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第四章 数字视频及编辑许昌网站建设.doc
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第四章 数字视频及编辑许昌网站建设
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数字媒体技术导论
华中师范大学
清华大学出版社
第四章 数字视频及编辑
4.1 电影与电视
4.2 电视图像数字化
4.3 数字视频的获取
4.4 数字视频编辑技术
4.5 数字视频后期特效处理技术
4.6 数字视频技术的应用
第四章 数字视频及编辑
本章学习目标:
(1)了解电影的放映原理。
(2)掌握几种主要的电视制式,并能分析它们之间的不同。
(3)掌握主要的数字视频获取设备基本操作和获取数字视频文件的方法。
(4)了解一种视频编辑软件的核心概念及基本操作。
(5)了解数字视频的基本编辑和特效处理技术,并熟悉一种后期特效处理软件。
第四章 数字视频及编辑
4.1 电影与电视
4.1.1 电影原理及历史
4.1.2 电视工作原理
4.1.3 电视制式简介
4.1.4 视频信号类型
4.1 电影与电视
4.1 电影与电视
在当前的媒体形式中,最受人追捧的、最能长时间吸引眼球的莫过于视频。无论是在电视机
上看到的电视节目,还是在电影屏幕上看到的电影大片,以及在计算机上看到的动态图像,
都属于视频范畴。
4.1.1 电影原理及历史
电影从诞生到现在,已经走过了一百年的历程。现代社会的飞跃式发展,使得电影的变化非
常迅速。最早拍摄的电影如法国的《工厂的大门》、美国的《梅.欧文和约翰·顿斯的接吻》、
德国的《柏林风光》,以及稍后的叙事片,如梅里爱的《月球旅行记》、鲍特的《火车大劫案》
等,与当代电影相比,如《星球大战》、《大白鲨》、《终结者》、《侏罗纪公园》、《辛德勒名单》
等,技术和手段等都不可同日而语。后者拍摄的技术、技巧和方法,以及所蕴含的文化氛围
和内涵,都大大超过了前者。电影以一种神奇的方式紧密地联系着人们的生活。
4.1.1.1 电影的放映原理和拍摄
电影是人类史上的重要发明,它借助了照相化学、光学、机械学、电子学等多门学科的知识
和原理。如果大家见过电影胶片的话,那么应该知道,电影胶片上的影像都是一格格的静止
图像,而为什么人们能够在电影屏幕上看到连续、活动的图像呢?这其实就涉及到了电影的
放映原理。
4.1.1.1 电影的放映原理和拍摄
(1)电影的放映原理
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人们之所以能够看到电影屏幕上的活动影像,其中最大的原因在于人眼的自我欺骗。人眼有
一个非常有趣的视觉特性——能够把看到的影像在视网膜上保留一段时间,这种特性称为视
觉暂留。科学实验证明,人眼在某个视像消失后,仍可使该物像在视网膜上滞留 0.1-0.4 秒
左右。而在电影放映的过程中,电影胶片以每秒 24 格画面匀速转动,这就相当于每一格画
面给人眼的刺激是 1/24 秒(相当于 0.04),由于人的眼睛有视觉暂留的特性,一个画面的印
象还没有消失,下一个稍微有一点差别的画面又出现在银幕上,连续不断的印象衔接起来,
就组成了活动电影。
4.1.1.1 电影的放映原理和拍摄
(2)电影的拍摄
利用电影摄影机就可以将现实生活中的活动影像记录在影像胶片上,它类似于照相机,但不
同的是它可以连续不断的拍摄,1 秒钟之内可以拍摄很多张照片。在拍摄的过程中,每秒钟
的拍摄格数(照片的张数)是可以控制的。例如按照有声电影的标准,每秒钟应拍摄 24 格
影像。与人们所看到活动影像和真实生活中的影像完全一样。如果每秒钟拍摄大于 24 格或
小于 24 格的电影镜头,如早期无声电影为 16 幅/秒,而仍按照正常 24 格每秒去播放,那么
就成了快镜头或慢镜头。画面中的运动速度与人眼看到的速度会有所不同。
4.1.1.1 电影的放映原理和拍摄
电影的拍摄是以电影胶片(条状感光胶片)为载体,借助透镜组(物镜)的光学成像,并根
据视觉的生理与心理特性,以 24 幅/秒摄取被摄对象的一系列姿态渐次变化而活动连贯的静
止画面的过程。
4.1.2 电视工作原理
4.1.2 电视工作原理
电视是根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物(或图像)的技术。在发送
端,用电视摄象机把景物(或图像)转变成相应的电信号,电信号通过一定的途径传输到接
收端,再由显示设备显示出原景物(或图像)。
4.1.2.1 电视的工作过程
电视图像的传送在发送端是基于光电转换器件,在接收端是基于电光转换器件。实现这两种
转换的器件分别是摄像管和显像管。摄像管阴极发射出来的电子束,在电子枪的电场及偏转
线圈的磁场力作用下,按从左到右、从上到下的顺序依次轰击荧光屏。屏幕内表面上涂的荧
光粉在电子轰击下发光,其发光亮度正比于电子束所携带的能量,若将摄像端送来的信号加
到显像管电子枪的阴极与栅极之间,就可以控制电子束携带的能量,使荧光屏的发光强度受
图像信号的控制。若显像管的电—光转换是线形的,那么,屏幕上重现的图像时,其各像素
的亮度基本正比于所摄图像相应各像素的亮度,屏幕上就会重现原图像。
4.1.2.2 扫描的机制
电视图像的摄取与重现实质上是一种光电转换过程,分别是由摄像管和显像管来完成的。在
发送端将平面图像分解成若干像素以电子束的形式顺序传送出去,在接收端再将这种信号复
合成完整的图像,这种图像的分解与复合是靠扫描来完成的。
扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和非隔行扫描之分如图 4-2 所示。非隔行扫描也称逐行
扫描,图中表示了这两种扫描方式的差别。黑白电视和彩色电视一般用隔行扫描,而计算机
显示图像时一般采用非隔行扫描。
4.1.2.2 扫描的机制
在非隔行扫描中,电子束从显示屏的左上角一行接一行地扫到右下角,在显示屏上扫一遍就
显示一幅完整的图像。
在隔行扫描中,电子束扫完第 1 行后回到第 3 行开始的位置接着扫,然后在第 5、7、……,
行上扫,直到最后一行。奇数行扫完后接着扫偶数行,这样就完成了一帧(frame)的扫描。
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由此可以看到,隔行扫描的一帧图像由两部分组成:一部分是由奇数行组成,称奇数场,另
一部分是由偶数行组成,称为偶数场,两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中,无论是摄
像机还是显示器,获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。在隔行扫描
中、扫描的行数必须是奇数。
4.1.3 电视制式简介
目前世界上现行的彩色电视制式有三种:NTSC 制、PAL 制和 SECAM 制。
NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是 1952 年美国国家电视标准委员
会定义的彩色电视广播标准,称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家,以
及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式;德国(当时的西德)于 1962 年制定
了 PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准,称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、
英国等一些西欧国家,以及中国、朝鲜等国家采用这种制式;法国制定了 SECAM (法文:
Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准,称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏
联及东欧国家采用这种制式。世界上约有 65 个地区和国家试验这种制式。
4.1.3 电视制式简介
上面提到的 NTSC 制、PAL 制和 SECAM 制都是兼容制制式。这里说的“兼容”有两层意
思:一是指黑白电视机能接收彩色电视广播,显示的是黑白图像,另一层意思是彩色电视机
能接收黑白电视广播,显示的也是黑白图像,这叫逆兼容性。为了既能实现兼容性而又要有
彩色特性,彩色电视系统应满足下列几方面的要求:
①必须采用与黑白电视相同的一些基本参数,如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信
号、图像载频、伴音载频等等。
4.1.3 电视制式简介
②需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号,以及代表色度的两个色差信号,并
将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端,彩色电视机将彩色全电视信号重新
转换成三个基色信号,在显像管上重现发送端的彩色图像。
各制式的区别主要就是规定的扫描频率、周期等特性的不同,下面来具体看看这三种制式的
主要特性。
4.1.3 电视制式简介
(1)倒相正交平衡调幅制 PAL 制式的主要特性
① 625 行(扫描线)/帧,25 帧/秒(40 ms/帧)
② 高宽比(aspect ratio):4:3
③ 隔行扫描,2 场/帧,312.5 行/场
④ 颜色模型:YUV
4.1.3 电视制式简介
一帧图像的总行数为 625,分两场扫描。行扫描频率是 15,625 Hz,周期为 64μs;场扫描频
率是 50Hz,周期为 20ms;帧频是 25Hz,是场频的一半,周期为 40 ms。在发送电视信号时,
每一行中传送图像的时间是 52.2μs,其余的 11.8μs 不传送图像,是行扫描的逆程时间,同
时用作行同步及消隐用。每一场的扫描行数为 625/2=312.5 行,其中 25 行作场回扫,不传
送图像,传送图像的行数每场只有 287.5 行,因此每帧只有 575 行有图像显示。
4.1.3 电视制式简介
(2)NTSC 制式的主要特性
① 525 行/帧, 30 帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame)
② 高宽比:电视画面的长宽比(电视为 4:3;电影为 3:2;高清晰度电视为 16:9)
③ 隔行扫描,一帧分成 2 场(field),262.5 线/场
④ 在每场的开始部分保留 20 扫描线作为控制信息,因此只有 485 条线的可视数据。Laser
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disc 约~420 线,S-VHS 约~320 线
4.1.3 电视制式简介
⑤ 每行 63.5 微秒,水平回扫时间 10 微秒(包含 5 微秒的水平同步脉冲),所以显示时间是
53.5 微秒。
⑥ 颜色模型:YIQ
一帧图像的总行数为 525 行,分两场扫描。行扫描频率为 15 750 Hz, 周期为 63.5μs;场
扫描频率是 60 Hz,周期为 16.67 ms;帧频是 30 Hz,周期 33.33 ms。每一场的扫描行数为
525/2=262.5 行。除了两场的场回扫外,实际传送图像的行数为 480 行。
4.1.3 电视制式简介
(3)SECAM 制式的主要特性
SECAM (法文:Sequential Coleur Avec Memoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播标准,
称为顺序传送彩色与存储制。这种制式与 PAL 制类似,其差别是 SECAM 中的色度信号是
频率调制(FM),而且它的两个色差信号:红色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序传
输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有 65 个地区和国家使用这种制式,图像格式为 4:3,
625 线,50 Hz,6 MHz 电视信号带宽,总带宽 8MHz。
4.1.4 视频信号类型
彩色视频信号包括三种:复合视频信号、分量视频信号和 S 端子视频信号。
(1) 复合视频信号
复合视频信号是将亮度信号和色度信号采用频谱间置方法复合在一起。这种方法易导致亮色
串扰、清晰度降低等问题。如图 4-3 是复合电视信号的基本接口。复合电视信号接口的基本
特性:
①传输介质:单根带屏蔽的同轴电缆
②传输阻抗:75Ω
4.1.4 视频信号类型
③常用接头:BNC 接头、莲花(RCA)接头
④接线标准:插针是同轴信号线,外壳公共地是屏蔽网线
图 4-3 复合视频信号常用接线头和标准
4.1.4 视频信号类型
复合视频信号是日常生活中最为常见的视频信号,它在一个传输信号中包含了亮度、色度和
同步信号。由于彩色编码的不同,复合视频又有 PAL、NTSC、SECAM 制式之分。复合视
频信号本身的带宽只有 5MHz(NTSC 制式带宽仅 4.5MHz),又包括彩色副载波信号(NTSC
制为 3.58MHz,PAL 和 SECAM 制为 4.43MHz),正好落在亮度信号带宽之内,占去了一部
分亮度信号,造成亮度和色度的相互干扰,使得复合视频成为最差的视频信号。
4.1.4 视频信号类型
(2)分量视频信号
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。每个基色既
可以分别用 R、G 和 B 表示,也可以用亮度-色差表示,如 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,但需要比较宽的带宽和同步信号。
图 4-4 分量信号接入口
4.1.4 视频信号类型
(3)S-Video 信号(S 端子视频信号)
S 端子视频信号俗称 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,所以图象质量优于复合视频信号,色度对亮度的串扰现象也消失。不须要
使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号,这样可提高亮度信号的带宽。由于 S 视频信
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