動(dòng)起來，再輸出生成可供播放

16、的各種類型的動(dòng)畫文件，提供給用戶使用。 三維動(dòng)畫與二維動(dòng)畫的最主要區(qū)別在于圖形中是否完全提供了深度信息。8.3.2 動(dòng)畫的制作4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件組成的用于動(dòng)畫制作的系統(tǒng)。它是在交互式計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)上配備相應(yīng)的動(dòng)畫設(shè)備和動(dòng)畫軟件形成的。 硬件：主機(jī)是動(dòng)畫系統(tǒng)中最重要的部件，目前用作動(dòng)畫系統(tǒng)的主機(jī)有工作站和微機(jī)兩種；彩色圖形顯示器也是很重要的設(shè)備，它的性能如何，直接影響計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng)的好壞；輸入/輸出設(shè)備。 軟件：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類，系統(tǒng)軟件是隨主機(jī)一起配置的，一般包括操作系統(tǒng)、高級(jí)語言、使用環(huán)境、開發(fā)工具、網(wǎng)絡(luò)通信軟件等。應(yīng)用軟件主要指計(jì)算機(jī)繪畫、二維動(dòng)畫

17、、三維動(dòng)畫、畫面合成等軟件。 8.3.2 動(dòng)畫的制作5二維動(dòng)畫制作軟件Flash Flash是集向量繪圖、動(dòng)畫制作和交互式設(shè)計(jì)三大功能于一身的的二維動(dòng)畫制作軟件。特點(diǎn)如下： （1）是一種基于矢量的圖形系統(tǒng)，動(dòng)畫設(shè)計(jì)人員只需用少量的向量數(shù)據(jù)就可以描述一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的對(duì)象，因此非常適合在網(wǎng)絡(luò)上使用?？梢宰龅秸嬲臒o級(jí)放大。 （2）采用插件工作方式。 （3）非常有用的增強(qiáng)功能。如支持聲音、位圖圖像、漸變色、Alpha透明等。 （4）采用了信息流的數(shù)據(jù)傳送方式，滿足了實(shí)時(shí)播放的要求。 Flash的文件格式可以分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)格式包括：GIF、JPEG、BMP、WMF、PMG等。動(dòng)態(tài)格式包括：Shockwave Flash F1ash（SWF）、QuickTime、AVI等。 8.3.2 動(dòng)畫的制作Flash MX的應(yīng)用程序界面 8