视频信号的采集与存储

引言
    数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天，数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。  数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信息处理的流程是：模拟信息→数字化→压缩编码→存储或传输→解码再现。其中，压缩编码是一个关键环节。数字化的图像和声音信号数据是非常庞大的，例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色图像(24 bit／像素)的数据量约为7．37 Mbit／帧，如果是运动图像．以每秒30帧或者25帧的速度播放时，则视频信号传输速率为220 Mbit／s；如果把这种信号存放在650MB的光盘中，一张光盘只能播放20多秒钟。所以，必须对数字化信息进行压缩．用尽可能少的数据来表达信息，节省传输和存储的开销。

1 视频模型
    数字视频就是先用摄像机之类的视频捕捉设备，将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号，再记录到储存介质(如录像带)。播放时，视频信号被转变为帧信息。并以每秒约30帧的速度投影到显示器上．使人类的眼睛认为它是连续不问断地运动着的。电影播放的帧率大约是每秒24帧。如果用示波器(一种测试工具)来观看，未投影的模拟电信号看起来就像脑电波的扫描图像，由一些连续锯齿状的山峰和山谷组成。
    中国和欧洲采用的是PAL制(逐行倒相制)，美国和日本采用的NTSC制，PAL信号有25 fb／s的帧率，NTSC制信号有30 fb／s的帧率。视频信号在质量上可区分为复合视频(Composite)，S-Vide，YUV和数字(Digital)4个级别。复合视频，VHS，VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信号复合到一个信号中，当把复合信号分离时．滤波器会降低图像的清晰度，亮度滤波时的带宽是有限的，否则就会无法分离亮度和色差，这样亮度的分离受到限制，对色差来讲也是如此。因此复合信号的质量比较一般，但他的硬件成本较低，目前普遍用于家用录像机。S-Vide，S-VHS，S-VHS-C和Hi8都是利用2个信号表现视频信号，即利用Y表现亮度同步，C信号是编码后的色差信号，现在很多家用电器(电视机，VCD，SHVCD，DVD)上的S端子，是在信号的传输中，采用了Y／C独立传输的技术，避免滤波带来的信号损失。因此图像质量较好。YUV视频信号是3个信号Y，U，V组成的，Y是亮度和同步信号．U，V是色差信号，由于无需滤波、编码和解码，因而图像质量极好，主要应用于专业视频领域。数字及同步信号利用4个信号：红、绿、蓝及同步信号加于电视机的显像管，因此图像质量很高。还有一种信号叫射频信号，他取自复合视频信号．经过调制到VHF或UHF，这种信号可长距离发送。现在电视台就采用这种方式，通过使用不同的发射频率同时发送多套电视节目。

2 数字化视频采集
    NTSC和PAL视频信号是模拟信号，但计算机是以数字方式显示信息的，因此NTSC和PAL信号在能被汁算机使用之前，必须被数字化(或采样)。
    模拟视频信号携带了由电磁信号变化而建立的图像信息．可用电压值的不同来表示，比如黑自信号，O V表示黑．O．7 V表示白，其他灰度介于两者之间。
    数字视频信号是通过把视频帧的每个象素表现为不连续的颜色值来传送图像资料，并且由计算机使用二进制数据格式来传送和储存象素值．也就是对模拟信号进行A／D转换后得到的数字化视频信号。
    数字视频信号的优点很多：
    (1)数字视频信号没有噪声，用0和1表示，不会产生混淆，而模拟信号要求屏蔽以减少噪声。
    (2)数字视频信号可利用大规模集成电路或微处理器进行各类运算处理，而模拟信号只能简单地对亮度、对比度和颜色等进行调整。
    (3)数字视频信号可以长距离传输而不产生损失，可以通过网络线、光纤等介质传输，很方便地实现资源共享，而模拟信号在传输过程中会产生信号损失。

一个视频图形适配器(通常叫做抓帧器或视频采集卡)经常被用来数字化视频模拟信号，并将之转换为计算机图形信号。视频信号的数字记录需要大量的磁盘空间，例如，一幅640×480中分辨率的彩色图像(24 b／pixel)，其数据量约为O．92 Mb／s，如果存放在650 MB的光盘中，在不考虑音频信号的情况下，每张光盘也只能播放24 s，使用如此巨大的磁盘空间存储数字视频，是大多数计算机用户所无法接受的。在这种情况下，将视频带到计算机上，以有效的帧率播放存储信息，是使用计算机处理视频能力的最大障碍，鉴于此种情况，我们采用数据压缩系统和帧尺寸、色彩深度和图像精度折衷的办法，对视频数据进行压缩，以节省磁盘存储空间．数字化视频采集技术也就变成了现实。
    数字化视频的过程．通常被叫做数字化视频采集。模拟信号到数字信号的转换中通常用8 bit来表示．对于专业或广播级的信号转换等级会更高。对于彩色信号，无论是RGB还是YUV方式，只需用24 bit来表示。因此采样频率的高低是决定数字化视频图像质量的重要指标。
    视频采集中计算机的处理设备通常有3种类型，即帧采集卡、动态图像连续采集卡、电视节目接受卡。帧采集卡的工作原理是把偶合视频信号解码成RGB或YUV，RGB或YUV信号经过A／D转换后进入帧存体，帧存体内的数据根据同步信号不断被刷新。帧存体内的数据需要保存时，计算机给出控制信号，帧存体数据不再被刷新．这时计算机可以读出帧存体数据传送到计算机内存或存放到硬盘中。由于视频信号是隔行扫描．在数字化过程中每帧图像分成两场，每场的分辨率是228行，因此高速运动的图像采集后有抖动的感觉，要解决这一问题可以只采集一场或缩短快门时间。采集连续图像到计算机中是比较困难的，因为单一帧静止图像的数据量已经很大，而动态图像是25帧／s～30帧／s，模拟的视频图像数字化后所得到的数据量巨大，使传输、存储和处理很困难。解决这一问题的办法一般有3种：
    (1)利用局部数据总线，提高数据传输速度；
    (2)大大降低分辨率；
    (3)采用压缩编码。

3 视频压缩
    对视频图像进行压缩编码，是目前最流行的方法。1980年以来，国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)等陆续完成了各种数据压缩标准和建议．如面向静止图像压缩的JPEG标准，在运动图像方面用于视频会汉的H.261标准、用于可视电话的H.263标准、用于VCD的MlPEG1标准、用于广播电视和DVD的MPEG2标准以及最新的采用基于对象的编码理念的MPEG4标准等。MPEG是运动图像专家组的英文首字母缩写。该专家组成立于1988年，致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。
    MPEG1于1993年成为国际标准，它是对1．5 Mbit／s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准，适用于CD—ROM、VCD、CD-I(交互式CD)等。
    它可对SIF(标准交换格式)分辨率(NTSC制式为352×240；PAl，制式为352×288)的图像进行压缩，传输速率为L 5 Mbit／s，每秒播放30帧．具有CD音质，图像质量基本与VHS家用录像机相当。MPEGl也被用于数字通信网络上的视频传输，如基于ADSI。(非对称数字用户线路)的视频点播(VOD)、远程教育等。
    MPEG2于1995年成为国际标准，其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG2所能提供的传输率在3Mbit／s～10 Mbit／s之间，在NTSC制式下的分辨率可达720×486．可提供广播级的图像质量和CD级的音质，适用于数字电视广播(DVB)、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。目前，MPEG2已得到广泛应用．如美国、欧洲在DVD和数字电视广播方面都采用MPEG2压缩技术。
    MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准，但由于MPEG2的出色性能表现，已能适用于HDTV，使得MPEG3还没出世就被抛弃了。
    MPEG4于1999年初正式成为国际标准。MPEG4是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEGl和MFPEG2相比，MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。在视频编码方面，MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。在音频编码，MPEG4是在一组编码工具支持下，对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码的。MPEG4音频编码不仅支持自然声音，而且支持合成声音。
    MPEG4的重要特点包括：(1)基于内容的普遍性。MPEG4能够直接选取音频、视频内容进行编码，并对其灵活地进行控制和显示，用户可以自行选择场景中的物体的解码质量，进行家庭影视节目制作和编辑。(2)以AV为对象．增强了交互性和扩展性，从而提高了交互应用的灵活性。(3)将各种功能应用在自然的和合成的AV对象上．增强了节目编辑制作能力。(4)MPEG4在误码环境中．尤其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性，有利于节目制作、分配和显示。

4 结束语
    视频信号被采集到计算机后，就可进入编辑制作阶段，由于硬盘录像机、数字摄像机、非线性编辑系统等数字产品的快速发展，将视频制作带人全面数字化时代，视频的网络化传输和直接播出技术已成为现实。