《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課件第5章5.4 數(shù)字視頻及應(yīng)用

5.4數(shù)字視頻及應(yīng)用5.4.1數(shù)字視頻基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)動(dòng)畫5.4.5數(shù)字視頻的應(yīng)用5.4.1數(shù)字視頻基礎(chǔ)

視頻(video)：泛指內(nèi)容隨時(shí)間變化的一個(gè)圖象序列，又叫運(yùn)動(dòng)圖象或活動(dòng)圖象(motionpicture)常見視頻：電視，電影，動(dòng)畫等.視頻的特點(diǎn)：內(nèi)容隨時(shí)間而變化,伴隨有與畫面動(dòng)作同步的聲音(伴音),人類接受的信息70%來自視覺,其中活動(dòng)圖象是信息量最豐富、直觀、生動(dòng)、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(shù)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(gè)像素的二進(jìn)位數(shù)目（單位：bit）例：持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)的一段數(shù)字視頻，假設(shè)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(shí)）具有下列性質(zhì)：? 每幀的像素?cái)?shù)目=720×576=414,720像素? 每幀的二進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)清晰度電視可以展現(xiàn)更多的影像細(xì)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(dá)3840×2160甚至更高，是HDTV的4倍以上近幾年4K電視機(jī)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(jī)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(fù)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(shè)備：

視頻采集卡（簡稱視頻卡）數(shù)字?jǐn)z像頭，通過光學(xué)鏡頭和CCD或CMOS采集動(dòng)態(tài)圖像，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入PC機(jī)脫機(jī)獲取設(shè)備：數(shù)碼攝像機(jī)數(shù)字?jǐn)z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(dá)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(jī)提供480線以上的分辨率，清晰度高自動(dòng)對焦，自動(dòng)曝光

使用MPEG-2進(jìn)行壓縮編碼，然后記錄在存儲(chǔ)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(shí)其數(shù)據(jù)量可超過1GB，對存儲(chǔ)、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(gè)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)公司標(biāo)準(zhǔn)：早期：Intel公司的IndeoVideo，蘋果公司的Cinepak當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)名

稱圖像格式壓縮后的碼率主要應(yīng)用MPEG-1360×288大約1.2Mb/s~1.5Mb/s適用于VCD、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等H.261360×288或180×144Px64kb/s(P=1、2時(shí)，只支持180×144格式，P≥6時(shí)，可支持360×288格式)應(yīng)用于視頻通信，如可視電話、會(huì)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(lǐng)域MPEG-4ASP分辨率較低的視頻格式與MPEG-1，MPEG-2相當(dāng)，但最低可達(dá)到64kb/s在低分辨率低碼率領(lǐng)域應(yīng)用，如監(jiān)控、IPTV、手機(jī)、MP4播放器等MPEG-4AVC多種不同的視頻格式采用多種新技術(shù)，編碼效率比MPEG-4ASP顯著減少已在多種領(lǐng)域應(yīng)用，如HDTV、藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)MPEG-4分成23個(gè)部分，其中part2和part10是視頻編碼為了適應(yīng)不同應(yīng)用對視頻圖像大小和質(zhì)量的不同要求，每種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都分成若干level和profile：MPEG-4Part2分成21個(gè)profile，ASP（AdvancedSimpleProfile）是其中之一，其技術(shù)特點(diǎn)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(fù)雜度中等MPEG-4Part10又稱為MPEG-4AVC(AdvancedVideoCoding).它是目前技術(shù)最先進(jìn)的視頻編碼案，分成7個(gè)profile，可用于HDTV背景材料：

編碼標(biāo)準(zhǔn)與編/解碼器(Codec)編碼標(biāo)準(zhǔn)的具體實(shí)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(biāo)準(zhǔn)可以有許多不同的Codec產(chǎn)品，例如實(shí)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(jìn)行編/解碼，在網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用、MP4播放器和Xbox360、SonyPlayStation3游戲機(jī)中得到了較好應(yīng)用Xvid(自由軟件)，功能與DivX相當(dāng)，某些性能甚至還更好一些VideoCodec有很多種，它們實(shí)現(xiàn)的編碼標(biāo)準(zhǔn)不同，性能和技術(shù)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(jìn)行存儲(chǔ)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(kuò)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(xiàng)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(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)可以安裝多個(gè)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(fēng)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(qiáng)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(gè)人視頻播放器）或PMP（便攜式媒體播放器），LCD屏幕較大，價(jià)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(tái)上運(yùn)行功能：通過攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像頭或其他視頻源將音頻和視頻捕獲到計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jìn)行播放5.4.4合成視頻——

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫什么是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫？計(jì)算機(jī)動(dòng)畫——使用計(jì)算機(jī)生成一系列內(nèi)容連續(xù)的畫面供實(shí)時(shí)演播的一種技術(shù)，它是一種計(jì)算機(jī)合成的數(shù)字視頻，而不是用攝像機(jī)拍攝的“自然視頻”上世紀(jì)九十年代開始，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用于電影特技，如電影“侏羅紀(jì)公園”、《玩具總動(dòng)員》、《泰坦尼克》等，取得轟動(dòng)效應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域：影視和廣告領(lǐng)域：電影特技、動(dòng)畫片、電視廣告制作等教育和培訓(xùn)領(lǐng)域：輔助教學(xué)、駕駛員訓(xùn)練等科技領(lǐng)域：科學(xué)計(jì)算可視化，復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬軍事領(lǐng)域：軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)模擬等游戲選講：

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的制作過程計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作包括：在計(jì)算機(jī)中建立景物的模型、描述它們的運(yùn)動(dòng)、生成一系列逼真的圖像三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作過程分以下幾個(gè)階段：（1）描述景物的形狀與結(jié)構(gòu)（建模）（2）確定景物的顏色和材質(zhì)（紋理）（3）設(shè)置燈光和確定虛擬攝像機(jī)的位置（4）描述場景中物體的運(yùn)動(dòng)和攝像機(jī)的移動(dòng)（5）繪制一系列的圖像（6）輸出動(dòng)畫結(jié)果動(dòng)畫制作軟件著名的造型與動(dòng)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(dòng)畫：GIF和FlashGIF動(dòng)畫(參見5.2節(jié))：Adobe(Macromedia)公司的Flash動(dòng)畫支持矢量圖形，也支持位圖圖像，文件較??；畫面大小可任意調(diào)節(jié)，支持用戶交互；既可生成自動(dòng)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(dú)的動(dòng)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(jìn)行播放5.4.5數(shù)字視頻的應(yīng)用可視電話與視頻會(huì)議數(shù)字電視與IPTV視頻監(jiān)控1可視電話和視頻會(huì)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(jī)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(huì)議：多人同時(shí)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(shí)施方式：在電信局的數(shù)字通信網(wǎng)上進(jìn)行在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行，例如使用下列即時(shí)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(jìn)行數(shù)字化之后以數(shù)字形式進(jìn)行傳輸和接收；數(shù)字電視的3種格式：標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)(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(qiáng) 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(dá)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(wù) 包括電視購物、電視銀行、電視商務(wù)、電視游戲、點(diǎn)播電視等業(yè)務(wù)