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第3章 视频编码技术
1.视频信号的数字化 2.视频文件格式 3.视频压缩编码原理 4.视频压缩标准
学习目标
掌握视频数字化方法 了解视频文件格式 掌握视频压缩编码原理（预测编码、变换编
码、统计编码原理）
理解视频压缩标准（ MPEG标准 ）
3.1 视频信号的数字化
1.视频相关的基本概念
所谓视频（video frequency ），连续的图像变化每秒 超过24帧（frame）画面以上时，根据视觉暂留原理，人 眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的视觉效 果，这样连续的画面叫做视频。即视频是由一系列单独的 静止图像组成，其单位用帧或格来表示；
➢高性能计算机：接收和记录编码后的数字视频 数据。
➢大容量存储设备：存储经过编辑修改的数字视 频文件。
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
复合端口 色差分量接口 S-Video信号端子 IEEE1394接口
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
复合端口
也称AV 接口，通常都是成对的白色音频接口和黄色的 视频接口，常用接头有BNC接头和莲花(RCA)接头。传输的 是亮度/色度(Y/C) 混合在一起的视频信号。易导致亮、色串 扰、清晰度降低等问题，是最差的视频信号。
同步信号)
地(色度)
S-Video四芯插头（座）
地(亮度)
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
莲花接头
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 IEEE1394接口
IEEE1394是一种外部串行总线标准，800Mbps的 高速。1394接口具有把一个输入信息源传来的数据向 多个输出机器广播的功能，特别适用于家庭视听的连接。 由于该接口具有等时间的传送功能，确保视听AV设备 重播声音和图像数据质量，具有好的重播效果。
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 色差分量接口
分量视频信号(Component Video Signal)是指每个基色 分量作为独立的视频信号。一般用亮度-色差表示，如Y和Cr、 Cb，Y和I、Q，Y和U、V。使用分量视频信号是表示颜色的最 好方法。
分量信号接入口
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
1.视频相关的基本概念
视频信息和信号特点：
(1) 直观性：给人印象更深刻、生动、具体。 (2) 确定性：“百闻不如一见”。 (3) 高效性：人眼是一个高度复杂的并行信息处理系
统，能并行快速地观察一幅图像的细节，因此它获取视 频信息的效率要比语音信息高得多。
(4) 广泛性：人类接受的信息，80%来自视觉。
wenku.baidu.com
2.视频的采集及数字化
视频图像的数字化
• 数字化方法 （1）先从复合彩色图像中分离出彩色分量，然后数字化。 （2）首先用一个高速A/D转换器对彩色全信号进行数字化, 然后在数字域中进行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ 或RGB分量数据。
2.视频的采集及数字化
2.视频的采集及数字化
数字视频的采集系统
➢视频源设备：录像机、电视机、影碟机等；
➢视频采集卡：对模拟视频信号进行采样、量化
和编码的设备；
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 视频采集卡的作用是将模拟摄像机、录像机等输出的模拟 视频信号输入电脑，并转换成电脑可辨别的数字化的视频数据 文件。 目前的视频采集卡是视频采集和压缩同步进行，并被压缩 成MPG格式文件。
人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂 的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，而能继续 保留其影像0.1-0.4秒左右，这种现象被称为视觉暂留现象。
1.视频相关的基本概念
帧：一帧是扫描获得的一幅完整图像的信号，是视 频图像的最小单位；“帧”在动画创作当中又
称 “格”。
帧率：就是每秒钟扫描多少帧。对于PAL制式电视 系统，帧率为25帧；而NTSC制式电视系 统，帧率为30帧。
场：视频的一个扫描过程。有逐行扫描和隔行扫 描，对于逐行扫描，一帧即是一个垂直扫描 场；对于隔行扫描，一帧由两场构成：奇数场 和偶数场，是用两个隔行扫描场表示一帧。
1.视频相关的基本概念
（1）逐行扫描
实线为行扫描的正程，左→右；
虚线
逆程，右→左。
图 逐行扫描方式
1.视频相关的基本概念
（2）隔行扫描
600Mbit的存储空间只能存储90帧的视频图像信号，或 者说可以存储大约3.6 s的数字电视节目。
如果存储更高分辨率的高清数字电视信号，那存储时间 就更短了，大约只有几秒钟。因此对视频的处理、传输、存 储和显示提出了更高的要求。
ITU-R601——数字演播室标准 4:2:2格式中色差信号的取样为亮度信号的一半。
2.视频的采集及数字化
数字视频的获取方法：
➢从现成的数字视频库中截取。 ➢利用计算机软件制作视频。利用计算机生成的动画， 如把flc或gif动画格式转换成avi等视频格式。 ➢把静态图像或图形文件序列组合成视频文件序列。 ➢通过视频采集设备获取数字视频。通过视频采集卡 把模拟视频转换成数字视频，并按数字视频文件的格 式保存下来。
图 隔行扫描方式
1.视频相关的基本概念
视频信号有模拟视频信号与数字视频信号之分。
模拟视频即指由连续的模拟信号组成视频图像，它的存储 介质是磁带或录像带；在编辑或转录过程中画面质量会降低。 数字视频是把模拟信号变为数字信号，它描绘的是图像中 的单个像素，可以直接存储在电脑硬盘中，因此在编辑过程 中可以最大限度地保证画面质量几乎没有损失。
① 模拟信号强调在时间上的连续性。 ② 模拟信号强调在幅值上的连续性。 ③计量和描述方式，一般采用十进制数。
1.视频相关的基本概念
但数字视频的数据量是非常惊人的，按照ITU-R601标 准4∶2∶2格式的PAL制数字化视频信号，每帧数据量为 720×576×8×2≈6.64Mbit，每秒数据量为 6.64×25≈165Mbit。
S-Video信号端子
S端子信号，它同时传送两路信号：亮度信号Y和色度信 号C。由于将亮度和色度分离，色度对亮度的串扰现象也消 失。其图象质量优于复合视频信号，但低于分量视频信号。
S端子用四芯插头，一些计算机显卡或非线性编辑卡也
有用七芯插头，其外形与S端子一样，只是又包含了复合视
频信号。
色度
亮度(含
1.视频信号的数字化 2.视频文件格式 3.视频压缩编码原理 4.视频压缩标准
学习目标
掌握视频数字化方法 了解视频文件格式 掌握视频压缩编码原理（预测编码、变换编
码、统计编码原理）
理解视频压缩标准（ MPEG标准 ）
3.1 视频信号的数字化
1.视频相关的基本概念
所谓视频（video frequency ），连续的图像变化每秒 超过24帧（frame）画面以上时，根据视觉暂留原理，人 眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的视觉效 果，这样连续的画面叫做视频。即视频是由一系列单独的 静止图像组成，其单位用帧或格来表示；
➢高性能计算机：接收和记录编码后的数字视频 数据。
➢大容量存储设备：存储经过编辑修改的数字视 频文件。
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
复合端口 色差分量接口 S-Video信号端子 IEEE1394接口
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
复合端口
也称AV 接口，通常都是成对的白色音频接口和黄色的 视频接口，常用接头有BNC接头和莲花(RCA)接头。传输的 是亮度/色度(Y/C) 混合在一起的视频信号。易导致亮、色串 扰、清晰度降低等问题，是最差的视频信号。
同步信号)
地(色度)
S-Video四芯插头（座）
地(亮度)
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
莲花接头
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 IEEE1394接口
IEEE1394是一种外部串行总线标准，800Mbps的 高速。1394接口具有把一个输入信息源传来的数据向 多个输出机器广播的功能，特别适用于家庭视听的连接。 由于该接口具有等时间的传送功能，确保视听AV设备 重播声音和图像数据质量，具有好的重播效果。
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 色差分量接口
分量视频信号(Component Video Signal)是指每个基色 分量作为独立的视频信号。一般用亮度-色差表示，如Y和Cr、 Cb，Y和I、Q，Y和U、V。使用分量视频信号是表示颜色的最 好方法。
分量信号接入口
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口
1.视频相关的基本概念
视频信息和信号特点：
(1) 直观性：给人印象更深刻、生动、具体。 (2) 确定性：“百闻不如一见”。 (3) 高效性：人眼是一个高度复杂的并行信息处理系
统，能并行快速地观察一幅图像的细节，因此它获取视 频信息的效率要比语音信息高得多。
(4) 广泛性：人类接受的信息，80%来自视觉。
wenku.baidu.com
2.视频的采集及数字化
视频图像的数字化
• 数字化方法 （1）先从复合彩色图像中分离出彩色分量，然后数字化。 （2）首先用一个高速A/D转换器对彩色全信号进行数字化, 然后在数字域中进行分离，以获得所希望的YCbCr，YUV，YIQ 或RGB分量数据。
2.视频的采集及数字化
2.视频的采集及数字化
数字视频的采集系统
➢视频源设备：录像机、电视机、影碟机等；
➢视频采集卡：对模拟视频信号进行采样、量化
和编码的设备；
2.视频的采集及数字化
视频采集卡的接口 视频采集卡的作用是将模拟摄像机、录像机等输出的模拟 视频信号输入电脑，并转换成电脑可辨别的数字化的视频数据 文件。 目前的视频采集卡是视频采集和压缩同步进行，并被压缩 成MPG格式文件。
人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂 的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，而能继续 保留其影像0.1-0.4秒左右，这种现象被称为视觉暂留现象。
1.视频相关的基本概念
帧：一帧是扫描获得的一幅完整图像的信号，是视 频图像的最小单位；“帧”在动画创作当中又
称 “格”。
帧率：就是每秒钟扫描多少帧。对于PAL制式电视 系统，帧率为25帧；而NTSC制式电视系 统，帧率为30帧。
场：视频的一个扫描过程。有逐行扫描和隔行扫 描，对于逐行扫描，一帧即是一个垂直扫描 场；对于隔行扫描，一帧由两场构成：奇数场 和偶数场，是用两个隔行扫描场表示一帧。
1.视频相关的基本概念
（1）逐行扫描
实线为行扫描的正程，左→右；
虚线
逆程，右→左。
图 逐行扫描方式
1.视频相关的基本概念
（2）隔行扫描
600Mbit的存储空间只能存储90帧的视频图像信号，或 者说可以存储大约3.6 s的数字电视节目。
如果存储更高分辨率的高清数字电视信号，那存储时间 就更短了，大约只有几秒钟。因此对视频的处理、传输、存 储和显示提出了更高的要求。
ITU-R601——数字演播室标准 4:2:2格式中色差信号的取样为亮度信号的一半。
2.视频的采集及数字化
数字视频的获取方法：
➢从现成的数字视频库中截取。 ➢利用计算机软件制作视频。利用计算机生成的动画， 如把flc或gif动画格式转换成avi等视频格式。 ➢把静态图像或图形文件序列组合成视频文件序列。 ➢通过视频采集设备获取数字视频。通过视频采集卡 把模拟视频转换成数字视频，并按数字视频文件的格 式保存下来。
图 隔行扫描方式
1.视频相关的基本概念
视频信号有模拟视频信号与数字视频信号之分。
模拟视频即指由连续的模拟信号组成视频图像，它的存储 介质是磁带或录像带；在编辑或转录过程中画面质量会降低。 数字视频是把模拟信号变为数字信号，它描绘的是图像中 的单个像素，可以直接存储在电脑硬盘中，因此在编辑过程 中可以最大限度地保证画面质量几乎没有损失。
① 模拟信号强调在时间上的连续性。 ② 模拟信号强调在幅值上的连续性。 ③计量和描述方式，一般采用十进制数。
1.视频相关的基本概念
但数字视频的数据量是非常惊人的，按照ITU-R601标 准4∶2∶2格式的PAL制数字化视频信号，每帧数据量为 720×576×8×2≈6.64Mbit，每秒数据量为 6.64×25≈165Mbit。
S-Video信号端子
S端子信号，它同时传送两路信号：亮度信号Y和色度信 号C。由于将亮度和色度分离，色度对亮度的串扰现象也消 失。其图象质量优于复合视频信号，但低于分量视频信号。
S端子用四芯插头，一些计算机显卡或非线性编辑卡也
有用七芯插头，其外形与S端子一样，只是又包含了复合视
频信号。
色度
亮度(含