动态影像和动态图形处理

1、第四讲 动态图像技术基础4.1什么是动态图像？1.动态图像动态图像是由一组在时间轴上不断变化的若干帧的静态图像组成的序列。动态图像可分为两类：视频和动画。若每一帧画面是实时获取的自然景物的真实图像则称为视频；而每一帧画面是由计算机或人工制作的具有真实感的图形则称为动画。2.视觉原理动态图像的实现是建立在视觉暂留的基础之上的。视觉暂留是指人在观察物体之后物体的映像在人眼的视网膜上保留一个短暂时间（0.1秒）的一种生物现象。当以足够快的速度连续地、每次略微改变物体的位置和形状，人眼的视觉暂留效应则感觉到物体在连续运动。若按一定顺序排列的一系列静态画面以一定速度连续播放时，人眼则将感受到连续的动态效果。例如，电影是以24帧/秒的速率放映，且采用遮挡板遮挡24次/秒来实现克服视觉暂留，从而使人看到连续流畅且无闪烁的画面。3.动态图像的特点：(1)连续性：在时间轴上以帧为运动单位，属于离散型媒体类。动态图像比静态图像表示的范围广、表现力强。(2)时延性：动态图像数据量大，必须被压缩后才能在计算机中应用。计算机的容量和速度直接影响图像质量。(3)相关性：帧之间的关联是动态图像连续动作形成的基础。也

2、是进行压缩和其他处理的条件，动态图像对错误的敏感性较低。4.动态图像信息处理动态图像信息处理包括：图形动画、数字图像处理以及视频、动画压缩等相关技术。常用的有代表性的动态图像软件有Premiere、GIF Animator、Flash和3DS等。 4.2什么是视频信号？1.视频信号视频信号是指连续地随时间变化的一组25帧/s或30帧/s的图像序列，也称电视信号。伴随着视频图像还有一个或多个音频轨迹以提供电视伴音。视频是多媒体的一种重要媒体，常见的视频信号有：电影、电视、VCD以及DVD等。目前传播的电视信号是模拟信号，模拟视频与数字视频的不同之处仅在于不具备交互性。视频信号的数字化，并对数字视频进行采集、处理、传播和存储是多媒体的一种重要技术。2.电视制式根据帧频（场频）、分解率、信号宽度以及彩色空间转换关系的不同，现行电视制式有三种：(1)NTSC制式：采用正交平衡调幅制。适用于美国、加拿大、日本、韩国、菲律宾及台湾等。(2)PAL制式：逐行倒相正交平衡调幅制，其克服了NTSC制相位敏感造成的色彩失真的缺点。适用于德国、英国等西欧、新加坡、香港、新西兰及中国等。根据参数不同，PAL又

3、分为G、I、D等制式，中国大陆为PAL-D制。(3)SECAM制式：顺序传送与存储恢复彩色信号制，也克服了色彩失真的缺点。采用了时间分隔法来传送两个色差信号。适用于法国、东欧及中东等。3.黑白电视信号（P64） 电视摄像机把一幅图像信号转变成最后的输出信号，其包括图像视频信号、复合消隐信号和复合同步信号，这些信号加在一起称为全电视信号。 以PAL制为例：25帧/s；每帧为625行，一帧分两场扫描。帧频为25Hz（周期为40ms），场频为50Hz（周期为20ms）；行频率为15626Hz（周期为64s）。每行周期中图像占 52.2s，行逆程消隐占11.8s。 电视信号的标称带宽为6MHz，伴音载频为 6.5MHz。（P65） 4.彩色电视信号 黑白电视只传送一个反映景物的亮度信号即可，而彩色电视则除了传送亮度信号外还要传送色度信号。在彩色电视系统中，通常采用YUV和YIQ彩色空间。其中，Y为亮度信号，必须与黑白电视信号兼容；色差信号U、V用副载波频率sc调制到亮度Y上形成彩色全电视信号。（P6566）5.电视机接收基本原理 电视机从有线或无线接收到微弱的射频电视信号（RF In）后，通过

4、调谐器进行解调，经放大、混频和检波，滤掉高频载波分量，得到PAL、NTSC或SECAM制式的复合全电视信号。从全电视信号中分离出音频和视频信号。音频信号经音频电路处理后送扬声器输出；视频信号（Video In）经视频放大，并将亮度和色度信号分离，得到YC分量信号（S-Video）。最后，将YC信号经转换电路转换成YUV，进而转换成RGB分量信号送显像管显示。6.视频文件格式(1)AVI：Microsoft公司推出的一种以.AVI为后缀的数字视频文件格式。该文件将视频和音频以交叉方式存储，压缩比较高，读取音像信息流畅，易于再编辑和处理，且独立于硬件设备。AVI文件包含3部分：文件头（文件的通用信息、定义数据格式及所用的压缩算法等）；数据块（文件容量的主要部分）；索引块（数据列表及其在文件中的位置等）。可根据要求将该格式的图像分辨率从全屏的640*480调到1/2（320*240）或1/4（160*120）。该文件的容量等于该文件的数据率乘以视频播放的时间。各种多媒体制作软件，如Authorware等都支持该格式。该格式是目前开发多媒体演示节目的主流，主要用于保存电影、电视等各种影像信息，

5、多用于多媒体光盘。(2)MPEG：基于MPEG(Moving Pictures Expert Group)组织所制定的以.MPEG,.MPG为后缀的动态影像存储标准文件格式。该文件格式压缩比高，可以全画面、全动态、音质的模式混合存储视频、音频、文本以及图形数据等。实际上，VCD就是用CD-ROM来记录MPEG-1的数字视频记录的特殊光盘，其最大压缩比可达到1：200，并具有VHS的显示质量和CD-DA高保真立体伴音效果。而DVD则采用的MPEG-2的标准，也是高清晰电视和数字广播电视的基本标准。(3)MOV：Apple（苹果）公司创建的一种以.MOV为后缀的数字视频文件格式。原先只用于MAC机，后来推出了Quick Time for Windows版本，因此支持Quick Time所支持的文件格式。Quick Time能够通过Internet提供实时的数字化信息流、工作流以及文件回放功能。(4)ASF：Microsoft公司推出的一种以.ASF为后缀的高级流媒体视频文件格式。是目前在Internet上实时传播多媒体应用标准。该文件格式的主要优点是：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件

6、下载以及扩展性等。该格式采用MPEG-4标准，压缩比高，质量好。主要应用在NetShow服务器和NetShow播放器上，由独立的编码器将媒体信息编译成ASF流，然后发送到NetShow服务器，再由NetShow服务器将ASF流发送到网络上所有的NetShow播放器上，从而实现单路或多路广播。(5)WMV：Microsoft公司推出的一种以.WMV为后缀的独立于编码方式的在Internet上实时传播多媒体应用标准的高级流媒体视频文件格式，其目的是取代WAV、AVI文件格式以及Quick Time之类的技术标准。该文件格式的主要优点是：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件下载、可伸缩的媒体类型、流的优先级化、多语言支持、环境独立性、丰富的流间关系以及扩展性等，压缩比高，质量好。(6)RM (Real Video)： Real Netwrks公司推出的一种以.RM为后缀的采用压缩技术和流式播放技术而形成的流式视频文件，也是目前Internet上最流行的跨平台的C/S结构多媒体应用标准。其压缩比高，适用于网络电影电视的应用等。自从Real Encoder5.0问世后，视频RM与音频RA统称为

7、RM文件。4.3视频信号的彩色空间？1.显示器RGB彩色空间 RGB彩色空间适合彩色显示器和彩色显象管。在多媒体系统中不论采用何种形式的彩色空间，最后要通过显示器或显现管输出，因此都应转换成相应的RGB彩色空间表示。根据三色原理，人们可对色彩进行计算和量度。实际应用中要进行光电转换，用基色光单位来表示光的量度。在RGB彩色空间任意彩色光F的配色方程为：F=rR+gG+bB其中，r，g，b为三基色系数，rR，gG，bB为F色光的三基色的分量。任意一种色光的色度，均可由相对色系数中的任意两个唯一确定。若用r，g，b作为坐标，则得到下面的RGB色度图。（P62） 2.视频信号彩色空间（P6364） 在彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD摄像机，将拍摄到的彩色图像信号进行分色，并分别放大校正后得到RGB，再经矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y，最后由发送端将亮度和色差3个信号分别进行编码，用同一个信道发送出去。这就产生了YUV彩色空间（PAL制）和YIQ彩色空间（NTSC制）。 采用色彩空间的重要性在于亮度信号Y和色差信号U（R-Y）、V（B-Y）的分离。若只

8、有Y分量而没有U、V分量，则表示的图像为黑白灰度图，从而解决彩色电视与黑白电视兼容问题。此外，用亮度信号Y传送细节，而色差信号进行大面积着色，可降低彩色图像的存储容量。I、Q与V、U的关系为：（P6263） I=Vcos330 - Usin330 Q=Vsin330 + Ucos330 3.彩色空间的转换(1)亮度方程：人眼对相同程度的单色光的主观亮度感觉不同：若把三基色混合后所得色光亮度定为100%，则人的主观感觉的绿光仅次于白光，是三基色中最亮的；其次为红光，亮度约为绿光的一半；蓝光最弱，其亮度仅占红光的三分之一。因此，根据NTSC制式标准，当白光的亮度用Y表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系由亮度公式表示： Y=0.3R+0.59G+0.11B 该式表明：由各基色组成的亮度Y的比例是恒定的，即比例系数之和为1。(2)YUV彩色空间与RGB彩色空间的转换关系（PAL制）为：(P63)(3)YIQ彩色空间与RGB彩色空间的转换关系（NTSC制）为： 在多媒体计算机系统中涉及到多种彩色空间。彩色空间的表示及其转换，是多媒体计算机彩色图形、彩色图像以及动态图像处理的算法基础。4.5如何将视

9、频信号数字化？1.视频数字化方法(1)复合数字化用高速A/D转换器对全彩色电视信号进行数字化，然后在数字域中分离亮度和色度，以获得YUV分量或YIQ(PAL、SECAM制)或YIQ（NTSC制）分量，最后转换成RGB分量。 (2)分量数字化先将复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后在再3个A/D转换器分别对三个分量分别进行数字化，最后转换成RGB分量。模拟视频信号预处理采 样PCM编码量 化Y，U，V数字视频信号2.数字视频的采样格式数字化时，采用附色采样法，即对色差信号分量的采样率低于亮度分量的采样率。若用Y:U:V分别表示YUV三个分量的采样比例，则数字视频采样格式有下列三种：(1)Y:U:V=4:1:1：在每4个连续采样点上取4个亮度Y的值，而色差则分别取第1个点的样本值，共6个样本。显然这种方式的采样比例与全电视信号中的亮度、色度的带宽比例相同，数据量较小。(2)Y:U:V=4:2:2：在每4个连续采样点上取4个亮度Y的值，而色差则分别取第1个点和第3个的样本值，共8个样本。这种方式能给信号的转换留有一定的余量，效果更好，这是通常采样的方式。(3)Y:U:V=4:4:4：在每4个连续采样点上，亮度Y、色差U、V各取1个样本值，共12个样本。显然这种方式具有较高质量的信号源，可保证色彩质量，但信息量大。3.DV数字视频格式 DV是一种数字视频格式。其视频采用4：2：0采样格式、8bit量化，采样DCT帧内压缩算法后的图像质量较Motion-JP

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