数字视频

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    通过把视频图像信号编码成数字形式(而不是模拟形式)记录、存储和重放视频图像的技术。

属性

起源 20世纪40年代 定义 以数字形式记录的视频
英文名 digital video 中文名 数字视频

简介

数字视频就是以数字形式记录的视频,和模拟视频相对的。数字视频有不同的产生方式,存储方式和播出方式。比如通过数字摄像机直接产生数字视频信号,存储在数字带,P2卡,蓝光盘或者磁盘上,从而得到不同格式的数字视频。然后通过PC,特定的播放器等播放出来。

为了存储视觉信息,模拟视频信号的山峰和山谷必须通过模拟/数字(A/D)转换器来转变为数字的“0”或“1”。这个转变过程就是我们所说的视频捕捉(或采集过程)。如果要在电视机上观看数字视频,则需要一个从数字到模拟的转换器二进制信息解码成模拟信号,才能进行播放。

模拟视频的数字化包括不少技术问题,如电视信号具有不同的制式而且采用复合的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;电视图像的分辨率显示器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,先把复合视频信号中的亮度和色度分离,得到YUV或YIQ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。

发展

谈到数字视频的发展历史,不能不回顾计算机的发展历程,它实际上是与计算机所能处理的信息类型密切相关的,自上个世纪40年代计算机诞生以来,计算机大约经历了以下几个发展阶段:数值计算阶段。这是计算机问世后的“幼年”时期。在这个时期计算机只能处理数值数据,主要用于解决科学与工程技术中的数学问题。实际上,世界上第一台电子计算机ENIAC就是为美国国防部解决弹道计算问题和编制射击表而研制生产的。

数据处理阶段。50年代发明了字符发生器,使计算机不但能处理数值,也能表示和处理字母及其它各种符号,从而使计算机的应用领域从单纯的数值计算进入了更加广泛的数据处理。这是由世界上第一个批量生产的商用计算机UNIAC—1首开先河的。

多媒体阶段。随着电子器件的进展,尤其是各种图形、图像设备和语音设备的问世,计算机逐渐进入多媒体时代,信息载体扩展到文、图、声等多种类型,使计算机的应用领域进一步扩大。

由于视觉,即图形、图像,最能直观明了、生动形象地传达有关对象的信息,因而在多媒体计算机中占有重要的地位。

多媒体阶段,计算机与视频就产生了联姻。数字视频的发展主要是指在个人计算机上的发展,可以大致分为初级、主流和高级几个历史阶段。

第—阶段是初级阶段,其主要特点就是在台式计算机上增加简单的视频功能,利用电脑来处理活动画面,这给人展示了一番美好的前景,但是由于设备还未能普及,都是面向制作视频制作领域的专业人员。在普通PC用户还无法奢望在自己的电脑上实现视频功能。

第二个阶段为主流阶段,在这个阶段数字视频计算机中得到广泛应用,成为主流。初期数字视频的发展没有人们期望的那么快,原因很简单,就是对数字视频的处理很费力,这是因为数字视频的数据量非常之大,1分钟的满屏的真彩色数字视频需要1.5GB的存储空间,而在早期—般台式机配备的硬盘容量大约是几百兆,显然无法胜任如此大的数据量。

虽然在当时处理数字视频很困难,但它所带来的诱惑促使人们采用折衷的方法。先是用计算机捕获单帧视频画面,可以捕获一帧视频图像并以一定的文件格式存储起来,可以利用图像处理软件进行处理,将它放进准备出版的资料中;后来,在计算机上观看活动的视频成为可能。虽然画面时断时续,但毕竟是动了起来,带给人们无限的惊喜。

而最有意义的突破是计算机有了捕获活动影像的能力,将视频捕获到计算机中,随时可以从硬盘上播放视频文件。能够捕获视频得益于数据压缩方法,压缩方法有两种:纯软件压缩和硬件辅助压缩纯软件压缩方便易行,只用一个小窗口显示视频,有很多这方面的软件。硬件压缩花费高,但速度快。在这一过程中,虽然能够捕获到视频,但是缺乏一个统一的标准,不同的计算机捕获的视频文件不能交换。虽然有过一个所谓的“标准”,但是它没有得到足够的流行,因此没有变成真正的标准,它就是数字视频交互(DVI)。DVI在捕获视频时使用硬件辅助压缩,但在播放时却只使用软件,因此在播放时不需要专门的设备。但是DVI没有形成市场,因此没有被广泛的了解和使用。因此就难以流行。这就需要计算机与视频再做一次结合,建立一个标准,使得每台计算机都能播放令人心动的视频文件。这次结合成功的关键是各种压缩解压缩Codec技术的成熟。Codec来自于两个单词Compression(压缩)和Decompression(解压),它是一种软件或者固件(固化于用于视频文件的压缩和解压的程序芯片)。压缩使得将视频数据存储到硬盘上成为可能。如果帧尺寸较小帧切换速度较慢,再使用压缩和解压,存储1分钟的视频数据只需20MB的空间而不是1.5GB,所需存储空间的比例是20:1500,即1:75。当然在显示窗口看到的只是分辨率为160×120邮票般大小的画面,帧速率也只有15帧/s,色彩也只有256色,但画面毕竟活动起来了。

Quicktime和Video for Windows通过建立视频文件标准MOV和AVI使数字视频的应用前景更为广阔,使它不再是一种专用的工具,而成为每个人电脑中的必备成分。而正是数字视频发展的这一步,为电影和电视提供了一个前所未有的工具,为影视艺术带来了影响空前的变革。

第三阶段是高级阶段,在这一阶段,普通个人计算机进入了成熟的多媒体计算机时代。各种计算机外设产品日益齐备,数字影像设备争奇斗艳,视音频处理硬件与软件技术高度发达,这些都为数字视频的流行起到了推波助澜的作用。

采样

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。因此其数字化时可采用幅色采样法,即对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。用Y:U:V来表示YUV三分量的采样比例,则数字视频的采样格式分别有4:2:0,4:1:1、4:2:2和4:4:4多种。电视图像既是空间的函数,也是时间的函数,而且又是隔行扫描式,所以其采样方式扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。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本,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。

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)制定了广播级质量的数字电视编码标准,称为CCIR 601标准。在该标准中,对采样频率、采样结构、色彩空间转换等都作了严格的规定,主要有:

1、采样频率为f s=13.5MHz

2、分辨率与帧率

3、根据f s的采样率,在不同的采样格式下计算出数字视频的数据量:

压缩技术。

SMPTE

通常用时间码来识别和记录视频数据流中的每一帧,从一段视频的起始帧到终止帧,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(Society of Motion Picture and Television Engineers)使用的时间码标准,其格式是:小时:分钟:秒:帧,或 hours:minutes:seconds:frames。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,各有其对应的SMPTE标准。由于技术的原因NTSC制式实际使用的帧率是29.97fps而不是30fps,因此在时间码与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中删除),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之间的误差。

基本概念

视频压缩的目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之比。由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之处,但是运动的视频还有其自身的特性,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一些基本概念:



链接

Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/digital_video
Zhishi.me http://zhishi.me/baidubaike/resource/数字视频
http://zhishi.me/hudongbaike/resource/数字视频
http://zhishi.me/zhwiki/resource/数字视频