数字视频基础

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1、数字视频基础数字视频的采样格式及数字化标准模拟视频的数字化包括不少技术问题,如电视信号具冇不同的制式而H•采川复合的YUV信号方式,而计算机工作在RGB空间;电视机是隔行扫描,计算机显示器大多逐行扫描;电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因此,模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。模拟视频一般采用分量数字化方式,先把复合视频信号屮的亮度和色度分离,得到YUV或YTQ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。一、数字视频的采样格式根据电视信号的特征,亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因

2、此其数字化吋可采用幅色釆样法,即对信号的色差分最的采样率低于对亮度分量的釆样率。用Y:U:V來表示YUV三分量的采样比例,则数字视频的采样格式分别有4:1:1、4:2:2和4:4:4三种o电视图像既是空间的函数,也是时间的函数,而R又是隔行扫描式,所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式耍复朵得多。分量采样时采到的是隔行样本点,要把隔行样本组合成逐行样木,然后进行样本点的量化,YUV到RGB色彩空间的转换等等,最后才能得到数字视频数据。二、数字视频标准为了在PAL、NTSC和SECAM电视制式之间确定共同的数字化参数,国家无线电咨询委员会(CCIR)制定了广播级质虽的数

3、字电视编码标准,称为CCIR601标准。在该标准屮,对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定,主要冇:1、釆样频率为fs=13.5MHz2、分辨率与帧率NTSC640X48030PAL、SECAM768X576253、根据fs的采样率,在不同的采样格式卜-计算出数字视频的数据量:采样格式(Y:U:V)数据量(Mbyte/s)4:2:2274:4:440这种未压缩的数字视频数据量对于冃前的计算机和网络來说无论是存储或传输都是不现实的,因此在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。三、视频序列的SMPTE表示单位通常用时间码来识别和记录视频数据流

4、中的何一帧,从一段视频的起始帧到终止帆其间的每一帧都有一个唯一•的时间码地址。根据动画和电视工程师协会SMPTE(SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers)使用的时间码标准,其格式是:小吋:分钟:秒:帧,或hours:minutes:seconds:frames0一段长度为00:02:31:15的视频片段的播放时间为2分钟31秒15帧,如果以每秒30帧的速率播放,则播放时间为2分钟31.5秒。根据电影、录像和电视工业中使用的帧率的不同,各冇其对应的SMPTE标准。由于技术的原因NTSC制式实际使用的帧率是29.97fp

5、s

6、佃不是30fps,因此在吋间码少实际播放时间之间有0.1%的误差。为了解决这个误差问题,设计出丢帧(drop-frame)格式,也即在播放时每分钟要丢2帧(实际上是有两帧不显示而不是从文件屮删除),这样可以保证时间码与实际播放时间的一致。与丢帧格式对应的是不丢帧(nondrop-frame)格式,它忽略时间码与实际播放帧Z间的误差。视频压缩编码的基本概念视频压缩的Id标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量Z比。rh于视频是连续的静态图像,因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同Z处,但是运动的视

7、频还有其口身的特性,因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。在视频压缩中常需用到以下的-•些基本概念:一、有损和无损压缩:在视频压缩中有损(Lossy)和无损(Lossless)的概念与静态图像屮基本类似。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都釆川RLE彳J:程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息,而尺丢失的信息不可恢复。儿乎所冇高压缩的算法都采用有损压缩,这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关,压缩比越小,丢失的数据越多,解压缩后的效果

8、一•般越差。此外,某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式,这样还会引起额外的数据丢失。二、帧内和帧间压缩:帧内(Intraframe)压缩也称为空间压缩(Spatialcompression)。当压缩一-帧图像时,仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧Z间的兀余信息,这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法,由于帧内压缩时各个帧之间没冇相互关系,所以压缩后的视频数据仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高的压缩。采用帧间(Interframe)压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性,或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相

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