1.2 數(shù)字視頻相關(guān)知識(shí)

數(shù)字視頻是通過視頻捕捉設(shè)備進(jìn)行采集，然后將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為幀信息，并以每秒約30幀的速度播放的運(yùn)動(dòng)畫面。本節(jié)將對(duì)數(shù)字視頻的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行講解。

1.2.1 數(shù)字視頻

隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字視頻開始取代模擬視頻，并逐漸成為新一代的視頻應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于商業(yè)和網(wǎng)絡(luò)的傳播中。

數(shù)字視頻是對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的產(chǎn)物，它是基于數(shù)字技術(shù)記錄視頻信息的。模擬視頻可以通過視頻采集卡將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是視頻捕捉（或采集）過程，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)采用數(shù)字壓縮技術(shù)存入計(jì)算機(jī)磁盤中就成為數(shù)字視頻。模擬視頻一般采用分量數(shù)字化方式，先把復(fù)合視頻信號(hào)中的亮度和色度分離，得到Y(jié)UV或YIQ分量，然后用三個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)三個(gè)分量分別進(jìn)行數(shù)字化，最后再轉(zhuǎn)換成RGB空間。

1.2.2 模擬信號(hào)

模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。模擬信號(hào)的幅度、頻率及相位都會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，如聲音信號(hào)、圖形信號(hào)等，如下圖所示。

1.2.6 音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字音頻壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為電話語音壓縮、調(diào)幅廣播語音壓縮、調(diào)頻廣播及CD音質(zhì)的寬帶音頻壓縮3種，下面分別進(jìn)行介紹。

? 電話（200Hz～3.4kHz）語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)：主要有ITU（國際電傳視訊聯(lián)盟）的g.722（64kbit/s）、g.721（32kbit/s）、g.728（16kbit/s）和g.729（8kbit/s）等建議，用于數(shù)字電話通信。

? 調(diào)幅廣播（50Hz～7kHz）語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)：主要采用ITU的g.722（64kbit/s）建議，用于優(yōu)質(zhì)語音、音樂、音頻會(huì)議和視頻會(huì)議等。

? 調(diào)頻廣播（20Hz～15kHz）及CD音質(zhì)（20Hz～20kHz）的寬帶音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)：主要采用MPEG-1或MPEG-2雙杜比AC-3等建議，用于CD、MD、MPC、VCD、DVD、HDTV和電影配音等。

1.2.7 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是指按照某種特定算法，采用特殊的記錄方式來保存數(shù)字視頻信號(hào)的技術(shù)。目前使用較多的數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)有MPEG系列和H.26X系列，下面將分別進(jìn)行介紹。

1.MPEG系列

MPEG的全稱是運(yùn)動(dòng)圖像專家組（Moving Picture Experts Group）。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像而設(shè)計(jì)的，基本方法是在單位時(shí)間內(nèi)采集并保存第一幀信息，然后就只存儲(chǔ)其余幀相對(duì)第一幀發(fā)生變化的部分，以達(dá)到壓縮的目的。MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)幀之間的壓縮，其平均壓縮比可達(dá)5 : 1，壓縮率比較高，且又有統(tǒng)一的格式，兼容性好。

? MPEG-1：是專門為CD光盤所定制的一種視頻和音頻壓縮格式，采用了塊方式的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、離散余弦變換（DCT）、量化等技術(shù)，其傳輸速率可達(dá)1.5Mbit/s。其特點(diǎn)是隨機(jī)訪問，擁有靈活的幀率、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可跨越多個(gè)幀等；不足之處在于壓縮比還不夠大，且圖像質(zhì)量較差，最大清晰度僅為352×288分辨率。

? MPEG-2:MPEG-2制定于1994年，其設(shè)計(jì)目的是為了提高視頻數(shù)據(jù)傳輸率，能夠提供3Mbit/s～10Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率，在NTSC制式下可流暢輸出720×486分辨率的畫面。

? MPEG-4：與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4不再只是一種具體的數(shù)據(jù)壓縮算法，而是一種為滿足數(shù)字電視、交互式繪圖應(yīng)用、交互式多媒體等方面內(nèi)容整合及壓縮需求而制定的國際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將眾多的多媒體應(yīng)用集成于一個(gè)完整框架內(nèi)，旨在為多媒體通信及應(yīng)用環(huán)境提供標(biāo)準(zhǔn)的算法及工具，從而建立起一種能夠被多媒體傳輸、存儲(chǔ)、檢索等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

2.H.26X系列

H.26X系列壓縮標(biāo)準(zhǔn)是由ITU所主導(dǎo)提出的，旨在使用較少的帶寬傳輸較多的視頻數(shù)據(jù)，以便用戶獲得更為清晰的高質(zhì)量視頻畫面。

? H.263：是國際電聯(lián)ITU-1專為低碼流通信而設(shè)計(jì)的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其編碼算法與之前版本的H.261相同，但在低碼率下能夠提供較H.261更好的圖像質(zhì)量。

? H.264：是目前H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)中最新版本的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其制定目的是為了解決高清數(shù)字視頻體積過大的問題。H.264由MPEG組織和ITU-T聯(lián)合推出，因此它即是ITU-T的H.264，又是MPEG-4的第10部分，因此無論是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part10，還是ISO/IEC 14496-10，實(shí)質(zhì)上與H.264都完全相同。與H.263及以往的MPEG-4相比，H.264最大的優(yōu)勢在于擁有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率。在同等圖像質(zhì)量條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是原有MPEG-4的1.5～2倍。這樣一來，觀看H.264數(shù)字視頻將大大節(jié)省用戶的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量費(fèi)用。

1.2.8 數(shù)字視頻的分辨率

像素和分辨率都是影響視頻質(zhì)量的主要因素，與視頻的播放效果有著密切關(guān)系。在電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器及其他類似的顯示設(shè)備中，像素是組成圖像的最小單位，每個(gè)像素則由多個(gè)（通常為3個(gè)）不同顏色的點(diǎn)組成。而分辨率則是指屏幕上的像素?cái)?shù)量，通常用“水平方向像素?cái)?shù)量×垂直方向像素?cái)?shù)量”的方式來表示，如720×480、1024×768等，每幅視頻畫面的分辨率越大、像素?cái)?shù)量越多，整個(gè)視頻的清晰度也就越高；反之，視頻畫面便會(huì)模糊不清，如下圖所示。

1.2.10 非正方形像素和像素縱橫比

在DV出現(xiàn)之前，多數(shù)臺(tái)式機(jī)視頻系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)畫幅大小是640像素×480像素。計(jì)算機(jī)圖像是由正方形像素組成的，因此640像素×480像素和320像素×240像素（用于多媒體）的畫幅大小非常符合電視的縱橫比（寬度比高度），即4 : 3（每4個(gè)正方形橫向像素，對(duì)應(yīng)有3個(gè)縱向像素）。

但是在使用720像素×480像素或720像素×486像素的DV畫幅大小進(jìn)行工作時(shí)，計(jì)算不是很清晰，出現(xiàn)此類問題的原因在于，720像素×480像素的縱橫比是3 : 2，而不是4 : 3的電視標(biāo)準(zhǔn)，使用矩形像素，比寬度更高的非正方形像素（在PAL DV系統(tǒng)中指720像素×576像素），可以將720像素×480像素壓縮為4 : 3的縱橫比。