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

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

    視頻信號在質(zhì)量上可區(qū)分為復合視頻（Composite），S-Vide,YUV和數(shù)字（Digital）4個級別。復合視頻，SHS,VHS-C和Video8都是把亮度、色差和同步信號復合到一個信號中，當把復合信號分離時，濾波器會降低圖像的清晰度，亮度濾波時的帶寬是有限的，否則就會無法分離亮度和色差，這樣亮度的分離受到限制，對色差來講也是如此。因此復合信號的質(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。S-Vide,S-VHS,S-VHS-C和Hi8都是利用2個信號表現(xiàn)視頻信號，即利用Y表現(xiàn)亮度同步，C信號是編碼后的色差信號，現(xiàn)在很多家用電器（電視機，VCD，SHVCD，DVD）上的S端子，是在信號的傳輸中，采用了Y／C獨立傳輸?shù)募夹g，避免濾波帶來的信號損失，因此圖像質(zhì)量較好。YUV視頻信號是3個信號Y，U，V組成的，Y是亮度和同步信號，U，V是色差信號，由于無需濾波、編碼和解碼，因而圖像質(zhì)量極好，主要應用于專業(yè)視頻領域。數(shù)字及同步信號利用4個信號：紅、綠、藍及同步信號加于電視機的顯像管，因此圖像質(zhì)量很高。還有一種信號叫射頻信號，他取自復合視頻信號，經(jīng)過調(diào)制到VHF或UHF（UltraHighFrequency），這種信號可長距離發(fā)送。現(xiàn)在電視臺就采用這種方式，通過使用不同的發(fā)射頻率同時發(fā)送多套電視節(jié)目。

    模擬視頻信號攜帶了由電磁信號變化而建立的圖像信息，可用電壓值的不同來表示，比如黑白信號，0V表示黑，0．7V表示白，其他灰度介于兩者之間；數(shù)字視頻信號是通過把視頻幀的每個象素表現(xiàn)為不連續(xù)的顏色值來傳送圖像資料，并且由計算機使用二進制數(shù)據(jù)格式來傳送和儲存象素值，也就是對模擬信號進行A／D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字化視頻信號。數(shù)字視頻信號的優(yōu)點很多：

（1）數(shù)字視頻信號沒有噪聲，用0和1表示，不會產(chǎn)生混淆，而模擬信號要求屏蔽以減少噪聲。
（2）數(shù)字視頻信號可利用大規(guī)模集成電路或微處理器進行各類運算處理，而模擬信號只能簡單地對亮度、對比度和顏色等進行調(diào)整。
（3）數(shù)字視頻信號可以長距離傳輸而不產(chǎn)生損失，可以通過網(wǎng)絡線、光纖等介質(zhì)傳輸，很方便地實現(xiàn)資源共享，而模擬信號在傳輸過程中會產(chǎn)生信號損失。

2數(shù)字化視頻采集
    NTSC和PAL視頻信號是模擬信號，但計算機是以數(shù)字方式顯示信息的，因此NTSC和PAL信號在能被計算機使用之前，必須被數(shù)字化（或采樣）。一個視被用來數(shù)字化視頻模擬信號，并將之轉(zhuǎn)換為計算機圖形信號。視頻信號的數(shù)字記錄需要大量的磁盤空間，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的光盤中，在不考慮音頻信號的情況下，每張光盤也只能播放24s，使用如此巨大的磁盤空間存儲數(shù)字視頻，是大多數(shù)計算機用戶所無法接受的。在這種情況下，將視頻帶到計算機上，以有效的幀率播放存儲信息，是使用計算機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，對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，以節(jié)省磁盤存儲空間，數(shù)字化視頻采集技術也就變成了現(xiàn)實。

    數(shù)字化視頻的過程，通常被叫做數(shù)字化視頻采集。模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換中通常用8b來表示，對于專業(yè)或廣播級的信號轉(zhuǎn)換等級會更高。對于彩色信號，無論是RGB還是YUV方式，只需用24b來表示。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，如表1所示。 [nextpage]

    由于顯示時采用了4∶3方式，所以PAL制方陣的圖像大小是768×576，因為768∶576＝4∶3，YUV信號在數(shù)字化過程中可以采用不同的采樣頻率，如4∶4∶4，4∶2∶2或4∶1∶0，由于色差信號用較低的采樣頻率不會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JPEG和MPEG編碼是很重要的。

    視頻采集中計算機的處理設備通常有3種類型，即幀采集卡、動態(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解碼成RGB或YUV，RGB或YUV信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后進入幀存體，幀存體內(nèi)的數(shù)據(jù)根據(jù)同步信號不斷被刷新。幀存體內(nèi)的數(shù)據(jù)需要保存時，計算機給出控制信號，幀存體數(shù)據(jù)不再被刷新，這時計算機可以讀出幀存體數(shù)據(jù)傳送到計算機內(nèi)存或存放到硬盤中。由于視頻信號是隔行掃描，在數(shù)字化過程中每幀圖像分成兩場，每場的分辨率是228行，因此高速運動的圖像采集后有抖動的感覺，要解決這一問題可以只采集一場或縮短快門時間。采集連續(xù)圖像到計算機中是比較困難的，因為單一幀靜止圖像的數(shù)據(jù)量已經(jīng)很大，而動態(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、存儲和處理很困難。解決這一問題的辦法一般有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。

    對視頻圖像進行壓縮編碼，是目前最流行的方法，過去需要昂貴的設備才能處理的視頻圖像，如今已經(jīng)發(fā)展到家用計算機就能處理。在實際工作中，對數(shù)字視頻信號的質(zhì)量要求也不盡相同。在軍事和醫(yī)學領域，對圖像信號的采集要求高分辨率且不允許壓縮；在廣播級的視頻制作上，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光盤制作上，由于存儲空間的限制，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)圖像壓縮的標準，主要方法是把一幅圖像分成8×8的方陣并進行離散余弦變換（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標準是靜態(tài)壓縮標準，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行：

①通過DCT映射變換減少數(shù)據(jù)的冗余量。
②利用人的視覺加權函數(shù)，對DCT的變換系數(shù)進行量化。
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子塊進行DCT變換，對于每個8×8子塊的64個系數(shù)中的直流系數(shù)DC采用DPCM編碼或差分編碼，其余63個交流系數(shù)采用零行程長度編碼，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)計特性所進行的無失真編碼，通常采用游程長度編碼或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，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,這種壓縮方法對活動的視頻圖像通過實時幀內(nèi)編碼過程單獨地壓縮每一幀，在編輯過程中可以隨機存取壓縮視頻的任意幀，而與其他幀不相關，這對精確到幀的后期編輯是非常理想的，該系統(tǒng)的M-JPEG采集編輯卡對圖像的采集分辨率均可達到768×576，25幀／s（PAL制）或640×480，30幀／s（NTSC制)。M-JPEG的優(yōu)點很多，由于算法不太復雜，只是在頻域里對人眼不敏感的高頻分量進行取舍，而在時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，從而實現(xiàn)廣播級指標所要求的無損壓縮。[nextpage]

（3）MPEG（MotionPictureExpertsGroup）
    有MPEG1和MPEG2兩種壓縮編碼方式，MPEG1采用動態(tài)圖像編碼的的方法，目前在計算機和電視視頻制作領域獲得廣泛的應用，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更好地壓縮數(shù)據(jù)。而M-JPEG只壓縮單獨的幀，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，必須由專門的硬件來實現(xiàn)，在實際應用上受到了很大限制。MPEG1依賴于2個基本技術：一是基于16×16塊的運動補償；二是幀內(nèi)圖像的JPEG壓縮。所謂運動補償就是為了尋找冗余，軟件通常把這2個幀分成象素塊，在兩幀之間尋找相似的象素塊，并且只存儲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)量就會迅速降低，為了避免這種失真，動態(tài)壓縮算法允許說明參考幀（也稱內(nèi)部幀、當前幀）。MPEG1的幀間編碼采用3種方式：

①Intra，簡稱I幀，也就是當前幀，大約半秒取1幀，作為其他幀的參考。
②Predicted，簡稱P幀，也稱預測幀，根據(jù)當前幀的變化預測下一幀，對其預測誤差做有條件的傳送，以達到提高壓縮比的目的。
③Bi-directional，簡稱B幀，也稱插補幀、雙向預測幀，他根據(jù)前面和后面的幀雙向預測產(chǎn)生增加B幀的數(shù)目會減少I幀和P幀之間的相關性。

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

    MPEG1壓縮算法能將視頻信號壓縮到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，目前市場上流行的VCD光盤，也就是MPEG1的一個代表產(chǎn)品，但由于其圖像質(zhì)量較差，在不久的將來會被DVD產(chǎn)品所淘汰。

    MPEG2是一種圖像能恢復到廣播質(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)的時域分析能力不足而提出的。他采用局部函數(shù)在頻域和時域同時分析法，將圖像信號分析成不同的頻率區(qū)域，然后根據(jù)圖像統(tǒng)計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)點是圖像采集質(zhì)量高，缺點是格式專用，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兩種互不兼容的專業(yè)級數(shù)字視頻格式，主要應用于6．35mm數(shù)字磁帶攝錄系統(tǒng)，他還支持IEEE1394接口和傳輸標準，可與當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)展空間和應用前景。

4結(jié)語
    視頻信號被采集到計算機后，就可進入編輯制作階段，由于硬盤錄像機、數(shù)字攝像機、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)字化時代，視頻的網(wǎng)絡化傳輸和直接播出技術已成為現(xiàn)實。