第6章 動畫、視頻技術(shù).原理

第6章動畫、視頻數(shù)據(jù)技術(shù)本章在分析了動畫、視頻原理的基礎(chǔ)上，介紹了模擬視頻和數(shù)字視頻的基本概念、標準和技術(shù)，最后結(jié)合幾個流行的軟件介紹計算機動畫、視頻創(chuàng)作和編輯的基本方法。計算機動畫和視頻源自于靜態(tài)的圖類，將靜態(tài)的圖轉(zhuǎn)變動態(tài)畫的關(guān)鍵是畫的量變和形變。只要將一系列形態(tài)差異的畫，在人眼中按序經(jīng)過時，人腦中就會產(chǎn)生動態(tài)的感覺。所以動畫和視頻的創(chuàng)建也必須要考慮符合人類的視覺基本特征和視覺心理特性。純動畫和視頻作品一般還需要考慮其他媒體元素的加盟，由此帶來的問題是如何實現(xiàn)多媒體之間的巧妙配合和超大數(shù)據(jù)量的存取。而如何顯示動畫數(shù)據(jù)，則取決于顯示技術(shù)，目前的顯示方式主要是模擬視頻和數(shù)字視頻。6.1動畫基礎(chǔ)什么是動畫？動畫大師諾曼.麥克拉倫（NormanMclaren）解釋說，動畫不是“會動的畫”的藝術(shù)，而是“畫出來的運動”的藝術(shù)。6.1.1動畫原理動畫是由一系列靜態(tài)畫面，快速按序顯示而成。人眼看到的任何物體，即使它馬上消失了，它仍然在人的視覺中會停留約1/24秒鐘，這就是人眼所產(chǎn)生的視覺暫留現(xiàn)象，如果當一幅畫還沒有完全在視覺中消失前就立即播放出下一幅畫，兩幅畫就自然聯(lián)系起來，就會給人一種流暢的視覺變化效果，人腦中產(chǎn)生的便是物體在動態(tài)。因此，電影標準中規(guī)定了每秒24幀畫面的播放速度，其原因也就顯而易見了。

就動畫的畫面來講，所表現(xiàn)的動作并非真實的，而是憑想象設(shè)計出來的。從動畫的制作來講，動畫畫面是逐幅繪制的，動畫影像也是用電影膠片或像帶以逐幅記錄的方式制作的。在動畫的制作過程中，重要的是不僅要設(shè)計好每張畫面，同時要考慮物體運動的各種因素，包括物體運動的軌跡、方向，以及所需的時間。為了顯示物體連續(xù)變化的效果，要求上一幅畫面和下一幅畫面之間的形態(tài)變化不能太大。傳統(tǒng)的模擬動畫的制作需要一個完整的制作班子，包括原作、腳本、總監(jiān)督、作畫監(jiān)督、美術(shù)監(jiān)督、攝影監(jiān)督、音響監(jiān)督、演出、人物設(shè)定、機械設(shè)定、設(shè)計稿、原畫、作監(jiān)、背景、動畫、動檢、色指定、描上、總校、拍攝、編集和配音。而數(shù)字動畫的制作在時間和質(zhì)量上都是令人稱道的。通過計算機的各種多媒體軟件可方便且快速地完成角色的創(chuàng)建，然后利用動畫編輯軟件實現(xiàn)動畫腳本的制作。

6.1.2動畫類型動畫有許多種類，可從不同的角度將其分類。按動畫制作技術(shù)和手段可分為手工繪制和計算機動畫。按照計算機動畫實現(xiàn)的方式可分為幀動畫和造型動畫。按動作的表現(xiàn)形式可分為“完善動畫”和簡化的“局限動畫”。按空間視覺效果可分為二維動畫和三維動畫。按播放進行方式可分為順序動畫和交互動畫。本節(jié)主要討論計算機實現(xiàn)方法和空間視覺效果。

幀動畫和造型動畫幀動畫（Frame）由圖形或畫像序列構(gòu)成，序列中的每幅靜態(tài)圖像稱為一個“幀”。幀動畫可以分為逐幀動畫和補間動畫。在逐幀動畫中，每一個幀上都有可編輯的角色對象，設(shè)計者可以分別進行修改。而在補間動畫中，只需要設(shè)計者在一個表演時間段的兩端分別給出兩個角色對象，表示運動物體的初始和終結(jié)狀態(tài)畫面，動畫制作軟件就可通過一定的算法計算并生成自然、平滑的中間幀，從而產(chǎn)生細膩的動畫效果。造型動畫（Object）也被稱為對象動畫。造型就是利用三維軟件創(chuàng)造三維形體。建立復(fù)雜的形體有三種造型技術(shù)：

1組合技術(shù)：先要繪出基本的幾何形體，再將它們變成需要的形狀，然后通過不同的方法將它們組合在一起。2拓展技術(shù)：先創(chuàng)造出二維輪廓，再將其拓展到三維空間。3放樣技術(shù)：先創(chuàng)造出一系列二維輪廓，用來定義形體的骨架，再將幾何表面附于其上，從而建立立體圖形。制作造型動畫時，首先要分別對動畫中的每個對象進行特征設(shè)計，然后再由這些具有個性化的對象組成完整的動畫畫面。經(jīng)過特征設(shè)計的對象，必須按照一定的要求經(jīng)過實時轉(zhuǎn)換后才能形成連續(xù)的動畫。在電影特技中，為了得到比較真實的感覺，虛擬角色的造型可以通過基于物理的動畫，例如真實演員可以身帶與計算機相連的傳感設(shè)備（如傳感衣、傳感手套等）去完成一系列動作，這些動作通過計算機軟件接收后就可作為虛擬角色的動作造型。因此，完成動畫至少繪圖、造型、動畫三個步步驟，動畫就是使各種造型運動起來，制作人員所要做的是定義關(guān)鍵幀或?qū)ο笤煨停瑒赢嫷闹虚g態(tài)交給計算機去計算完成。二維動畫和三維動畫二維動畫2D的圖像設(shè)計只局限于平面，缺乏立體感，對諸如光、影、景深、景淺要求不高，所以制作也比較簡單。

三維動畫3D的圖像設(shè)計強調(diào)空間概念，配上真實色彩和3D虛擬環(huán)境，動畫效果將顯得相當逼真。實質(zhì)上，3D動畫是基于計算機特殊的3D動畫軟件給出的一個虛擬的三維空間，通過創(chuàng)建物體的模型，把模型放在這個虛擬的三維空間，配上燈光效果，然后賦予對象以動態(tài)效果和質(zhì)感效果。從某種角度來說，三維動畫的創(chuàng)作有點類似于實際工作中的雕刻，攝影，布景設(shè)計及舞臺燈光等綜合使用，所以在虛擬的三維環(huán)境中的工作重點也就是要控制各種組合、光線和三維對象。動畫制作軟件有許多，比較流行的有如Flash、Director、Animator、3DStudioMAX、LightWave3D、Alias/WaveFront、AnimatorStudio、SoftImage3D、StrataStudioPro。Flash支持動畫、聲音以及交互功能，多媒體編輯能力很強，并能直接生成網(wǎng)頁代碼，是制作網(wǎng)絡(luò)交互動畫最好的工具。利用Flash也可制作三維動畫，但由于Flash本身沒有三維建模功能，可以先利用AdobeDimensions創(chuàng)建三維動畫，再導(dǎo)入到Flash中進行合成，可生存效果較好的三維效果。Director是功能較強的二維動畫制作軟件，并可以創(chuàng)建交互功能的動畫，利用一些技巧可以產(chǎn)生三維視覺效果，也可以通過導(dǎo)入三維電影或三維圖片組來產(chǎn)生真正的三維動畫。使用Director的Xtra功能，可以在Director中嵌入一些制作三維的外部程序，如使用QD3DXtra系統(tǒng)擴展，可以在Director演員表中加入全交互的三維對象。3DStudioMAX完成的物體質(zhì)感非常強烈，光線反射、折射、陰影、鏡像、色彩都非常清楚。并被廣泛運用于三維動畫設(shè)計、影視廣告設(shè)計、室內(nèi)外裝飾設(shè)計等領(lǐng)域。6.2視頻基礎(chǔ)6.2.1動態(tài)視頻的顏色空間在視頻播放設(shè)備、投影機、電視機和其他顯示設(shè)備中，通常有復(fù)合視頻、S-Video和分量視頻3種接口，它們都與動態(tài)視頻的顏色空間有關(guān)。常用的色彩系統(tǒng)有RGB、YIQ、YUV。許多顯示設(shè)備中都使用了紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色圖像，利用RGB三原色的信號強度來記錄和表述圖像信息。計算機與顯示設(shè)備連接也使用RGB接口，其中通過RGB三根信號線分別傳輸圖像信號。YUV顏色空間是歐洲電視系統(tǒng)（PAL制式）所采用的顏色編碼方法。與RGB視頻信號傳輸相比，YUV編碼只占用極少的帶寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸），可以優(yōu)化彩色視頻信號的傳輸。由于亮度信號是單獨傳輸?shù)模钥杉嫒莺诎纂娨暋?/p>

YUV中的“Y”代表明亮度（Luminance或Luma），代表顏色的相對明暗程度，“亮度”是由輸入RGB信號疊加而成的。“U”和“V”表示的是C色度（Chrominance或Chroma），分別定義了顏色的色調(diào)和飽和度。也就是說C色度通過相應(yīng)電視制式的解碼方式解調(diào)出Cr和Cb兩路信號。色調(diào)Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異，飽和度Cb指顏色的純度，它反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異，這色差信號就是分量信號（Y、R-Y、B-Y）。在北美的NTSC電視系統(tǒng)中，采用的是YIQ色彩系統(tǒng)，Y是亮度，即圖像的灰度值，I和Q則是指色調(diào)。

分量視頻是指按色彩分量如Y、Cb、Cr分別輸出。復(fù)合信號是將亮度信號、彩色信號和同步信號合成的信號。S-Video視頻接口取消了信號疊加，將RGB三原色和亮度進行分離處理。S-Video是一種兩分量的視頻信號，它將兩個色差信號U、V合并的彩色信號C，并以Y/C格式進行記錄。這種信號不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達420線，它的特點是信號質(zhì)量較高。6.2.2彩色空間變換由于許多廣播標準，如歐洲的PAL和北美的NTSC電視系統(tǒng)，都采用亮度和色差視頻信號。因此需要一種機制進行不同色彩格式間的轉(zhuǎn)換，這也稱為色彩空間變換。為了將彩色圖像按亮度和顏色分別處理，就要把RGB空間表示的彩色圖像變換到其他彩色空間。目前采用的彩色空間變換有三種：YIQ

、YUV和YCrCb。每種變換使用的參數(shù)是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備。例如，YIQ用于NTSC彩色電視制式，YUV用于PAL制和SECAM彩色電視制式，而YCrCb用于連接在計算機上的顯示器。在YUV模型中，Y表示亮度，U、V是構(gòu)成彩色的兩個分量。考慮人的視覺系統(tǒng)和陰極射線管的非線性特性，YUV和RGB的對應(yīng)關(guān)系近似換算式如下：

Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100BYIQ與RGB彩色空間變換所對應(yīng)關(guān)系表示如下：Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R-0.275G-0.321BQ=0.212R-0.523G+0.311B用YUV或YIQ模型來表示彩色圖像的優(yōu)點是亮度信號Y和色差信號UV(或IQ)是相互獨立的，可對Y、U和V三種圖像信號單獨進行編輯和編碼。所以彩色模擬視頻采用的是加色（三色疊加）信號，首先要把彩色圖像分解為R、G、B三原色。圖像的傳輸信號可以是單色信號和復(fù)合信號。單色信號傳輸即分別傳輸R、G、B三原色信號，同時加上視頻同步信號，在接收端合成顯示信號。在采用8位顏色的數(shù)字電視系統(tǒng)中，亮度定義為16至235，色度Cb和Cr信號的取值范圍為16至240，其中128與0相等。YCrCb和RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：R'=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)G'=1.164(Y-16)-0.813(Cr-128)-0.392(Cb-128)B'=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)其中R'G'B'是伽馬（Gamma）校正RGB數(shù)值。由于CRT顯示器在信號幅度和輸出強度間是非線性關(guān)系，通過伽馬校正信號可使它們之間的關(guān)系轉(zhuǎn)為線性化。6.2.3視頻顯示和格式電視機和計算機顯示器的陰極射線管（CRT），使用3個電子槍分別產(chǎn)生紅、綠和藍三種波長的光，在彩色顯像管上又使用了紅、綠、藍這三種磷光材料發(fā)光合成彩色，這樣就需要把用YUV或YIQ表示的圖像信號轉(zhuǎn)換成用RGB表示的圖像信號才能顯示。模擬視頻信號通過光柵掃描的方法顯示在屏幕上。通過一定的掃描行數(shù)和速度，在屏幕上從上到下進行掃描，從而產(chǎn)生圖像的集合信號。動態(tài)的視頻圖像就是連續(xù)顯示的不同掃描圖像。獲取模擬視頻圖像的設(shè)備可以是模擬或數(shù)字的顯示設(shè)備。所不同的是，使用數(shù)字顯示設(shè)備時，必須要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬視頻的常用格式有專用格式的BetacamSP，家用格式的VHS、8mm和Hi8等。BetacamSP：專業(yè)格式比其他格式的分辨率更高，而噪聲最少，但價格高。VHS：使用12mm帶寬的錄影帶。水平解像度為280-300線。因為是12mm帶寬的錄影帶，也有人稱之為V12。8mm：也稱為V8。因為所使用的錄影帶為8mm的帶寬所致，全名為Video8簡稱V8。水平解像度為270線。Hi8：Hi8與V8同為使用8mm帶寬的錄影帶，但是水平解像度為400線。6.2.4模擬視頻標準模擬視頻的標準也稱為電視制式，目前流行的模擬彩色電視有三大制式，即PAL制、NTSC制和SECAM制。美、日、加拿大等國采用是NTSC制。德、英、西歐等國采用是PAL制，我國也采用PAL制。法、俄等國采用的是SECAM制。由于電視頻道的帶寬是有限的，因此，模擬電視調(diào)諧器接收模擬電視信號時，無論是哪一種制式，都要使兩個色差信號調(diào)制到某個副載波頻率上，采用頻譜搬移的方法將許多不同頻率的高頻電視信號變換成一個固定的中頻輸出，然后與Y信號共頻帶傳送。

NTSC視頻NTSC（美國國家電視標準委員會，NationalTelevisionStandardsCommittee）是1952年定義的彩色電視廣播標準，稱為正交平衡調(diào)幅制式。NTSC采用的是YIQ彩色空間，鑒于人眼難于分辨藍、品紅間的顏色細節(jié)和容易分辨紅、黃間的顏色細節(jié)這個特點，采用藍、品紅間色差信號Q和紅、黃間的色差信號I去代替藍、紅兩個色差信號。

NTSC制首先是將Q和I這兩個色差信號（其頻率為3.58MHz、相位分別為0°及90°的副載波信號）進行正交平衡調(diào)幅，然后將亮度信號Y和調(diào)制后的色度信號混合，再加上復(fù)合同步、復(fù)合消隱及色同步等輔助信號，結(jié)果產(chǎn)生彩色復(fù)合全電視信號CVBS去調(diào)制發(fā)射機，在接收端可利用同步檢波的方法恢復(fù)這兩個色差信號。NTSC標準規(guī)定視頻源每秒鐘需要發(fā)送30幅完整的圖像，每個幀的總行數(shù)只有525。為了避免出現(xiàn)嚴重的閃爍現(xiàn)象，采用隔行掃描法。將每一幀均分為兩個場，每場的掃描行數(shù)為262.5行。一部分全是奇數(shù)行，另一部分則全是偶數(shù)行。顯示的時候，先掃描奇數(shù)行，再掃描偶數(shù)行，就可以有效地改善圖像顯示的穩(wěn)定性。所以其幀頻為30Hz，場掃描頻率是60Hz。PAL視頻PAL（逐行倒相，PhaseAlternateLine）是1962年德國制定的彩色電視廣播標準，也稱為逐行倒相正交平衡調(diào)幅制。PAL制式采用YUV顏色模型，它首先是將U和V這兩個色差信號（其頻率為4.43MHz、相位分別為0°及±90°的副載波信號）進行正交平衡調(diào)幅，如色差信號V對副載波進行平衡調(diào)幅時，一行為90°，另一行為-90°。PAL制改善了NTSC制對于相位的敏感性，從而減小了由于相位變化所引起的色調(diào)失真。根據(jù)不同的參數(shù)細節(jié)，PAL制式還可分為G、I、D等制式，我國使用PAL-D制式，該彩色電視制式規(guī)定視頻源每秒鐘需要發(fā)送25幅完整的圖像，每個幀的總行數(shù)為625，也采用隔行掃描法，每一場的掃描行數(shù)為312.5行。所以其幀頻為25Hz，場掃描頻率是50Hz。SECAM視頻SECAM（順序傳送彩色與存儲SEquentialCouleurAvecMemoire）是法國采用的一種電視制式。1956年由法國工程師亨利.弗朗斯于提出，并于1967年付之實用的兼容性彩色電視制式。SECAM制式是色差信號對副載波信號進行調(diào)頻，而兩個色差信號R-Y和B-Y是逐行輪換傳送的方式，又稱為順序傳送與存儲復(fù)用調(diào)頻制。在信號傳輸過程中，亮度信號每行都傳送，而兩個色差信號則是逐行依次傳送，在接收端可利用延遲線將收到的信號延遲一行，使每一行所傳送的色差被使用兩次，用來彌補了每行中缺少的另一個色差信號。這種利用行錯開傳輸時間的辦法，可以避免同時傳輸時所產(chǎn)生的串色以及由其造成的彩色失真。SECAM制式也采用隔行掃描法，其幀頻和場頻與PAL-D制式相同。三種電視制式的區(qū)別在這三種制式中，NTSC制式最早研究成功，PAL制式和SECAM制式分別針對NTSC制式的缺點而提出的改進制式。制式的主要區(qū)別在于其幀頻不同、分辨率不同、信號的帶寬不同、可載頻率不同或色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系不同。表6-1列出了三種電視制式的主要技術(shù)指標。

表6-1三種電視制式的主要技術(shù)指標6.3數(shù)字視頻6.3.1數(shù)字視頻概述什么是數(shù)字視頻數(shù)字視頻（DigitalVideo-DV）是定義壓縮圖像和聲音數(shù)據(jù)記錄及回放過程的標準。數(shù)字視頻的特點影像質(zhì)量好、音響效果好、設(shè)備價格較低、不會導(dǎo)致制作過程的質(zhì)量損失、不需要視頻捕捉卡和幀同步卡，捕捉和錄制是實時的。大部分數(shù)碼攝像機都能通過FireWire(IEEE1394)接口與計算機相連，可以實時錄像并能進行快速的數(shù)據(jù)傳輸。模擬視像設(shè)備中的視頻信號是模擬信號，如果要將模擬視像設(shè)備中的模擬視頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字視頻信號，就需要通過視頻卡的處理。模擬攝像機就是最常見的模擬視像設(shè)備，我們要從模擬攝像機中獲取數(shù)字視頻的話，一般是先將視頻源影像的顏色和亮度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺儆涗浀絻Υ娼橘|(zhì)。然后經(jīng)過視頻捕捉設(shè)備的采樣、量化和編碼，也就是將模擬視頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的“０”或“１”的過程。計算機的作用是控制視頻采集卡的實時工作，并將采集獲取的數(shù)字視頻以一定的格式存儲在介質(zhì)上。

數(shù)字視頻是可以通過軟件播放器在計算機上直接進行播放的。但如果要在攝像機、電視機上觀看數(shù)字視頻，則需要一個從D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器將二進制信息解碼成模擬信號，才能進行播放。

數(shù)字視頻編輯數(shù)字視頻編輯包括利用采集卡將數(shù)字化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MPEG或AVI文件，還包括可以利用有關(guān)軟件進行線性編輯或非線性編輯。MPEG文件是經(jīng)過壓縮的，一般不適合再編輯，但也可以利用工具作如添加字幕、配音等簡單的編輯。而AVI文件比較適合于再編輯，除了可以添加字幕、配音等簡單編輯外，還能進行圖像疊加和增加特技效果。在數(shù)字視頻編輯中，相對于線性編輯來說，非線性編輯更具有特色：1

在非線性編輯軟件環(huán)境中，可以反復(fù)多次對數(shù)字視頻文件或部分進行編輯和處理。2非線性編輯系統(tǒng)的實際編輯過程中，只編輯點和特技效果的記錄。任何對剪輯的剪切、復(fù)制、順序調(diào)動都不影響畫面的質(zhì)量。3

非線性編輯系統(tǒng)可以是硬件，也可以是軟件。特點是功能強，集成度高。數(shù)字視頻常用格式有關(guān)數(shù)字視頻（DV）的格式要從兩個方面來討論，一是具有DV格式的設(shè)備，另一方面是數(shù)字視頻壓縮技術(shù)。從具有DV格式的設(shè)備來講，相關(guān)的錄像機系列有D1、D2、D3、D5等標準格式，按其記錄方式又分數(shù)字分量（D1、D5）和數(shù)字復(fù)合（D2、D3）。從數(shù)字視頻壓縮技術(shù)方面來講，數(shù)字錄像機的記錄格式分有非壓縮和壓縮兩大類。非壓縮記錄格式是以原有信號碼率（每秒傳遞的bit數(shù)）直接記錄輸入信號，所記錄的圖像質(zhì)量最高，原信號損失最小。壓縮記錄格式是有損的記錄格式。編碼過程中去除了一些較弱的感知信號后重新編碼記錄。由于數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量特別大，通常都采用壓縮編碼技術(shù)。6.3.2CCIR標準CCIR標準是有關(guān)于廣播電視以及有關(guān)的通信設(shè)備方面的標準。該標準以國際電信組織下屬的國際無線電協(xié)商委員會（CCIR）命名。1993年已并入國際電信聯(lián)盟（ITU）標準中，CCIR標準對應(yīng)于ITU標準中的ITU-R。該標準主要規(guī)定了數(shù)字地面電視廣播的業(yè)務(wù)復(fù)用、傳送和識別方法、HDTV演播信號系統(tǒng)。CCIR標準的具體內(nèi)容見表6-2。表6-2CCIR標準（ITU-R標準）序號標準號相關(guān)內(nèi)容1M.633-3406MHz頻段低極地軌道衛(wèi)星運行的衛(wèi)星應(yīng)急位置指示無線電信標（衛(wèi)星EPIRB）系統(tǒng)的傳輸特征2M.541-9用于海上移動業(yè)務(wù)的數(shù)字選擇性呼叫設(shè)備的運行程序3M.493-11海上移動業(yè)務(wù)使用的數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng)4M.1678移動系統(tǒng)的自適應(yīng)天線5M.1677國際摩爾斯電碼6M.1174-2用于450至470MHz之間用于船上通信的設(shè)備的技術(shù)特征7BT.1680應(yīng)用于劇院環(huán)境的大屏幕數(shù)字成像分配的基帶成像格式8BT.1368-4VHF/UHF波段的陸地數(shù)字聲音廣播的規(guī)劃標準9BT.1201-1超高清晰度成像10BS.1679應(yīng)用于劇院環(huán)境的大屏幕數(shù)字成像的音頻質(zhì)量的主觀評價11BT.655-7調(diào)幅殘余邊帶陸地電視系統(tǒng)受無用模擬視頻信號和相關(guān)聲音信號干擾射頻保護比12BT.1675最小化廣播系統(tǒng)回路延遲干擾的系統(tǒng)設(shè)計和操作實踐13,BT.1674廣播制作和后期制作的元數(shù)據(jù)要求14BT.1300-2數(shù)字地面電視廣播的業(yè)務(wù)復(fù)用、傳送和識別方法15,BT.1210-3主觀評定中要使用的測試材料16BT.1120-5HDTV演播信號的數(shù)字干擾17BS.1114-5,用于向工作在30-3000MHz頻率范圍內(nèi)的車載、便攜和固定接收機廣播的陸地數(shù)字聲音廣播系統(tǒng)18BR.602-5用于節(jié)目內(nèi)容評估的高清晰度電視記錄的交換19BR.265-9,用于電視的電影節(jié)目國際交換的操作實踐20S.580-6用作運行于靜止衛(wèi)星地球站天線的設(shè)計目標的輻射圖6.3.3數(shù)字電視數(shù)字電視就是采用數(shù)字技術(shù)的電視。由于數(shù)字電視具有能實現(xiàn)雙向交互業(yè)務(wù)、抗干擾能力強、頻率資源利用率高等優(yōu)點。如今，在交互電視、遠程教育、會議電視、電視商務(wù)、影視點播等應(yīng)用中，數(shù)字電視提供了優(yōu)質(zhì)的電視圖像和更多的視頻服務(wù)。數(shù)字電視的基本原理

數(shù)字電視的含義除了是指數(shù)字電視接收機外，還包含了從發(fā)送、傳輸?shù)浇邮盏娜^程。由電視臺送出的圖像及聲音信號，經(jīng)數(shù)字壓縮和數(shù)字調(diào)制后，形成數(shù)字電視信號，經(jīng)過無線介質(zhì)或有線介質(zhì)傳送到數(shù)字電視接收機，然后通過數(shù)字解調(diào)和數(shù)字視音頻解碼處理還原出圖像及伴音。

與模擬電視系統(tǒng)不同的是，電視節(jié)目從攝制、編輯、播送、傳輸、接收到顯示的全過程均采用全數(shù)字化的技術(shù)處理，信號在整個過程中的損失大大減小，接收到的電視節(jié)目質(zhì)量基本與演播現(xiàn)場水平相同。數(shù)字電視也可以以模擬電視信號為信源，對模擬電視信號經(jīng)過抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進制數(shù)字信號，然后可對數(shù)字化后的信號進行記錄、存儲、處理和傳輸，還可以用計算機進行處理、監(jiān)測和控制。數(shù)字電視中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)字電視廣播實現(xiàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和傳輸過程中的多路復(fù)用技術(shù)。數(shù)字電視的主要特點1

圖像清晰度好，音頻質(zhì)量高，支持5.1聲道的數(shù)字環(huán)繞聲節(jié)目源。而數(shù)字信號可通過精確的再生過程重建原始信號，可避免非線性失真的影響，還可以采用糾錯編碼技術(shù)提高電視機的抗噪聲、抗干擾能力。2

傳輸效率高。通過使用先進的信道編碼和調(diào)制方法，一個頻帶內(nèi)可實現(xiàn)多路、多套節(jié)目的同時傳輸。3

數(shù)字電路成本低、無需調(diào)整和調(diào)諧、容易維修。4

提供全新的業(yè)務(wù)方式。數(shù)字電視網(wǎng)、電信網(wǎng)和計算機網(wǎng)的結(jié)合，將提供更豐富的信息源、共享方式、交互方式，可擴大用戶使用和控制信息使用的自由度。5

便于信號的存儲。可以存儲多幀的電視信號，而且所用的存儲時間與信號的特性無關(guān)。6實現(xiàn)高效的控制。與計算機配合不僅可以實現(xiàn)設(shè)備的自動控制和調(diào)整，很容易實現(xiàn)加密/解密和加擾/解擾技術(shù)。數(shù)字電視的分類

數(shù)字電視可以按以下幾種方式分類：

（1）按信號傳輸方式分類：可以分為地面無線傳輸（地面數(shù)字電視）、衛(wèi)星傳輸（衛(wèi)星數(shù)字電視）、有線傳輸（有線數(shù)字電視）三類。（2）按產(chǎn)品類型分類：可以分為數(shù)字電視顯示器、數(shù)字電視機頂盒、一體化數(shù)字電視接收機。

（3）按清晰度分類：可以分為普及型數(shù)字電視（PDTV）或者低清晰度數(shù)字電視（LDTV）、標準清晰度數(shù)字電視（SDTV）和高清晰度數(shù)字電視（HDTV）。低清晰度數(shù)字電視的圖像水平清晰度大于250線，VCD的圖像格式屬于低清晰度數(shù)字電視（LDTV）水平。標準清晰度數(shù)字電視的圖像水平清晰度大于500線，DVD的圖像格式屬于標準清晰度數(shù)字電視（SDTV）水平。高清晰度數(shù)字電視的圖像水平清晰度大于800線。（4）按顯示屏幕幅型分類：可以分為4：3幅型比和16：9幅型比兩種類型。（5）按掃描線數(shù)（顯示格式）分類：可以分為HDTV掃描線數(shù)（大于1000線）和SDTV掃描線數(shù)（600～800線）等。數(shù)字電視廣播實現(xiàn)技術(shù)數(shù)字電視廣播中，其信號的流程包括制作（編輯）、信號處理、廣播（傳輸）和接收（顯示）幾個過程。目前，用于數(shù)字節(jié)目制作的手段主要有：數(shù)字攝像機和數(shù)字照像相機、計算機、數(shù)字編輯機、數(shù)字字幕機；用于數(shù)字信號處理的手段有：數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）、壓縮、解壓、縮放等技術(shù)；用于傳輸?shù)氖侄斡校旱孛鎻V播傳輸、有線電視（或光纜）傳輸、衛(wèi)星廣播（DSS）及寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)（ISDN）、DVD等；用于接受顯示的手段有：陰極射線管顯示器（CRT）、液晶顯示器、等離子體顯示器、投影顯示等。下面主要了解一下實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的技術(shù)和數(shù)字電視的傳輸途徑。實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的技術(shù)演播室質(zhì)量的數(shù)字化電視信號的數(shù)據(jù)率在200Mbps，而高清晰度電視，在1920×1080顯示格式下的視頻傳輸碼率中高達995Mbps，如此高的數(shù)據(jù)率是無法在模擬電視頻道帶寬內(nèi)傳輸?shù)?，因此必須要進行數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮可通過壓縮信源編解碼和信道編碼兩種技術(shù)來實現(xiàn)。1壓縮信源編解碼技術(shù)包括視頻和音頻壓縮編解碼技術(shù)。通過視頻編碼技術(shù)將模擬圖聲信號變?yōu)閿?shù)字信號源，再進行MPEG-2壓縮編碼。MPEG-2支持標準分辨率的16：9寬屏及高清晰度電視等多種格式，其碼率范圍為3～40Mbps。2信道編碼技術(shù)信道編碼技術(shù)主要采用數(shù)字電視信道的編解碼及調(diào)制解調(diào)數(shù)字調(diào)制技術(shù)。目的是提高單位頻寬數(shù)據(jù)傳送率。主要的方法是通過糾錯編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等技術(shù)提高信號的抗干擾能力，通過調(diào)制把傳輸信號放在載波上以便發(fā)射。目前各國數(shù)字電視所采用的糾錯、均衡等技術(shù)、帶寬、調(diào)制方式都是不同的。數(shù)字傳輸?shù)某Ｓ谜{(diào)制方式有：正交振幅調(diào)制（QAM）：調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。

鍵控移相調(diào)制（QPSK）：調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛(wèi)星廣播。殘留邊帶調(diào)制（VSB）：抗多徑（即重影）傳播效應(yīng)好，適合地面廣播。編碼正交頻分調(diào)制（COFDM）：抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好，適合地面廣播和同頻網(wǎng)廣播。數(shù)字電視的傳輸數(shù)字電視的傳輸途徑可分為三種：數(shù)字衛(wèi)星電視、數(shù)字有線電視和數(shù)字地面開路電視。這三種數(shù)字電視的信源編碼都采用MPEG-2的復(fù)用數(shù)據(jù)包，但由于它們的傳輸途徑不同，在信道編碼方面分別采用了不同的調(diào)制方式。例如：歐洲D(zhuǎn)VB數(shù)字電視系統(tǒng)中，數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)（DVB-S）采用正交相移鍵控調(diào)制（OPSK）；數(shù)字有線電視系統(tǒng)（DVB-C）采用正交調(diào)幅調(diào)制（QAM）；數(shù)字地面開路電視系統(tǒng)（DVB-T）采用更為復(fù)雜的編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制（COFDM）。數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)是HDTV的關(guān)鍵部分之一，其特點是具有可擴展性、分級性、交互性。發(fā)送信息時，復(fù)用器將由編碼器送來的視/音頻等數(shù)據(jù)比特流分成組，經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流，送給信道編碼及調(diào)制。而接收信息的過程正好相反。數(shù)字電視的標準現(xiàn)在國際上的數(shù)字電視存在三種標準，第一種是美國的ATSC標準，第二種是歐洲的DVB標準，第三種是日本的ISDB標準。ATSC標準ATSC（AdvancedTelevisionSystemCommittee先進電視制式委員會）是美國高清晰度數(shù)字電視聯(lián)盟制訂的包括數(shù)字式高清晰度電視（HDTV）在內(nèi)的先進電視系統(tǒng)的技術(shù)標準。ATSC數(shù)字電視標準由四個分離的層級組成，最高為圖像層，確定圖像的形式，包括象素陣列、幅型比和幀頻。次高層是圖像壓縮層，采用MPEG-2壓縮標準。第三層是系統(tǒng)復(fù)用層，特定的數(shù)據(jù)被納入不同的壓縮包中，采用MPEG-2壓縮標準。最低是傳輸層，確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制和信道編碼方案。DVB標準DVB（DigitalVideoBroadcasting數(shù)字視頻廣播）是包括DVB數(shù)字衛(wèi)星和有線電視傳輸系統(tǒng)在內(nèi)的電視廣播系統(tǒng)的統(tǒng)一標準，該標準具有靈活可擴充和移動通信的優(yōu)勢。目前已經(jīng)作為世界統(tǒng)一的標準被大多數(shù)國家接受，包括中國。

DVB標準規(guī)定數(shù)字電視使用統(tǒng)一的MPEG-2壓縮方法和MPEG-2傳輸流及復(fù)用方法，其中音頻壓縮可以有立體聲MUSICAM、多聲道MUSICAM及AC-3等多種選擇。還包括提供廣播節(jié)目的細節(jié)信息、統(tǒng)一的R-S糾錯碼、統(tǒng)一的加擾系統(tǒng)和條件接收公共接口。DVB標準也允許選用不同的接收系統(tǒng)。對于不同的傳輸媒體，可采用不同的調(diào)制方法及通道編碼糾錯方法。目前，DVB已包括以下多個標準：DVB-S:用于數(shù)字電視衛(wèi)星直播。它采用QPSK（四相相移鍵控）調(diào)制，通過減小傳輸信號頻帶來提高信道頻帶利用率，可以將二進制數(shù)據(jù)變換為多進制(即N進制)數(shù)據(jù)來傳輸。同時使用了MPEG-2格式，接收端達到CCIR601演播室質(zhì)量的碼率為9Mbps，達到PAL質(zhì)量的碼率為5Mbps。一個54MHz轉(zhuǎn)發(fā)器傳送速率可達68Mbps，并可供多套節(jié)目復(fù)用。DVB-C：用于數(shù)字電視有線廣播。主要有16、32、64QAM（正交幅度調(diào)制）三種調(diào)制方式，采用64QAM（64bit正交幅度調(diào)制）調(diào)制時，一個PAL通道的傳送碼率為41.34Mbps，還可供多套節(jié)目復(fù)用。DVB-T：用于數(shù)字電視地面開路。MPEG-2數(shù)字視音頻壓縮編碼仍然是開路傳輸?shù)暮诵?。采用COFDM調(diào)制方式，8M帶寬，可分為2k和8k兩種載波模式。ISDB標準ISDB（IntegratedServicesDigitalBroadcasting綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播）是日本的DIBEG（DigitalBroadcastingExpertsGroup數(shù)字廣播專家組）制訂的數(shù)字廣播系統(tǒng)標準。ISDB利用一種已經(jīng)標準化的復(fù)用方案在一個普通的傳輸信道上發(fā)送各種不同種類的信號，對于已經(jīng)復(fù)用的信號還可以通過各種不同的傳輸信道發(fā)送出去。ISDB具有柔軟性、擴展性、共通性，便于靈活地集成和發(fā)送多節(jié)目的電視和其它數(shù)據(jù)。6.3.4HDTV什么是高清晰度數(shù)字電視高清晰度電視HDTV(High

DefinisionTV)是美國首先提出的，經(jīng)過八年的技術(shù)開發(fā)，美國聯(lián)邦委員會(FCC)于1995年正式確定HDTV地面廣播方式和產(chǎn)品的規(guī)格。1998年，美國已正式開播數(shù)字高清晰度節(jié)目。以后在許多其他國家也逐漸開播了數(shù)字電視節(jié)目。HDTV是數(shù)字電視標準中最高級的一種。國際無線電咨詢委員會對HDTV系統(tǒng)的定義是:“當觀看距離約為屏幕高度的3倍時，該系統(tǒng)能使顯像的實際效果等于或接近于由視力正常的觀眾觀看原始景物或表演時所取得的印象。”高清晰度數(shù)字電視建立在數(shù)字信號處理、大規(guī)模集成電路制造和計算機科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上。主要采用了抗干擾性能極強的數(shù)字信號傳輸技術(shù)，將顯示分辨率提高到1000線以上，從而顯著地提高了圖像的清晰度。接收圖像的寬和高之比由原來的4：3增加到16：9，并增加了家庭影院效果的5.1聲道環(huán)繞聲，同時消除了傳輸過程中可能帶來的重影和噪聲影響。HDTV的實現(xiàn)的是真正將電影院的視聽效果帶入到了家庭當中。高清晰度電視的技術(shù)特征VCD屬于普及型低清晰度數(shù)字電視，只相當于目前的模擬電視，水平清晰度在300線上下。DVD屬于標準清晰度數(shù)字電視SDTV，其圖像和伴音的質(zhì)量都高于目前的模擬電視，圖像格式有720×480p（P為逐行掃描）和720×525P等，并且其頻道利用率高。高清晰度電視具有更高的圖像分辨率和清晰度，其圖像寬高比有4:3和16:9兩種，如果是4:3的圖像格式，PAL制式為1408×1152，NTSC制式為1408×1080。如果是16:9的圖像格式，PAL制式下為1920×1125

，而NTSC制式下為1920×1080i（I為隔行掃描）和1280×720p等格式。實際的廣播的模式是由電視臺最終確定，但是接收機仍可以選擇播放模式。在數(shù)字電視系統(tǒng)中，決定電視圖像清晰度的因素有掃描格式、光傳感器的質(zhì)量、記錄系統(tǒng)和處理器件的模擬頻率寬度、數(shù)字系統(tǒng)的取樣頻率以及電視接收機的質(zhì)量水平。比如：1920×1080

隔行掃描圖像格式，每幀圖像為2073600像素，每秒傳送30幀共62208000

像素。1280×720

逐行掃描圖像格式，每幀圖像為921600

像素，每秒傳送60幀共55296000

像素，兩種掃描形式傳輸?shù)南袼叵嗖畈⒉惶?。隔行掃描格式可以產(chǎn)生較高的靜態(tài)圖像清晰度,而逐行掃描格式可以產(chǎn)生較高的瞬時動態(tài)圖像清晰度。國際上高清晰度電視（HDTV）及標準清晰度電視（SDTV）的制式有很多種。制式的不同主要是指不同的掃描格式（525/59.94,625/50,1080/50）等、不同的寬高比要求，如（4：3或16：9）、不同的彩色表示方法（YUV或YIQ）等、不同的數(shù)字化方法、不同的取樣量化參數(shù)及不同的數(shù)字信源壓縮編碼、數(shù)字信道編碼與數(shù)字調(diào)制方法等。在HDTV視頻壓縮編解碼標準方面，各種制式采用了MPEG-2標準。壓縮后的信息可以供計算機處理，也可以在現(xiàn)有和將來的電視廣播頻道中進行分配。在音頻編碼方面，歐洲、日本采用了MPEG-2標準，美國采納了杜比公司的AC-3方案，將MPEG-2作為備用方案。在HDTV復(fù)用傳輸標準方面，也都采用了MPEG-2標準。HDTV數(shù)據(jù)包長度是188個字節(jié)，相當于4個ATM信元。如果利用以ATM為信息傳輸模式的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，就可用4個ATM信元來傳送一個HDTV傳送包。

那么清晰度是怎么描述的呢？決定電視的清晰度的重要參數(shù)是場頻率和視頻系統(tǒng)的頻帶寬度。最大垂直清晰度由垂直掃描總行數(shù)所決定。由于隔行掃描會造成局部的并行，所以實際的垂直清晰度還要把有效掃描行數(shù)乘以一個Kell

系數(shù)。在2：1隔行掃描方式中，Kell

系數(shù)為0.7，即垂直清晰度為電視有效行數(shù)的0.7倍。水平清晰度定義為圖像上可以分清的垂直線條數(shù)。水平清晰度與圖像傳感器的像素數(shù)和視頻系統(tǒng)的頻帶寬度有直接關(guān)系。由于圖像的寬高比系數(shù)大于1，所以，圖像的水平清晰度線數(shù)應(yīng)該是圖像上實際能分清的黑白垂直條數(shù)除以寬高比系數(shù)。電視的水平清晰度的計算公式為：水平清晰度TVL/PH=有效行時間(μs)×2×頻帶寬度(MHz)÷寬高比系數(shù)按我國GB3174-82彩色電視標準，一幀電視畫面由625行掃描線組成，電視畫面的寬高之比是4∶3，由此可計算出每行應(yīng)有833個像素。實際上，每幀圖像的有效行數(shù)為575行。因此我國現(xiàn)行電視標準的垂直清晰度為575×0.7=403TVL/PH。應(yīng)該指出的是，電視的垂直清晰度是由電視制式?jīng)Q定的，與電視信號的傳輸和視頻帶寬無關(guān)。我國電視標準規(guī)定行周期（行掃描時間）為64μs，有效行時間為52.2μs，標稱視頻帶寬為6MHz，所以我國現(xiàn)行電視標準的水平清晰度為：水平清晰度(SDTV)=52(μs)×2×6(MHz)÷（4/3）=468TVL/PH。6.4動畫、視頻文件格式動畫、視頻是一種流式媒體，流式媒體格式文件基于寬帶技術(shù)的視頻、音頻實時傳輸技術(shù)。通過流媒體服務(wù)器還可以把連續(xù)的視頻、音頻信息進行壓縮處理，而網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過媒體播放器、流媒體下載工具邊下載邊觀看。流媒體文件中常見的有：AVI（Windows視頻格式）、SWF（Flash格式）、MOV（QuickTime格式）、WMV(微軟流媒體格式)、和RM（RealMedia格式）。此外，還有光盤流媒體系列格式：VOB(DVD格式)、MPG(DVD,SVCD,VCD格式)、DAT(SVCD,VCD格式)，這些將不在這里討論。使用不同壓縮編碼的文件格式必定具有不同的特性。特定格式的視頻文件必須要有相應(yīng)的播放軟件。播放軟件的功能首先是能夠識別視頻文件的格式，其次是能夠通過解壓來回放數(shù)據(jù)。因此，播放軟件只要包含某種格式的解釋和解壓功能，就能夠播放該種格式的視頻文件。如VFW（VideoforWindows）中的MediaPlayer就能播放MOV和AVI等多種格式的文件。

通過軟件或硬件可以在不同視頻文件的格式之間進行轉(zhuǎn)換。例如，通過視頻采集卡將視頻數(shù)據(jù)存儲為AVI格式之后，利用視頻編輯軟件可以對其進行再編輯，并把編輯以后的視頻數(shù)據(jù)存儲為AVI格式或MPEG格式。6.4.1swf標準的swf格式也就是FLASH影片文件。利用FLASH軟件可以創(chuàng)建swf格式文件，而swf格式文件的播放需要特殊的解碼器。

文件結(jié)構(gòu)swf文件是由文件頭和文件體組成，兩者都不定長，文件頭定義了本swf文件的版本、是否壓縮、文件大小、場景大小、幀率、總幀數(shù)共6個內(nèi)容，整個文件body是由大量的tag（標記）組成的，每一個tag都包括一個頭和一個數(shù)據(jù)體，tag的head表示tag的類型代碼和長度。swf文件結(jié)構(gòu)示意如下：swf文件結(jié)構(gòu)：(文件header)(文件body)|(tag1)(tag2)(tag3)(……)|(tagheader)(tagbody)|(tag類型代碼)(tag長度

)swf文件結(jié)構(gòu)中必有的tag，包括backgroundColortag（），showFrametag和endtag。文件還可能包含文本框、字體、圖形、聲音、圖層等標記。如果在文件中有：tagDefineFont2DefineEditText

和控制tagPlaceObject2，其中的DefineFont2定義了一個字體信息。DefineEditText引用了定義的字體，并定義了顯示的文字信息。而PlaceObject引用了定義的文字信息，并控制了文字的顯示。它們之間的引用就是依靠character進行的，其中character是標記，ID是動畫文件中對象的地址。

swf文件的設(shè)置swf文件是利用MacromediaFlash制作的，當動畫設(shè)計完成后，首先應(yīng)該將作品保存成fla格式的文件，便于今后再作修改之用。當要在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布時，應(yīng)把它發(fā)布為SWF文件。swf文件的主要特點是體積小、封閉了制作過程。但是使用ImperatorFLA（flash破解工具軟件）仍然可以將SWF文件轉(zhuǎn)換成FLA文件。SWF文件發(fā)布之前，首先要在Flash中使用“文件”/“發(fā)布設(shè)置”命令，進行必要的參數(shù)設(shè)置，

可設(shè)置的參數(shù)包括：壓縮音頻方式（禁用、adpcm、mp3、原始、語音等）、預(yù)處理（轉(zhuǎn)換立體聲成單聲）、比特率（8kbps~160kbps）、品質(zhì)（快速、中、最佳）。6.4.2MOV

MOV（Moviedigitalvideotechnology）是Apple公司開發(fā)的，相應(yīng)的視頻應(yīng)用軟件為QuickTime?，F(xiàn)在有適用于Macintosh和Windows兩個版本。QuickTime能夠通過Internet提供實時的信息流、工作流和視頻回放，所以在許多瀏覽器上都加入了QuickTimeViewer插件（Plug-in）。利用瀏覽器，用戶不僅可以獲得實時的多媒體數(shù)據(jù)回放，而且能夠自行選擇不同的連接速度。此外，QuickTime還能提供虛擬現(xiàn)實效果，使得用戶可以通過鼠標或鍵盤，就可對某個物體進行全方位的觀察，或者觀察某一地點四周的景象。MOV格式的視頻文件可以是經(jīng)過壓縮的，也可以是非壓縮方式的。主要的壓縮算法包括Cinepak、IntelIndeoVideoR3.2

和Video編碼。其中Video格式編碼適合于采集和壓縮模擬視頻，該算法支持16位圖像深度的幀內(nèi)壓縮和幀間