隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入視頻采集、制作領(lǐng)域，傳統(tǒng)的視頻領(lǐng)域正面臨著模擬化向數(shù)字化的變革，過(guò)去需要用大量的人力和昂貴的設(shè)備去處理視頻圖像，如今已經(jīng)發(fā)展到在家用計(jì)算機(jī)上就能夠處理。用計(jì)算機(jī)處理視頻信息和用數(shù)字傳輸視頻信號(hào)在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1視頻模型
    中國(guó)和歐洲采用的電視制式是PAL制（逐行倒相制），美國(guó)和日本采用的NTSC制，一個(gè)PAL信號(hào)有25fb／s的幀率，一個(gè)NTSC制信號(hào)有30fb／s的幀率。

    視頻信號(hào)在質(zhì)量上可區(qū)分為復(fù)合視頻（Composite），S-Vide,YUV和數(shù)字（Digital）4個(gè)級(jí)別。復(fù)合視頻，SHS,VHS-C和Video8都是把亮度、色差和同步信號(hào)復(fù)合到一個(gè)信號(hào)中，當(dāng)把復(fù)合信號(hào)分離時(shí)，濾波器會(huì)降低圖像的清晰度，亮度濾波時(shí)的帶寬是有限的，否則就會(huì)無(wú)法分離亮度和色差，這樣亮度的分離受到限制，對(duì)色差來(lái)講也是如此。因此復(fù)合信號(hào)的質(zhì)量比較一般，但他的硬件成本較低，目前普遍用于家用錄像機(jī)。S-Vide,S-VHS,S-VHS-C和Hi8都是利用2個(gè)信號(hào)表現(xiàn)視頻信號(hào)，即利用Y表現(xiàn)亮度同步，C信號(hào)是編碼后的色差信號(hào)，現(xiàn)在很多家用電器（電視機(jī)，VCD，SHVCD，DVD）上的S端子，是在信號(hào)的傳輸中，采用了Y／C獨(dú)立傳輸?shù)募夹g(shù)，避免濾波帶來(lái)的信號(hào)損失，因此圖像質(zhì)量較好。YUV視頻信號(hào)是3個(gè)信號(hào)Y，U，V組成的，Y是亮度和同步信號(hào)，U，V是色差信號(hào)，由于無(wú)需濾波、編碼和解碼，因而圖像質(zhì)量極好，主要應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)視頻領(lǐng)域。數(shù)字及同步信號(hào)利用4個(gè)信號(hào)：紅、綠、藍(lán)及同步信號(hào)加于電視機(jī)的顯像管，因此圖像質(zhì)量很高。還有一種信號(hào)叫射頻信號(hào)，他取自復(fù)合視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制到VHF或UHF（UltraHighFrequency），這種信號(hào)可長(zhǎng)距離發(fā)送?，F(xiàn)在電視臺(tái)就采用這種方式，通過(guò)使用不同的發(fā)射頻率同時(shí)發(fā)送多套電視節(jié)目。

    模擬視頻信號(hào)攜帶了由電磁信號(hào)變化而建立的圖像信息，可用電壓值的不同來(lái)表示，比如黑白信號(hào)，0V表示黑，0．7V表示白，其他灰度介于兩者之間；數(shù)字視頻信號(hào)是通過(guò)把視頻幀的每個(gè)象素表現(xiàn)為不連續(xù)的顏色值來(lái)傳送圖像資料，并且由計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來(lái)傳送和儲(chǔ)存象素值，也就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字化視頻信號(hào)。數(shù)字視頻信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)很多：

（1）數(shù)字視頻信號(hào)沒(méi)有噪聲，用0和1表示，不會(huì)產(chǎn)生混淆，而模擬信號(hào)要求屏蔽以減少噪聲。
（2）數(shù)字視頻信號(hào)可利用大規(guī)模集成電路或微處理器進(jìn)行各類(lèi)運(yùn)算處理，而模擬信號(hào)只能簡(jiǎn)單地對(duì)亮度、對(duì)比度和顏色等進(jìn)行調(diào)整。
（3）數(shù)字視頻信號(hào)可以長(zhǎng)距離傳輸而不產(chǎn)生損失，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線、光纖等介質(zhì)傳輸，很方便地實(shí)現(xiàn)資源共享，而模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生信號(hào)損失。

2數(shù)字化視頻采集
    NTSC和PAL視頻信號(hào)是模擬信號(hào)，但計(jì)算機(jī)是以數(shù)字方式顯示信息的，因此NTSC和PAL信號(hào)在能被計(jì)算機(jī)使用之前，必須被數(shù)字化（或采樣）。一個(gè)視被用來(lái)數(shù)字化視頻模擬信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)圖形信號(hào)。視頻信號(hào)的數(shù)字記錄需要大量的磁盤(pán)空間，例如，一幅640×480中分辨率的彩色圖像（24b／pixel），其數(shù)據(jù)量約為0．92Mb／s，如果存放在650MB的光盤(pán)中，在不考慮音頻信號(hào)的情況下，每張光盤(pán)也只能播放24s，使用如此巨大的磁盤(pán)空間存儲(chǔ)數(shù)字視頻，是大多數(shù)計(jì)算機(jī)用戶所無(wú)法接受的。在這種情況下，將視頻帶到計(jì)算機(jī)上，以有效的幀率播放存儲(chǔ)信息，是使用計(jì)算機(jī)處理視頻能力的最大障礙，鑒于此種情況，我們采用數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)和幀尺寸、色彩深度和圖像精度折衷的辦法，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以節(jié)省磁盤(pán)存儲(chǔ)空間，數(shù)字化視頻采集技術(shù)也就變成了現(xiàn)實(shí)。

    數(shù)字化視頻的過(guò)程，通常被叫做數(shù)字化視頻采集。模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換中通常用8b來(lái)表示，對(duì)于專(zhuān)業(yè)或廣播級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換等級(jí)會(huì)更高。對(duì)于彩色信號(hào)，無(wú)論是RGB還是YUV方式，只需用24b來(lái)表示。因此采樣頻率的高低是決定數(shù)字化視頻圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)，如表1所示。 [nextpage]

    由于顯示時(shí)采用了4∶3方式，所以PAL制方陣的圖像大小是768×576，因?yàn)?68∶576＝4∶3，YUV信號(hào)在數(shù)字化過(guò)程中可以采用不同的采樣頻率，如4∶4∶4，4∶2∶2或4∶1∶0，由于色差信號(hào)用較低的采樣頻率不會(huì)影響到整體的圖像效果，通常是降低U，V的采樣頻率以減少數(shù)據(jù)量。4∶1∶0方式指U，V的采樣頻率是Y的1／4，而且是隔行采樣，也就是第1行采U，第2行采V，第3行采U等，這樣可以大大減少數(shù)據(jù)量，這對(duì)JPEG和MPEG編碼是很重要的。

    視頻采集中計(jì)算機(jī)的處理設(shè)備通常有3種類(lèi)型，即幀采集卡、動(dòng)態(tài)圖像連續(xù)采集卡、電視節(jié)目接受卡。幀采集卡的工作原理是把偶合視頻信號(hào)解碼成RGB或YUV，RGB或YUV信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入幀存體，幀存體內(nèi)的數(shù)據(jù)根據(jù)同步信號(hào)不斷被刷新。幀存體內(nèi)的數(shù)據(jù)需要保存時(shí)，計(jì)算機(jī)給出控制信號(hào)，幀存體數(shù)據(jù)不再被刷新，這時(shí)計(jì)算機(jī)可以讀出幀存體數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或存放到硬盤(pán)中。由于視頻信號(hào)是隔行掃描，在數(shù)字化過(guò)程中每幀圖像分成兩場(chǎng)，每場(chǎng)的分辨率是228行，因此高速運(yùn)動(dòng)的圖像采集后有抖動(dòng)的感覺(jué)，要解決這一問(wèn)題可以只采集一場(chǎng)或縮短快門(mén)時(shí)間。采集連續(xù)圖像到計(jì)算機(jī)中是比較困難的，因?yàn)閱我粠o止圖像的數(shù)據(jù)量已經(jīng)很大，而動(dòng)態(tài)圖像是25～30幀／s，模擬的視頻圖像數(shù)字化后所得到的量數(shù)據(jù)巨大，使傳輸、存儲(chǔ)和處理很困難。解決這一問(wèn)題的辦法一般有3種：

（1）利用局部數(shù)據(jù)總線，提高數(shù)據(jù)傳輸速度；
（2）大大降低分辨率；
（3）采用壓縮編碼。

    對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼，是目前最流行的方法，過(guò)去需要昂貴的設(shè)備才能處理的視頻圖像，如今已經(jīng)發(fā)展到家用計(jì)算機(jī)就能處理。在實(shí)際工作中，對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)的質(zhì)量要求也不盡相同。在軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)圖像信號(hào)的采集要求高分辨率且不允許壓縮；在廣播級(jí)的視頻制作上，要求高質(zhì)量但允許壓縮，例如，MPEG1，MPEG2；在普通的家用錄像帶或VCD，DVD光盤(pán)制作上，由于存儲(chǔ)空間的限制，分辨率要求高但允許壓縮。

3幾種壓縮算法
    目前，流行的壓縮算法主要有以下幾種：

（1）JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）
他是用于靜態(tài)圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)，主要方法是把一幅圖像分成8×8的方陣并進(jìn)行離散余弦變換（DCT），把圖像變換成頻率，提高壓縮比的方法就是去掉高頻部分。原則上講JPEG標(biāo)準(zhǔn)是靜態(tài)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，并不適合連續(xù)圖像采集。JPEG定義了2種基本壓縮算法：一種是基于差分脈沖碼調(diào)制（DPCM）的無(wú)失真壓縮算法；另一種是基于離散余弦（DCT）的有失真壓縮算法。JPEG的壓縮算法流程圖如圖1所示。

    從RGB到Y(jié)UV的彩色空間的變換，對(duì)減少數(shù)據(jù)冗余很有益，但最重要的是DCT離散余弦變換，基于DCT的JPEG壓縮算法可分成以下幾步進(jìn)行：

①通過(guò)DCT映射變換減少數(shù)據(jù)的冗余量。
②利用人的視覺(jué)加權(quán)函數(shù)，對(duì)DCT的變換系數(shù)進(jìn)行量化。
③差分編碼和行程編碼，把原始圖像數(shù)據(jù)分成一系列的8×8子塊進(jìn)行DCT變換，對(duì)于每個(gè)8×8子塊的64個(gè)系數(shù)中的直流系數(shù)DC采用DPCM編碼或差分編碼，其余63個(gè)交流系數(shù)采用零行程長(zhǎng)度編碼，即“zig-zag”之字形掃描。
④熵編碼，是JPEG壓縮編碼的最后一步，他是基于量化系數(shù)統(tǒng)計(jì)特性所進(jìn)行的無(wú)失真編碼，通常采用游程長(zhǎng)度編碼或Huffman（哈夫曼）編碼。

（2）M-JPEG(MotionJPEG)
    他是利用JPEG算法把一系列圖像存于硬盤(pán)，目前用于視頻制作的非線性編輯系統(tǒng)，廣泛采用的算法就是M-JPEG,這種壓縮方法對(duì)活動(dòng)的視頻圖像通過(guò)實(shí)時(shí)幀內(nèi)編碼過(guò)程單獨(dú)地壓縮每一幀，在編輯過(guò)程中可以隨機(jī)存取壓縮視頻的任意幀，而與其他幀不相關(guān)，這對(duì)精確到幀的后期編輯是非常理想的，該系統(tǒng)的M-JPEG采集編輯卡對(duì)圖像的采集分辨率均可達(dá)到768×576，25幀／s（PAL制）或640×480，30幀／s（NTSC制)。M-JPEG的優(yōu)點(diǎn)很多，由于算法不太復(fù)雜，只是在頻域里對(duì)人眼不敏感的高頻分量進(jìn)行取舍，而在時(shí)域里能量仍能均勻分布，可以用很小的壓縮比（如2∶1）全幀采集，從而實(shí)現(xiàn)廣播級(jí)指標(biāo)所要求的無(wú)損壓縮。[nextpage]

（3）MPEG（MotionPictureExpertsGroup）
    有MPEG1和MPEG2兩種壓縮編碼方式，MPEG1采用動(dòng)態(tài)圖像編碼的的方法，目前在計(jì)算機(jī)和電視視頻制作領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，他的視頻壓縮算法的核心是處理幀間冗余，即在幀之間保持不變的圖像信息來(lái)更好地壓縮數(shù)據(jù)。而M-JPEG只壓縮單獨(dú)的幀，幀與幀之間并不壓縮，這就決定了他所形成的數(shù)據(jù)流是高質(zhì)量且龐大，必須由專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用上受到了很大限制。MPEG1依賴(lài)于2個(gè)基本技術(shù)：一是基于16×16塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；二是幀內(nèi)圖像的JPEG壓縮。所謂運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償就是為了尋找冗余，軟件通常把這2個(gè)幀分成象素塊，在兩幀之間尋找相似的象素塊，并且只存儲(chǔ)在兩幀之間變化的圖像。如果幀與幀之間有快速豐富的圖像變化，圖像質(zhì)量就會(huì)迅速降低，為了避免這種失真，動(dòng)態(tài)壓縮算法允許說(shuō)明參考幀（也稱(chēng)內(nèi)部幀、當(dāng)前幀）。MPEG1的幀間編碼采用3種方式：

①I(mǎi)ntra，簡(jiǎn)稱(chēng)I幀，也就是當(dāng)前幀，大約半秒取1幀，作為其他幀的參考。
②Predicted，簡(jiǎn)稱(chēng)P幀，也稱(chēng)預(yù)測(cè)幀，根據(jù)當(dāng)前幀的變化預(yù)測(cè)下一幀，對(duì)其預(yù)測(cè)誤差做有條件的傳送，以達(dá)到提高壓縮比的目的。
③Bi-directional，簡(jiǎn)稱(chēng)B幀，也稱(chēng)插補(bǔ)幀、雙向預(yù)測(cè)幀，他根據(jù)前面和后面的幀雙向預(yù)測(cè)產(chǎn)生增加B幀的數(shù)目會(huì)減少I(mǎi)幀和P幀之間的相關(guān)性。

    這樣對(duì)提高壓縮比有益而對(duì)圖像質(zhì)量有損，所以I幀、B幀、P幀之間的時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)被壓縮視頻畫(huà)面的復(fù)雜程度和重建圖像的質(zhì)量來(lái)綜合考慮決定。

    MPEG1壓縮算法能將視頻信號(hào)壓縮到0．5～1b／pixel，壓縮數(shù)據(jù)率為1．2M／s，還原圖像的質(zhì)量與VHS相當(dāng)，目前市場(chǎng)上流行的VCD光盤(pán)，也就是MPEG1的一個(gè)代表產(chǎn)品，但由于其圖像質(zhì)量較差，在不久的將來(lái)會(huì)被DVD產(chǎn)品所淘汰。

    MPEG2是一種圖像能恢復(fù)到廣播質(zhì)量的編碼方法，也采用幀間壓縮的算法，但在視頻信號(hào)質(zhì)量上優(yōu)于MPEG1，目前發(fā)展非常迅速，典型產(chǎn)品是高清晰視頻光盤(pán)DVD、高清晰數(shù)字電視HDTV等。

（4）WTP小波變換壓縮法
    小波變換起源于1989年，是在研究函數(shù)分析中為克服三角函數(shù)的時(shí)域分析能力不足而提出的。他采用局部函數(shù)在頻域和時(shí)域同時(shí)分析法，將圖像信號(hào)分析成不同的頻率區(qū)域，然后根據(jù)圖像統(tǒng)計(jì)特性和人眼生理特性，在不同的頻域采取不同的壓縮算法，使視頻數(shù)據(jù)量減小。小波變換不受帶寬限制，只要選取的小波函數(shù)和相關(guān)濾波器合適，就能使視頻能量集中在低頻分量上。即使在編碼過(guò)程中取較大的壓縮比，還原圖像的質(zhì)量仍然較好。加拿大和美國(guó)的知名視頻廠商生產(chǎn)的非線性編輯系統(tǒng)就采用小波變換算法，他的優(yōu)點(diǎn)是圖像采集質(zhì)量高，缺點(diǎn)是格式專(zhuān)用，與M-JPEG相比，交換性、通用性差。

（5）DV格式算法
    DV格式是數(shù)字視頻磁帶經(jīng)常采用的一種壓縮格式，他的壓縮算法主要基于DCT離散余弦變換進(jìn)行的幀內(nèi)壓縮，因此是一種可編輯的格式，如今已經(jīng)演變出DVCAM和DVCPRO兩種互不兼容的專(zhuān)業(yè)級(jí)數(shù)字視頻格式，主要應(yīng)用于6．35mm數(shù)字磁帶攝錄系統(tǒng)，他還支持IEEE1394接口和傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可與當(dāng)今流行的非線性編輯系統(tǒng)建立純數(shù)字連接，因而具有良好的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

4結(jié)語(yǔ)
    視頻信號(hào)被采集到計(jì)算機(jī)后，就可進(jìn)入編輯制作階段，由于硬盤(pán)錄像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、非線性編輯系統(tǒng)等數(shù)字產(chǎn)品的快速發(fā)展，將視頻制作帶入全面數(shù)字化時(shí)代，視頻的網(wǎng)絡(luò)化傳輸和直接播出技術(shù)已成為現(xiàn)實(shí)。