視頻信號的采集與存儲

引言
    數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用使人類社會邁入了“數(shù)字時代”。今天，數(shù)字技術(shù)產(chǎn)品已走進普通百姓的日常生活之中。
賬   數(shù)字技術(shù)就是用數(shù)字編碼來描述和表達圖像、聲音等各種媒體信息。其信息處理的流程是：模擬信息→數(shù)字化→壓縮編碼→存儲或傳輸→解碼再現(xiàn)。其中，壓縮編碼是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)字化的圖像和聲音信號數(shù)據(jù)是非常龐大的，例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色圖像(24 bit／像素)的數(shù)據(jù)量約為7．37 Mbit／幀，如果是運動圖像．以每秒30幀或者25幀的速度播放時，則視頻信號傳輸速率為220 Mbit／s；如果把這種信號存放在650MB的光盤中，一張光盤只能播放20多秒鐘。所以，必須對數(shù)字化信息進行壓縮．用盡可能少的數(shù)據(jù)來表達信息，節(jié)省傳輸和存儲的開銷。

1 視頻模型
    數(shù)字視頻就是先用攝像機之類的視頻捕捉設(shè)備，將外界影像的顏色和亮度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再記錄到儲存介質(zhì)(如錄像帶)。播放時，視頻信號被轉(zhuǎn)變?yōu)閹畔?。并以每秒約30幀的速度投影到顯示器上．使人類的眼睛認為它是連續(xù)不問斷地運動著的。電影播放的幀率大約是每秒24幀。如果用示波器(一種測試工具)來觀看，未投影的模擬電信號看起來就像腦電波的掃描圖像，由一些連續(xù)鋸齒狀的山峰和山谷組成。
    中國和歐洲采用的是PAL制(逐行倒相制)，美國和日本采用的NTSC制，PAL信號有25 fb／s的幀率，NTSC制信號有30 fb／s的幀率。視頻信號在質(zhì)量上可區(qū)分為復(fù)合視頻(Composite)，S-Vide，YUV和數(shù)字(Digital)4個級別。復(fù)合視頻，VHS，VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信號復(fù)合到一個信號中，當(dāng)把復(fù)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(fù)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(shù)，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(yīng)用于專業(yè)視頻領(lǐng)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(fù)合視頻信號．經(jīng)過調(diào)制到VHF或UHF，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。

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信號在能被汁算機使用之前，必須被數(shù)字化(或采樣)。
    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，比如黑自信號，O V表示黑．O．7 V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(luò)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。
    一個視頻圖形適配器(通常叫做抓幀器或視頻采集卡)經(jīng)常被用來數(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(24 b／pixel)，其數(shù)據(jù)量約為O．92 Mb／s，如果存放在650 MB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24 s，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．?dāng)?shù)字化視頻采集技術(shù)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8 bit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24 bit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(biāo)。
    視頻采集中計算機的處理設(shè)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幀／s～30幀／s，模擬的視頻圖像數(shù)字化后所得到的數(shù)據(jù)量巨大，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。

3 視頻壓縮
    對視頻圖像進行壓縮編碼，是目前最流行的方法。1980年以來，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯(lián)盟(ITU)等陸續(xù)完成了各種數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)和建議．如面向靜止圖像壓縮的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，在運動圖像方面用于視頻會漢的H.261標(biāo)準(zhǔn)、用于可視電話的H.263標(biāo)準(zhǔn)、用于VCD的MlPEG1標(biāo)準(zhǔn)、用于廣播電視和DVD的MPEG2標(biāo)準(zhǔn)以及最新的采用基于對象的編碼理念的MPEG4標(biāo)準(zhǔn)等。MPEG是運動圖像專家組的英文首字母縮寫。該專家組成立于1988年，致力于運動圖像及其伴音的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)化工作。
    MPEG1于1993年成為國際標(biāo)準(zhǔn)，它是對1．5 Mbit／s以下數(shù)據(jù)傳輸率的數(shù)字存儲媒體運動圖像及其伴音的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，適用于CD—ROM、VCD、CD-I(交互式CD)等。
    它可對SIF(標(biāo)準(zhǔn)交換格式)分辨率(NTSC制式為352×240；PAl，制式為352×288)的圖像進行壓縮，傳輸速率為L 5 Mbit／s，每秒播放30幀．具有CD音質(zhì)，圖像質(zhì)量基本與VHS家用錄像機相當(dāng)。MPEGl也被用于數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸，如基于ADSI。(非對稱數(shù)字用戶線路)的視頻點播(VOD)、遠程教育等。
    MPEG2于1995年成為國際標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是達到高級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量以及更高的傳輸率。MPEG2所能提供的傳輸率在3Mbit／s～10 Mbit／s之間，在NTSC制式下的分辨率可達720×486．可提供廣播級的圖像質(zhì)量和CD級的音質(zhì)，適用于數(shù)字電視廣播(DVB)、HDTV和DVD的運動圖像及其伴音的壓縮編碼。目前，MPEG2已得到廣泛應(yīng)用．如美國、歐洲在DVD和數(shù)字電視廣播方面都采用MPEG2壓縮技術(shù)。
    MPEG3最初是為HDTV開發(fā)的編碼和壓縮標(biāo)準(zhǔn)，但由于MPEG2的出色性能表現(xiàn)，已能適用于HDTV，使得MPEG3還沒出世就被拋棄了。
    MPEG4于1999年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。MPEG4是一個適用于低傳輸速率應(yīng)用的方案。與MPEGl和MFPEG2相比，MPEG4更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。在視頻編碼方面，MPEG4支持對自然和合成的視覺對象的編碼。合成的視覺對象包括2D、3D動畫和人面部表情動畫等。在音頻編碼，MPEG4是在一組編碼工具支持下，對語音、音樂等自然聲音對象和具有回響、空間方位感的合成聲音對象進行音頻編碼的。MPEG4音頻編碼不僅支持自然聲音，而且支持合成聲音。
    MPEG4的重要特點包括：(1)基于內(nèi)容的普遍性。MPEG4能夠直接選取音頻、視頻內(nèi)容進行編碼，并對其靈活地進行控制和顯示，用戶可以自行選擇場景中的物體的解碼質(zhì)量，進行家庭影視節(jié)目制作和編輯。(2)以AV為對象．增強了交互性和擴展性，從而提高了交互應(yīng)用的靈活性。(3)將各種功能應(yīng)用在自然的和合成的AV對象上．增強了節(jié)目編輯制作能力。(4)MPEG4在誤碼環(huán)境中．尤其是在惡劣誤碼條件下的低比特率應(yīng)用中的抗誤碼性，有利于節(jié)目制作、分配和顯示。

4 結(jié)束語
    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，將視頻制作帶人全面數(shù)字化時代，視頻的網(wǎng)絡(luò)化傳輸和直接播出技術(shù)已成為現(xiàn)實。