1.4 數字視頻基礎

本節將對數字視頻相關的基礎知識做一個總體講解。

1.4.1 像素

像素（Pixel）是指形成圖像的最小單位。像素是一個個有色方塊，如果把數碼圖像不斷放大，就會看到，它是由許多像素以行和列的方式排列而成。

像素具有顏色信息，可以用bit（比特）來度量。像素分辨率是由像素含有幾比特的顏色屬性來決定的，例如，1比特可以表現白色和黑色兩種顏色；2比特則可以表示22（即4）種顏色。通常所說的24位視頻，是指具有224（即16777216）種顏色信息的視頻。

圖像文件包含的像素越多，其所包含的信息也就越多，文件也就越大，圖像品質也就越好。

1.4.2 幀頻與分辨率

幀頻指每秒顯示的圖像數（幀數）。如果想讓動作比較自然，每秒大約需要顯示10幀。如果幀數小于10，畫面就會突起；如果幀數大于10，播放的動作會更加自然。制作電影通常采用24f/s（幀/秒），制作電視節目通常采用25f/s。根據使用制式的不同，各國之間也略有差異。

分辨率是通過普通屏幕上的像素數來顯示的，顯示的形態是“水平像素數×垂直像素數”（例如，640×480像素，800×600像素）。在其他條件相同的情況下，分辨率越高，圖像的畫質就越好。當然，這也需要硬件條件的支持。

1.4.3 場

視頻素材分為交錯式和非交錯式。當前大部分廣播電視信號是交錯式的，而計算機圖形軟件（包括Premiere、After Effects）是以非交錯式顯示視頻的。交錯視頻的每一幀由兩個場（Field）構成，稱為“上”掃描場和“下”掃描場，或奇場（Odd Field）和偶場（Even Field）。這些場依順序顯示在NTSC制式或PAL制式的監視器上，能產生高質量的平滑圖像。

場以水平分隔線的方式保存幀的內容，在顯示時先顯示第一個場的交錯間隔內容，然后再顯示第二個場來填充第一個場留下的縫隙。每一個NTSC制式視頻的幀大約顯示1/30s，每一個場大約顯示1/60s，而PAL制式視頻一幀的顯示時間為1/25s，每一個場為1/50s。

在非交錯視頻中，掃描線是按從上到下的順序全部顯示的，計算機視頻一般是非交錯式的，電影膠片類似于非交錯視頻，它們是每次顯示整個幀的。

1.4.4 電視制式

在電視中播放的電視節目都是經過視頻編輯處理得到的。由于世界上各個國家或地區對電視影像制定的標準不同，其制式也有一定的區別。電視制式的出現，保證了電視機、視頻及視頻播放設備之間所用標準的統一或兼容，為電視行業的發展做出了巨大的貢獻。目前世界上的電視制式分為NTSC制式、PAL制式和SECAM制式3種。在Premiere CC 2018中新建視頻項目時，也需要對視頻制式進行具體設置。

1.NTSC制式

NTSC制式是由美國國家電視標準委員會（National Television System Committee）制定的，主要應用于美國、加拿大、日本、韓國、菲律賓等國家或地區。該制式采用了正交平衡調幅的技術方式，因此NTSC制式也稱為正交平衡調幅制電視信號標準。該制式的優點是視頻播出端的接收電路較為簡單。不過，由于NTSC制式存在相位容易失真、色彩不太穩定（易偏色）等缺點，因而此類電視都會提供一個手動控制的色調電路供用戶選擇使用。

符合NTSC制式的視頻播放設備至少擁有525行掃描線，分辨率為720×480電視線，工作時采用隔行掃描方式進行播放，幀速率為29.97f/s，因此每秒播放60場畫面。

2.PAL制式

PAL制式是在NTSC制式基礎上的一種改進方案，其目的主要是克服NTSC制式對相位失真的敏感性。PAL制式的原理是將電視信號內的兩個色差信號分別采用逐行倒相和正交調制的方法進行傳送。這樣一來，當信號在傳輸過程中出現相位失真時，便會由于相鄰兩行信號的相位相反而起到互相補償的作用，從而有效地克服了因相位失真而引起的色彩變化。此外，PAL制式在傳輸時受多徑接收而出現彩色重影的影響也較小。不過，PAL制式的編/解碼器較NTSC制式的相應設備要復雜許多，信號處理也較麻煩，接收設備的造價也較高。

PAL制式也采用了隔行掃描的方式進行播放，共有625行掃描線，分辨率為720×576電視線，幀速率為25f/s。目前，PAL彩色電視制式廣泛應用于德國、中國、英國、意大利等國家或地區。然而即便采用的都是PAL制式，不同國家或地區的PAL制式電視信號也有一定的差別。例如，我國采用的是PAL-D制式，英國采用的是PAL-I制式，新加坡采用的是PAL-B/G或PAL-D/K制式等。

3.SECAM制式

SECAM制式意為“順序傳送彩色信號與存儲恢復彩色信號制式”，是由法國在1966年制定的一種彩色電視制式。與PAL制式相同的是，該制式也克服了NTSC制式相位易失真的缺點，但在色度信號的傳輸與調制方式上卻與前兩者有著較大差別。總體來說，SECAM制式的特點是彩色效果好、抗干擾能力強，但兼容性相對較差。

在使用中，SECAM制式同樣采用了隔行掃描的方式進行播放，共有625行掃描線，分辨率為720×576電視線，幀速率與PAL制式相同。目前，該制式主要應用于俄羅斯、法國、埃及、羅馬尼亞等國家或地區。

1.4.5 隔行掃描與逐行掃描

如果想把視頻制作成可以在普通電視機中播放的格式，還需要對視頻的幀頻有所了解。非數字的標準電視機顯示的都是逐行掃描的視頻，在電子束接觸到熒光屏的同時，會被投射到屏幕的內部，這些熒光成分會發出人類所能看到的光。在最初發明電視機的時候，熒光成分只能持續極短時間，最后，在電子束投射到畫面的底部時，最上面的熒光成分已經開始變暗。為了解決這個問題，初期的電視機制造者設計了隔行掃描的系統。

也就是說，電子束最初是逐行隔開進行投射，然后再次返回，對中間忽略的光束進行投射。輪流投射的這兩條線在電視信號中稱為“上”掃描場（奇場）和“下”掃描場（偶場）。因此，每秒顯示30幀的電視實際上顯示的是每秒60個掃描場。

在使用計算機制作動畫時，為了制作出更自然的動作，必須使用逐行掃描的圖像。Adobe Premiere和Adobe After Effects可以準確地完成這項工作。通常，只有在電視機上顯示的視頻中才會出現幀或者場的問題。如果在計算機上播放視頻，因為顯示器使用的是隔行掃描的視頻信號，所以不會發生這種問題。

1.4.6 畫幅尺寸

數字視頻作品的畫幅大小決定了Premiere CC 2018項目的寬度和高度。在Premiere CC 2018中，畫幅大小是以像素為單位進行衡量的。像素是計算機監視器上能顯示的最小元素，如果正在工作的項目使用的是DV影片，那么通常使用DV標準畫幅的大小是720×480像素，HDV視頻攝像機（索尼和JVC）可以錄制1280×720像素和1400×1080像素的大小。更昂貴的高清（HD）設備能以1920×1080像素進行拍攝4K顯示屏能以3840×2160像素進行顯示。

1.4.7 非正方形像素與像素縱橫比

在DV出現之前，多數臺式機視頻系統使用的標準畫幅大小是640×480像素。計算機圖像是由正方形像素組成的，因此640×480像素和320×240像素（用于多媒體）的畫幅大小非常符合電視的縱橫比（寬度與高度之比），即4:3（每4個正方形橫向像素對應有3個正方形縱向像素）。

但是在使用720×480像素或720×486像素的DV畫幅大小進行工作時，計算不是很清晰。這是因為如果創建的是720×480像素的畫幅大小，那么縱橫比就是3:2，而不是4:3的電視標準。如果要將720×480像素壓縮為4:3的縱橫比，就要使用比寬度更高的非正方形像素（矩形像素）。

如果對正方形與非正方形像素的概念感到迷惑，那么只需記住640×480像素能提供4:3的縱橫比。對于720×480像素畫幅大小所帶來的問題就是如何將720像素的寬度轉換為640像素。這里要用到一點數學的知識：720乘以多少等于640？答案是0.9，即640約等于720的9/10。因此，如果每個正方形像素都能削減到原來自身寬度的9/10，那么就可以將720×480像素轉換為4:3的縱橫比。如果正在使用DV進行工作，可能會頻繁地看到數值0.9（即0.9:1的縮寫）。這稱作縱橫比。

1.4.8 SMPTE時間碼

在視頻編輯中，通常用時間碼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，其間的每一幀都有一個唯一的時間碼地址。根據動畫和電視工程師協會SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers）使用的時間碼標準，其格式是：小時：分鐘：秒：幀，或hours:minutes:seconds:frames。一段長度為00:05:15:15的視頻片段的播放時間為5分鐘15秒15幀，如果以每秒30幀的速率播放，則播放時間為5分鐘15.5秒。

根據電影、錄像和電視工業中使用的不同幀速率，各有其對應的SMPTE標準。由于技術的原因，NTSC制式實際使用的速率是29.97f/s而不是30f/s，因此在時間碼與實際播放時間之間有0.2%的誤差。為了解決誤差問題，設計出丟幀（Drop-frame）格式，即在播放時每分鐘要丟2幀（實際上是有兩幀不顯示，而不是從文件中刪除），這樣可以保證時間碼與實際播放時間一致。與丟幀格式對應的是不丟幀（Nondrop-frame）格式，它忽略時間碼與實際播放幀之間的誤差。

1.4.9 數據壓縮

數據壓縮也稱編碼技術，準確地說應該稱為數字編碼、解碼技術，是將圖像或者聲音的模擬信號轉換為數字信號，并可將數字信號重新轉換為聲音或圖像的解碼器綜合體。

隨著科技的不斷發展，原始信息往往很大，不利于存儲、處理和傳輸。而使用壓縮技術可以有效節省存儲空間，縮短處理時間，節約傳送通道。一般數據壓縮有兩種方法：一種是無損壓縮，是將相同或相似的數據根據特征歸類，用較少的數據量描述原始數據，達到減少數據量的目的；另一種是有損壓縮，是有針對性地簡化不重要的數據，減少總的數據量。

目前常用的影像壓縮格式有MOV、MPG、QuickTime等。