數(shù)字視頻基本概念

數(shù)字視頻基本概念內(nèi)容模擬視頻數(shù)字視頻計算機(jī)合成視頻(計算機(jī)動畫)一、模擬視頻什么是視頻?視頻(video)：隨時間變化其內(nèi)容的一組圖象(24,25,30幀/秒)，又叫運(yùn)動圖象或活動圖象(motionpicture)。常見視頻信號：電視，電影，動畫等.視頻信號的特點(diǎn)：內(nèi)容隨時間而變化,伴隨有與畫面動作同步的聲音(伴音),人類接受的信息70%來自視覺,其中活動圖象是信息量最豐富、直觀、生動、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。電視3種彩色電視制式:NTSC制(正交平衡調(diào)幅制),美國、加拿大，臺灣、日本、韓國、菲律賓等采用PAL制(逐行倒相正交平衡調(diào)幅制),德國、英國，中國、朝鮮等采用SECAM制(順序傳送彩色與存儲制),法國、蘇聯(lián)及東歐國家采用.電視圖象攝取、傳輸和重現(xiàn)的過程拍攝圖像和播放圖像都采用“光柵掃描”(rasterscan)的原理。攝象機(jī)攝取景物時，把自然景物的顏色分解為R,G,B三個分量在彩電信號傳輸中，用Y,C1,C2分別表示亮度信號和兩個色差信號，C1,C2的含義與彩電的制式有關(guān)。電視接收機(jī)把Y,C1,C2信號重新轉(zhuǎn)換為R,G,B進(jìn)行顯示.視頻信號tWhite(0.714V)Black(0.055V)Blank(0.V)Sync(-0.286V)光柵掃描(rasterscan)隔行掃描(interlaced,電視圖象采用)奇數(shù)場偶數(shù)場1幀圖像逐行掃描(progressive,計算機(jī)顯示圖象時采用)625視頻信號的空間特性575(PAL)485525(NTSC)verticalresolutionaspectratio(4:3or16:9)視頻信號的時間特性動作連貫性感覺的要求：幀頻>=15f/s；無閃爍感覺的要求：畫面刷新速率必須>=每秒50次。

PAL制式：幀頻為25幀/s,場頻50場/s；NTSC制式：幀頻是30幀/s,場頻是60場/s電視掃描信號的行頻：PAL：625x25=15.625kHz，周期為64μs;NTSC：525x30=15.75kHz，周期為63.5μs575625(4/3)*575視頻信號的時間特性模擬信號傳輸電視節(jié)目時的帶寬：PAL制式是8.0MHz（亮度信號為5.5MHz，2個色度信號均為1.8MHz），NTSC制式是6.0MHz（亮度信號為4.2MHz，2個色度信號均為1.0MHz）。全屏光點(diǎn)總數(shù):575*(4/3)*575=440kb(P)484*(4/3)*484=310kb(N)視頻信號最高頻率:440k*25/2=5.5MHz(P)310k*30/2=4.65MHz(N)電視信號的彩色空間在彩色電視中，用Y、C1,C2彩色表示法分別表示亮度信號（Luminance或Luma）和兩個色度信號（Chrominance或Chroma）。C1，C2的含義與具體的電視制式有關(guān):電視制式C1的含義C2的含義NTSCIQPALUVCCIR601數(shù)字電視CrCb電視信號的彩色空間YUV空間(PAL)亮度分量Y=0.3*R+0.59*G+0.11*B色度分量U=(B-Y)*0.493色度分量V=(R-Y)*0.877YIQ空間(NTSC)亮度分量Y=0.3*R+0.59*G+0.11*B色度分量I=0.6*R-0.28*G-0.32*B色度分量Q=0.21*R-0.52*G+0.31*B(優(yōu)點(diǎn)：與黑白電視兼容；有利于壓縮信號帶寬)電視信號的彩色空間YCbCr是國際通用的CCIR601數(shù)字電視信號中使用的彩色空間，它由YUV彩色空間經(jīng)過縮放和平移得到。Y值的額定范圍在16-235之間，Cr和Cb在16-240之間，具體的轉(zhuǎn)換公式如下：Y=(77/256)*R+(150/256)*G+(29/256)*BCr=(131/256)*R-(110/256)*G-21/256)*B+128Cb=-(44/256)*R-(87/256)*G+(131/256)*B+128視頻信號種類（1）復(fù)合電視信號復(fù)合電視信號(compositevideosignal)：由亮度、色度信號及同步信號復(fù)合而成的單一信號，也稱為全電視信號.復(fù)合電視信號適合于進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸，其質(zhì)量稱為VHS（家用級)。彩色空間轉(zhuǎn)換RGB=>YUV圖象信號編碼信號復(fù)合RGBYUVCVBSVSyncHSync復(fù)合電視信號（模擬電視信號的編碼）0.01.254.835.756.0

NTSC復(fù)合電視信號的調(diào)制為便于電視信號遠(yuǎn)距傳輸，必須把三個分量信號以及同步信號復(fù)合成一個信號，然后才進(jìn)行傳輸。CVBS=Y+I*Cos(Fsc*t)+Q*Sin(Fsc*t)伴音信號與視頻信號也復(fù)合在一起傳輸。6MHz(NTSC)圖象載波聲音載波色度副載波音頻…6MHz4.2MHz（2）分量電視信號為保證視頻信號質(zhì)量，近距離時可用分量視頻信號(componentvideosignal)傳輸,分量信號是指每個基色分量(R,G,B或Y,U,V)作為獨(dú)立的電視信號傳輸。(Betacam，廣播級或?qū)I(yè)級).視頻節(jié)目制作時使用的是分量視頻信號計算機(jī)輸出的視頻信號，是分量形式的視頻信號。（3）S-Video信號

S-Video是亮度(包含同步信號)和色度(2個色度信號復(fù)合在一起)互相分離的一種電視信號，優(yōu)點(diǎn)：①減少亮度信號和色度信號之間的交叉干擾；②不需要使用梳狀濾波器來分離亮度信號和色度信號，這樣可提高亮度信號的帶寬。信號電平=1V阻抗=75ohms信號電平=0.3V阻抗=75ohms

S-Video使用單獨(dú)的兩條信號線分別傳輸亮度信號和色度信號，這兩個信號稱為Y/C信號。

S-Video使用4針連接器視頻信號接口視頻信號接口二、數(shù)字視頻為什么使用數(shù)字視頻？易于編輯、修改等操作處理用戶接收的圖像質(zhì)量更好(可達(dá)演播室水平)有利于存儲，信息復(fù)制不會失真有利于傳輸(抗干擾能力強(qiáng))節(jié)省頻率資源(占用頻道較窄)可以通過公共電信網(wǎng)和計算機(jī)網(wǎng)傳輸可以與其它媒體組合使用可以生成描述信息（bitsaboutbits）,便于信息的檢索和使用2視頻信號的數(shù)字化視頻信號數(shù)字化過程:(8-10bits)濾波取樣量化PCM編碼數(shù)字視頻信息模擬視頻信號VUYUVY亮度信號的取樣頻率:13.5MHzU,V色度信號的取樣方式有多種不同格式亮度信號的取樣（CCIR601）ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)(CCIR601,美國稱為D1標(biāo)準(zhǔn))，對3種制式電視的取樣頻率和有效分辨率都作了統(tǒng)一規(guī)定。每一行的像素數(shù)目:PAL:13.5MHz=625×25×N=15625×N,

N=864NTSC:

13.5MHz=525×30×N=15734×N,

N=858有效（可顯示）像素均統(tǒng)一為：720720pel(有效取樣樣本)12/16pel132/122pel水平掃描線(64us)藍(lán)色為NTSC藍(lán)色為NTSC色度信號的取樣（CCIR601）人對顏色的敏感程度遠(yuǎn)不如對亮度信號那么靈敏，所以色度信號的取樣頻率可以比亮度信號的取樣頻率低，以減少數(shù)字視頻的數(shù)據(jù)量。色度信號的取樣頻率有4種:格式取樣頻率平均每個像素的樣本數(shù)

4:4:4同亮度信號取樣頻率3樣本/像素4:2:2亮度信號取樣頻率的一半2樣本/像素4:1:1亮度信號取樣頻率的1/41.5樣本/像素4:2:0亮度信號取樣頻率的一半,1.5樣本/像素但隔行處理色度信號的4種取樣格式4:2:2亮度信號色度信號4:4:44:2:04:1:1

名稱

亮度(Y)色度(Cb,Cr)

(行數(shù)/幀)

(像素/行)(行數(shù)/幀)

(像素/行)取樣格式CCIR6015767205763604:2:2CIF288360 144 1804:2:0QCIF144180 72904:2:0SQCIF96 12848644:2:0常用數(shù)字視頻信號的規(guī)格(CCIR601＝ITU-R601)亮度的取值范圍:16(黑)-235(白)色度的取值范圍:16-240數(shù)字視頻的記時當(dāng)使用失落幀時間碼時，系統(tǒng)對除了每十分鐘以外的每分鐘的頭兩幀重新賦給序號。Drop-frametimecode: 00;02;51;20Non-drop-frametimecode: 00:02:51:20為什么？如果計時基準(zhǔn)為30fps： 30fps×60秒＝1800幀如果計時基準(zhǔn)為29.97fps： 29.97fps×60秒＝1798.2幀對于一段1分鐘的視頻，30fps和29.97fps的視頻幀數(shù)的差別為： 1800-1798.2＝1.8幀，或約為兩幀3常見數(shù)字視頻格式Windows和MacOS常用視頻文件類型文件類型縮略語來源于創(chuàng)建者文件信息和編碼平臺.movQuickTimeMovieApple不僅有視頻，還有純音頻QuickTime支持MIDI可以用QuickTime流傳輸服務(wù)器來進(jìn)行文件流傳輸常用的編碼包括：Animation、SorensonVideo、H.264、PlanarRGB和CinepakAppleQuickTime播放器，Windows和Mac都支持.aviAudioVideoInterleave常用的編碼包括：微軟RLE、IntelIndeoVideo和Cinepak主要在Windows上使用，但Apple的QuickTime播放器也可以播放AVI文件.rm可以有很高的壓縮比允許根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通速度來選擇壓縮級別可以用Real服務(wù)器進(jìn)行流傳輸跨平臺需要Real播放器.wmv主要在WindowsMediaPlayer上播放.mpg.mpeg對于DVD視頻，可以將文件輸出為DVDMPEG-2格式跨平臺.flv支持Web服務(wù)器的累進(jìn)下載在AdobFlashMedia服務(wù)器的支持下，可以流傳輸該文件SorensonSparkOn2VP6：支持alpha通道，即視頻可以有透明控制H.264跨平臺需要FlashPlayer來播放SWF文件，該文件調(diào)用或自己包含有FLV文件數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視是用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)字傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。目前用的最多的是衛(wèi)星數(shù)字電視、地面數(shù)字電視和有線數(shù)字電視。使用制式有美國ATSCDTV、歐洲D(zhuǎn)VB、日本的ISDB數(shù)字電視圖像格式SDTVEDTVHDTV三、計算機(jī)合成視頻(計算機(jī)動畫)什么是計算機(jī)動畫？計算機(jī)動畫是采用計算機(jī)生成可供實(shí)時演播的一系列畫面的一種技術(shù)。所生成的畫面系列可在計算機(jī)顯示屏上演示，也可轉(zhuǎn)換成視頻信息輸出。與模擬電視信號經(jīng)數(shù)字化得到的自然數(shù)字視頻相比，計算機(jī)動畫是一種合成數(shù)字視頻。計算機(jī)動畫綜合利用計算機(jī)科學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科的知識，用計算機(jī)生成絢麗多彩的連續(xù)的虛擬畫面，給人們提供了一個充分展示個人想像力和藝術(shù)才能的新天地。計算機(jī)動畫分類SimulationAnimation三維動畫二維動畫計算機(jī)動畫的歷史1963年Bell實(shí)驗(yàn)室制作了第一部計算機(jī)動畫片(二維)。三維計算機(jī)動畫的研究始于七十年代初，八十年代中后期進(jìn)入實(shí)用化。九十年代初，計算機(jī)動畫應(yīng)用于電影特技，如1993年“侏羅紀(jì)公園”取得轟動性效應(yīng)，獲得了該年度的奧斯卡最佳視覺效果獎。1996年，世界上第一部完全用計算機(jī)動畫制作的電影《玩具總動員》上映,1998年放映的電影《泰坦尼克》中，船翻沉?xí)r乘客的落水鏡頭有許多是采用計算機(jī)合成的，從而避免了實(shí)物拍攝中的高難度、高危險動作。計算機(jī)動畫的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域涉及娛樂、電視、教育和科研各方面,例如:影視領(lǐng)域中電影特技、片頭制作、動畫片制作、基于虛擬角色的電影制作等；商業(yè)：電視廣告制作，電子商務(wù)；教育領(lǐng)域中的輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)示教及集娛樂與教育于一體的教育軟件；科學(xué)研究領(lǐng)域中，用于科學(xué)計算可視化，復(fù)雜系統(tǒng)工程中動態(tài)模擬；軍事領(lǐng)域中的軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)模擬、訓(xùn)練模擬；娛樂行業(yè)，各種高檔、大型游戲軟件等。傳統(tǒng)動畫制作過程所謂動畫，是指利用人的視覺殘留特性使連續(xù)播放的靜態(tài)畫面相互銜接而形成動態(tài)效果。傳統(tǒng)卡通動畫的制作過程：導(dǎo)演將劇本分成一個個分鏡頭，由高級動畫師確定各分鏡頭的角色造型，并繪制出一些關(guān)鍵時刻各角色的造型。由助理動畫師根據(jù)這些關(guān)鍵形狀繪制出從一個關(guān)鍵形狀到下一個關(guān)鍵形狀的自然過渡，并完成填色及合成工作。依次拍攝這一幀幀連續(xù)畫面，就得到了一段動畫片段。計算機(jī)動畫制作過程計算機(jī)動畫是在計算機(jī)中建立景物的模型、設(shè)置它們的運(yùn)動、生成逼真圖像并轉(zhuǎn)換成視頻信號的過程。三維計算機(jī)動畫制作過程分以下幾個階段：（1）建模（造型）（2）確定顏色和材質(zhì)(紋理)（3）設(shè)置燈光和攝像機(jī)位置（4）描述和設(shè)置動畫要求（5）圖像繪制（rendering）（6）輸出動畫結(jié)果動畫制作方式OpenGLDirect3D操作系統(tǒng)3dsmaxMayaFlashMX（１）建模使用建模工具直接進(jìn)行建模patch可生成直紋面；skin可由多個不同的截平面線構(gòu)造物體；revolve可由母線旋轉(zhuǎn)成一個旋轉(zhuǎn)體；boundary可由三條或四條邊界構(gòu)造曲面；round可直接生成三個面相交處不同半徑的圓角。使用基本幾何形體，如球、柱、錐、臺、立方體等，通過調(diào)整曲面上的控制點(diǎn)或編輯點(diǎn)來進(jìn)行所需要的造型，亦可通過布爾運(yùn)算進(jìn)行實(shí)體造型。(2)顏色和紋理的確定顏色的設(shè)定：確定中間色、高光色、自發(fā)光色、透明色、反射區(qū)顏色等。調(diào)整高光區(qū)大小，高光區(qū)與中間色區(qū)過渡、反射率、折射率、反射次數(shù)、折射次數(shù)等。使用本色貼圖、高光區(qū)貼圖、透明區(qū)貼圖、白發(fā)光貼圖、反射貼圖、反射率貼圖、粗糙度貼圖、三維起伏貼圖等。調(diào)整貼圖參數(shù)，可得到金屬質(zhì)感，無高光非金屬和高光非金屬，自發(fā)光等質(zhì)感。顏色和紋理的確定材質(zhì)(紋理)的設(shè)定：提供許多紋理模板，可直接做為貼圖使用，且調(diào)整方便，可以做材質(zhì)漸變的動畫。背景材質(zhì):輸入的各種素材圖像或紋理圖像均可作為背景。軟件本身提供了若干背景，如天空、地平面、云和太陽組成的自然環(huán)境等。（3）設(shè)置燈光和攝像機(jī)位置燈光照耀在物體表面,顯現(xiàn)出物體表面的顏色和質(zhì)感，然后通過虛擬相機(jī)得到最后的圖像效果,這一步與確定顏色和材質(zhì)交替進(jìn)行。在場景中設(shè)置燈光的數(shù)量,類型和位置。光源的類型:環(huán)境光、直射平行光、點(diǎn)光、白熾燈光、線光和面光源。每種光源又有多種參數(shù)可調(diào)，能生成許多特殊效果。如光通過霧氣的效果、光的棱鏡效果等。設(shè)定虛擬攝像機(jī)的位置,以及推、拉、搖、移和變焦等攝像機(jī)運(yùn)動。（4）運(yùn)動的描述和設(shè)置動畫是運(yùn)動中的藝術(shù)，運(yùn)動是動畫的要素。運(yùn)動（motion）指的是場景中任何一種系列的視覺變化，例如:景物位置、方向、大小和形狀的變化，景物表面紋理、色彩的變化,虛擬攝像機(jī)運(yùn)動,其它。（5）圖像繪制（rendering）圖像繪制有多種方法，最常用的是光線追蹤法（Raytracing）和光線投射法（Raycastimg）。它們能自動計算光線在物體間的反射、折射、透明及物體陰影、濃淡，使畫面更生動、更逼真。繪制的動畫圖像如果是電影用的，每一秒需24幀畫面，則計算機(jī)必須繪制生成24xn幀圖像（n是持續(xù)時間），如果是電視用的，則每秒需25或30幀畫面。（6）輸出動畫結(jié)果為電視制作的計算機(jī)動畫必須使用相應(yīng)的視頻卡把計算機(jī)圖像轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，記錄在廣播級錄像帶上。如果是為電影制作的動畫，則通過膠片機(jī)，把制作的動畫圖像輸出到膠片上。小結(jié)：計算機(jī)動畫與圖形學(xué)場景造型：精度不必像工業(yè)設(shè)計那樣高，但對造型工具的靈活性及景物運(yùn)動的可控性提出了更高的要求。提出了針對動畫應(yīng)用而設(shè)計的造型技術(shù)，如隱函數(shù)曲面造型技術(shù)和Catmull-Clark離散曲面造型技術(shù)等。由于簡單性和兼容性，多邊形網(wǎng)格模型在計算機(jī)動畫系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。繪制：隨著動畫技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)必須予以改造，使之滿足動畫的需要。運(yùn)動控制的類型剛體運(yùn)動變形體運(yùn)動運(yùn)動控制的幾種方法關(guān)鍵幀（Keyframing）關(guān)鍵幀、位置、方向的插值變形、正向、逆向動力學(xué)計算法(ProceduralandSimulation)運(yùn)動學(xué)動力學(xué)隨機(jī)、過程、行為控制運(yùn)動捕獲技術(shù)重用以前的動作關(guān)鍵幀動畫關(guān)鍵幀動畫是基于動畫設(shè)計者提供的一組關(guān)鍵幀，自動產(chǎn)生中間幀的計算機(jī)動畫技術(shù)。關(guān)鍵幀動畫制作的步驟:腳本設(shè)計角色定義關(guān)鍵幀指定中間幀生成腳本中定義一系列要發(fā)生的運(yùn)動腳本設(shè)計(Storyboardlayout)關(guān)鍵幀說明

Key-framespecifications

關(guān)鍵幀是動畫序列中某個時刻的一個詳細(xì)描述，包括該時刻該場景中所有角色的位置(1) (2) (3) (4)

關(guān)鍵幀之間是中間幀，通常兩個關(guān)鍵幀之間有3-5個中間幀生成中間幀結(jié)果通過計算進(jìn)行運(yùn)動控制運(yùn)動控制方