1.4 數字視頻基礎

1.4.1 視頻基礎

所謂視頻，即由一系列單獨的靜止圖像組成，每秒鐘連續播放靜止圖像，利用人眼的視覺殘留現象，在觀者眼中產生的平滑而連續活動的影像。

幀：一幀是掃描獲得的一幅完整圖像的模擬信號，是視頻圖像的最小單位。

幀率：每秒鐘掃描多少幀。對于PAL制式電視系統，幀率為25幀；而NTSC制式電視系統，幀率為30幀。

場：視頻的一個掃描過程，有逐行掃描和隔行掃描。對于逐行掃描，一幀即是一個垂直掃描場；對于隔行掃描，一幀由奇數場和偶數場兩行構成，用兩個隔行掃描場表示一幀。

1.4.2 電視制式簡介

電視的制式就是電視信號的標準。它的區分主要在幀頻、分辨率、信號帶寬、載頻以及色彩空間的轉換關系上。不同制式的電視機只能接收和處理相應制式的電視信號，但現在也出現了多制式或全制式的電視機，為處理不同制式的電視信號提供了極大的方便。全制式電視機可以在各個國家（地區）使用。目前各個國家（地區）的電視制式并不統一，全世界目前有三種電視制式。

PAL制式

PAL制式即逐行倒相正交平衡調幅制。它是德國在1962年制定的彩色電視廣播標準，它克服了NTSC制式色彩失真的缺點。根據不同的參數細節，它又可以分為G、I、D等制式。

NTSC制式（N制）

NTSC制式是由美國國家電視標準委員會于1952年制定的彩色廣播標準，它采用正交平衡調幅技術（正交平衡調幅制）。NTSC制式有色彩失真的缺陷。

SECAM制式

SECAM是法文“順序傳送彩色信號與存儲恢復彩色信號制”的縮寫，由法國在1956年提出、1966年制定的一種新的彩色電視制式。它克服了NTSC制式相位失真的缺點，采用時間分隔法來逐行依次傳送兩個色差信號。

1.4.3 視頻時間碼

一段視頻片段的持續時間、開始幀和結束幀通常用時間單位和地址來計算，這些時間和地址被稱為時間碼（簡稱時碼）。時間碼用來識別和記錄視頻數據流中的每一幀，從一段視頻的起始幀到終止幀，每一幀都有一個唯一的時間碼地址，這樣在編輯時利用它可以準確地在素材上定位出某一幀的位置，以方便安排編輯和實現視頻和音頻的同步。這種同步方式叫作幀同步。“動畫和電視工程師協會”采用的時間碼標準為SMPTE，其格式為小時：分鐘：秒：幀，如一個PAL制式的素材片段表示為0:01:30:13，即它持續1分30秒13幀，換算成幀單位就是2263幀，如果播放的幀速率為25fps，那么這段素材可以播放約1分90.5秒。

電影、電視行業中使用的幀率各不相同，但它們都有各自對應的SMPTE標準，如PAL采用25幀/秒或24幀/秒，NTSC制式采用30幀/秒或29.97幀/秒。早期黑白電視采用29.97幀/秒而非30幀/秒，這樣就會產生一個問題，即在時間碼與實際播放之間產生0.1％的誤差。為了解決這個問題，設計出了幀同步技術，這樣可以保證時間碼與實際播放時間一致。與幀同步格式對應的是幀不同步格式，它會忽略時間碼與實際播放幀之間的誤差。

1.4.4 壓縮編碼的種類

視頻壓縮是視頻輸出工作中不可缺少的一部分，由于計算機硬件和網絡傳輸速率的限制，視頻在存儲或傳輸時會出現文件過大的情況，為了避免這種情況，在輸出文件的時候就會選擇合適的方式對文件進行壓縮，這樣才能很好地解決傳輸和存儲時出現的問題。壓縮就是將視頻文件的數據信息通過特殊的方式進行重組或刪除來達到減小文件大小的過程。壓縮可以分為以下幾種方式。

有損和無損壓縮：在視頻壓縮中有損（Lossy ）和無損（Lossless）的概念與靜態圖像中基本類似。無損壓縮也即壓縮前和解壓縮后的數據完全一致。多數的無損壓縮都采用RLE行程編碼算法。有損壓縮意味著解壓縮后的數據與壓縮前的數據不一致。在壓縮的過程中要丟失一些人眼和人耳所不敏感的圖像或音頻信息，而且丟失的信息不可恢復。

幀內和幀間壓縮：幀內（Intraframe）壓縮也稱為空間壓縮（Spatial compression）。當壓縮一幀圖像時，僅考慮本幀的數據而不考慮相鄰幀之間的冗余信息，這實際上與靜態圖像壓縮類似。幀內一般采用有損壓縮算法，幀內壓縮一般達不到很高的壓縮；幀間壓縮也稱為時間壓縮（Temporal compression），它通過比較時間軸上不同幀之間的數據進行壓縮。幀間壓縮一般是無損的。

對稱和不對稱編碼：對稱性（symmetric）是壓縮編碼的一個關鍵特征。對稱意味著壓縮和解壓縮占用相同的計算處理能力和時間，對稱算法適合于實時壓縮和傳送視頻，如視頻會議應用就以采用對稱的壓縮編碼算法為好。而在電子出版和其他多媒體應用中，一般是把視頻預先壓縮處理好，然后再播放，因此可以采用不對稱（asymmetric）編碼。不對稱或非對稱意味著壓縮時需要花費大量的處理能力和時間，而解壓縮時則能較好地實時回放。一般地說，壓縮一段視頻的時間比回放（解壓縮）該視頻的時間要多得多。

1.4.5 壓縮編碼的方式

壓縮不是單純地為了減小文件，而是要在保證畫面的同時來達到減小文件大小的目的，不能只管壓縮而不計損失，要根據文件的類別選擇合適的壓縮方式，這樣才能更好地達到壓縮的目的，常用的視頻和音頻壓縮方式有以下幾種。

Microsoft Video 1

這種方式針對模擬視頻信號進行壓縮，是一種有損壓縮方式，支持8位或16位的影像深度，適用于Windows平臺。

Intellndeo（R）Video R3.2

這種方式適合制作在CD-ROM上播放的24位的數字電影，和Microsoft Video 1相比，它能得到更高的壓縮比和質量，以及更快的回放速度。

DivX MPEG-4（Fast-Motion） 和DivX MPEG-4（Low-Motion）

這兩種壓縮方式是Premiere Pro增加的算法，壓縮基于DivX播放的視頻文件。

Cinepak Codec by Radius

這種壓縮方式可以壓縮彩色或黑白圖像，適合壓縮24位的視頻信號，制作用于CD-ROM播放或網上發布的文件。和其他壓縮方式相比，利用它可以獲得更高的壓縮比和更快的回放速度，但壓縮速度較慢，而且只適用于Windows平臺。

Microsoft RLE

這種方式適合壓縮具有大面積色塊的影像素材，如動畫或計算機合成圖像等。它使用RLE （run length encoding）方式進行壓縮，是一種無損壓縮方案，適用于Windows平臺。

Intel Indeo 5.10

這種方式適合于所有基于MMX技術或Pentium II以上處理器的計算機。它具有快速的壓縮選項，并可以靈活設置關鍵幀，具有很好的回放效果；適用于Windows平臺，作品適合網上發布。

MPEG

在非線性編輯時最常用的是MJPEG算法，即Motion JPEG。它將視頻信號50場/秒（PAL制式）變為25幀/秒，然后按照25幀/秒的速度使用JPEG算法對每一幀進行壓縮。通常壓縮倍數在3.5~5倍時可以達到Betacam的圖像質量。MPEG算法適用于動態視頻的壓縮，除了對單幅圖像進行編碼外還利用圖像序列中的相關原則，將冗余去掉，這樣可以大大提高視頻的壓縮比。 目前MPEG-I用于VCD節目中，MPEG-II用于VOD、DVD節目中。

其他還有很多方式，如Planar RGB、Cinepak、Graphics、Motion JPEG A和Motion JPEG B、DV NTSC和DV PAL、Sorenson、Photo-JPEG、H.263、Animation及None等。