第 6 章动画、视频数据技术

第 6 章 动画、视频数据技术学习目标了解模拟视频信号的特点及数字化的基本方法; 理解数字电视的基本原理；掌握数字视频的格式。

计算机动画和视频源自于静态的图类，将静态的图转变动态画的关键是画的量变和形变。只要将一系列形态差异的画，在人眼中按序经过时，人脑中就会产生动态的感觉。所以动画和视频的创建也必须要考虑符合人类的视觉基本特征和视觉心理特性。纯动画和视频作品一般还需要考虑其他媒体元素的加盟，由此带来的问题是如何实现多媒体之间的巧妙配合和超大数据量的存取。而如何显示动画数据，则取决于显示技术，目前的显示方式主要是模拟视频和数字视频。计算机动画和视频源自于静态的图类，将静态的图转变动态画的关键是画的量变和形变。只要将一系列形态差异的画，在人眼中按序经过时，人脑中就会产生动态的感觉。所以动画和视频的创建也必须要考虑符合人类的视觉基本特征和视觉心理特性。纯动画和视频作品一般还需要考虑其他媒体元素的加盟，由此带来的问题是如何实现多媒体之间的巧妙配合和超大数据量的存取。而如何显示动画数据，则取决于显示技术，目前的显示方式主要是模拟视频和数字视频。

6.1 动画基础 什么是动画？动画大师诺曼.麦克拉伦（Norman Mclaren）解释说，动画不是“会动的画”的艺术，而是“画出来的运动”的艺术。 6.1.1 动画原理动画是由一系列静态画面，快速按序显示而成。人眼看到的任何物体，即使它马上消失了，它仍然在人的视觉中会停留约1/24秒钟，这就是人眼所产生的视觉暂留现象，如果当一幅画还没有完全在视觉中消失前就立即播放出下一幅画，两幅画就自然联系起来，就会给人一种流畅的视觉变化效果，人脑中产生的便是物体在动态。因此，电影标准中规定了每秒24幀画面的播放速度，其原因也就显而易见了。

就动画的画面来讲，所表现的动作并非真实的，而是凭想象设计出来的。从动画的制作来讲，动画画面是逐幅绘制的，动画影像也是用电影胶片或像带以逐幅记录的方式制作的。就动画的画面来讲，所表现的动作并非真实的，而是凭想象设计出来的。从动画的制作来讲，动画画面是逐幅绘制的，动画影像也是用电影胶片或像带以逐幅记录的方式制作的。在动画的制作过程中，重要的是不仅要设计好每张画面，同时要考虑物体运动的各种因素，包括物体运动的轨迹、方向，以及所需的时间。为了显示物体连续变化的效果，要求上一幅画面和下一幅画面之间的形态变化不能太大。传统的模拟动画的制作需要一个完整的制作班子，包括原作、脚本、总监督、作画监督、美术监督、摄影监督、音响监督、演出、人物设定、机械设定、设计稿、原画、作监、背景、动画、动检、色指定、描上、总校、拍摄、编集和配音。而数字动画的制作在时间和质量上都是令人称道的。通过计算机的各种多媒体软件可方便且快速地完成角色的创建，然后利用动画编辑软件实现动画脚本的制作。

6.1.2 动画类型 动画有许多种类，可从不同的角度将其分类。按动画制作技术和手段可分为手工绘制和计算机动画。按照计算机动画实现的方式可分为帧动画和造型动画。按动作的表现形式可分为“完善动画”和简化的“局限动画”。按空间视觉效果可分为二维动画和三维动画。按播放进行方式可分为顺序动画和交互动画。本节主要讨论计算机实现方法和空间视觉效果。

帧动画和造型动画 帧动画（Frame）由图形或画像序列构成，序列中的每幅静态图像称为一个“帧”。帧动画可以分为逐帧动画和补间动画。在逐帧动画中，每一个帧上都有可编辑的角色对象，设计者可以分别进行修改。而在补间动画中，只需要设计者在一个表演时间段的两端分别给出两个角色对象，表示运动物体的初始和终结状态画面，动画制作软件就可通过一定的算法计算并生成自然、平滑的中间帧，从而产生细腻的动画效果。

造型动画（Object）也被称为对象动画。造型就是利用三维软件创造三维形体。建立复杂的形体有三种造型技术：造型动画（Object）也被称为对象动画。造型就是利用三维软件创造三维形体。建立复杂的形体有三种造型技术： 1 组合技术：先要绘出基本的几何形体，再将它们变成需要的形状，然后通过不同的方法将它们组合在一起。 2 拓展技术：先创造出二维轮廓，再将其拓展到三维空间。 3 放样技术：先创造出一系列二维轮廓，用来定义形体的骨架，再将几何表面附于其上，从而建立立体图形。制作造型动画时，首先要分别对动画中的每个对象进行特征设计，然后再由这些具有个性化的对象组成完整的动画画面。经过特征设计的对象，必须按照一定的要求经过实时转换后才能形成连续的动画。在电影特技中，为了得到比较真实的感觉，虚拟角色的造型可以通过基于物理的动画，例如真实演员可以身带与计算机相连的传感设备（如传感衣、传感手套等）去完成一系列动作，这些动作通过计算机软件接收后就可作为虚拟角色的动作造型。因此，完成动画至少绘图、造型、动画三个步步骤，动画就是使各种造型运动起来，制作人员所要做的是定义关键帧或对象造型，动画的中间态交给计算机去计算完成。

二维动画和三维动画 二维动画2D的图像设计只局限于平面，缺乏立体感，对诸如光、影、景深、景浅要求不高，所以制作也比较简单。三维动画3D的图像设计强调空间概念，配上真实色彩和3D虚拟环境，动画效果将显得相当逼真。实质上，3D动画是基于计算机特殊的3D动画软件给出的一个虚拟的三维空间，通过创建物体的模型，把模型放在这个虚拟的三维空间，配上灯光效果，然后赋予对象以动态效果和质感效果。从某种角度来说，三维动画的创作有点类似于实际工作中的雕刻，摄影，布景设计及舞台灯光等综合使用，所以在虚拟的三维环境中的工作重点也就是要控制各种组合、光线和三维对象。

6.2 视频基础 • 6.2.1模拟电视信号 • 1．黑白电视信号模拟视频图像扫描方式有隔行扫描和非隔行扫描之分。黑白电视和彩色电视都用隔行扫描，而计算机显示图像时一般都采用非隔行扫描（逐行扫描）。非隔行扫描：电子束从显示屏的左上角一行接一行的扫到右下角，在显示屏上扫一遍就显示一幅完整的图像。隔行扫描：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。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。

每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fF。 • 采用隔行扫描的优点：所占用的信号传输带宽要减少一半； • 我国的电视画面传输率是每秒25帧、50场。25Hz的帧频能以最少的信号容量有效地满足人眼的视觉残留特性；隔行扫描使人眼不易觉察出闪烁，同时也解决了信号带宽的问题。 • 由于我国的电网频率是50Hz，采用50Hz的场刷新率可以有效的去掉电网信号的干扰。

2．彩色电视信号 黑白电视只传送一个反映景物亮度的电信号就行了，而彩色电视除了传送亮度信号以外还要传送色度信号。为使电视台发射一种彩色电视信号，黑白和彩色电视都能正常工作，黑白电视与彩色电视的兼容是个重要问题。实现黑白和彩色信号兼容：1.必须使亮度和色度信号分开传送，以便使黑白电视和彩色电视能够分别重现黑白和彩色图像；2.应尽量压缩彩色电视信号的频带宽度，使其与黑白电视信号的带宽相同；3.除了新设置的色同步信号以外，应采用与黑白电视信号完全一致的行、场扫描以及消隐、同步等控制信号。

在现代彩色电视系统中，通常采用YUV彩色空间或YIQ彩色空间，Y为亮度信号，它可以与黑白全电视信号兼容，而U、V是色差信号。 采用YUV空间还可以充分利用人眼对亮度细节敏感而对彩色细节迟钝的视觉特性，大大压缩色度信号的带宽。我国规定的亮度信号带宽为6MHz，而色度信号U、V的带宽分别仅为1.3MHz。 • 为了解决信号频带的兼容问题，还必须采用间插的方法把两个1.3MHz的色度信号频谱插在亮度信号频谱的高端，这是因为亮度信号的频谱高端信号较弱，而且间隔较大。这样既不增加6MHz的带宽，又不会引起亮度和色度信号的混乱。这种方式称为频谱的交错。 • 为了与声音载频相区分，一般称色信号在亮度信号频谱高端的中心位置为彩色副载波或简称为副载波。 • 我国彩色电视的副载波频率为4.43MHz。色度C信号的总带宽为2.6MHz，可以保证色度信号频谱都落在亮度带宽之内，如图。

6.2.2 动态视频的颜色空间 对于数字电子多媒体领域来说，我们经常接触到的色彩空间的概念，主要是RGB , YUV这两种（实际上，这两种体系包含了许多种具体的颜色表达方式和模型，如sRGB, Adobe RGB, YUV422, YUV420 …）, RGB是按三基色加光系统的原理来描述颜色，而YUV则是按照亮度，色差的原理来描述颜色。对于YUV模型，实际上很多时候，我们是把它和YIQ / YCrCb模型混为一谈的。实际上,YUV模型用于PAL制式的电视系统，Y表示亮度，UV并非任何单词的缩写。 YIQ模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。YIQ颜色空间中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转。 YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间，主要用于数字电视系统中。从RGB到YCbCr的转换中，输入、输出都是8位二进制格式。

UV / CbCr信号实际上就是蓝色差信号和红色差信号，进而言之，实际上一定程度上间接的代表了蓝色和红色的强度我们在数字电子多媒体领域所谈到的YUV格式，实际上准确的说，是以YcrCb色彩空间模型为基础的具有多种存储格式的一类颜色模型的家族（包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等）。并不是传统意义上用于PAL制模拟电视的YUV模型。这些YUV模型的区别主要在于UV数据的采样方式和存储方式，这里就不详述。 YUV编码只占用极少的带宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输），可以优化彩色视频信号的传输。由于亮度信号是单独传输的，所以可兼容黑白电视。

在视频播放设备、投影机、电视机和其他显示设备中，通常有复合视频、S-Video和分量视频3种接口。在视频播放设备、投影机、电视机和其他显示设备中，通常有复合视频、S-Video和分量视频3种接口。复合视频信号: NTSC和PAL彩色视频信号是这样构成的--首先有一个基本的黑白视频信号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一个颜色脉冲和一个亮度信号。因为彩色信号是由多种数据“叠加”起来的，故称之为“复合视频”。从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。由于复合视频的亮度和色度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。这种信号一般可通过电缆输入或输出到家用录像机上，其信号带宽较窄，一般只有水平240线左右的分分辨率。分量视频: 指的是亮度Y、色差U和V分别是3路模拟信号，它们通过3路导线传送并记录在模拟磁带的3路磁迹上。分量视频由于其具有很宽的频带，可以提供最高质量及最精确的色彩重放。

S –Video: 则是一种信号质量高的视频接口，它取消了信号叠加的方法，可有效避免一些无谓的质量损失。它的功能是将RGB三原色和亮度进行分离处理,把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别传输并可以分别记录在模拟磁带的两路磁迹上。。 S-Video是一种两分量的视频信号，它将两个色差信号U、V合并的彩色信号C，并以Y/C格式进行记录。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达420线，它的特点是信号质量较高。 RGB: 许多显示设备中都使用了红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色图像，利用RGB三原色的信号强度来记录和表述图像信息。计算机与显示设备连接也使用RGB接口，其中通过RGB三根信号线分别传输图像信号。

6.2.3 彩色空间变换 由于许多广播标准，如欧洲的PAL和北美的NTSC电视系统，都采用亮度和色差视频信号。因此需要一种机制进行不同色彩格式间的转换，这也称为色彩空间变换。为了将彩色图像按亮度和颜色分别处理，就要把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三种：YIQ 、YUV和YCrCb。每种变换使用的参数是为了适应某种类型的显示设备。例如，YIQ用于NTSC彩色电视制式，YUV用于PAL制和SECAM彩色电视制式，而YCrCb用于连接在计算机上的显示器。

在YUV模型中，Y表示亮度，U、V是构成彩色的两个分量。考虑人的视觉系统和阴极射线管的非线性特性，YUV 和RGB的对应关系近似换算式如下： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B YIQ与RGB彩色空间变换所对应关系表示如下： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B I = 0.596R - 0.275G - 0.321B Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B 用YUV或YIQ模型来表示彩色图像的优点是亮度信号Y和色差信号UV(或IQ)是相互独立的，可对Y、U和V三种图像信号单独进行编辑和编码。

所以彩色模拟视频采用的是加色（三色叠加）信号，首先要把彩色图像分解为R、G、B三原色。图像的传输信号可以是单色信号和复合信号。单色信号传输即分别传输R、G、B三原色信号，同时加上视频同步信号，在接收端合成显示信号。所以彩色模拟视频采用的是加色（三色叠加）信号，首先要把彩色图像分解为R、G、B三原色。图像的传输信号可以是单色信号和复合信号。单色信号传输即分别传输R、G、B三原色信号，同时加上视频同步信号，在接收端合成显示信号。在采用8位颜色的数字电视系统中，亮度定义为16至235，色度Cb和Cr信号的取值范围为16至240，其中128与0相等。 YCrCb和RGB色彩空间的转换关系如下： R' = 1.164 (Y-16) + 1.596(Cr -128) G' = 1.164 (Y-16) - 0.813 (Cr -128) - 0.392(Cb-128) B' = 1.164 (Y-16) + 1.596 (Cr-128) 其中R'G'B'是伽马（Gamma）校正RGB数值。由于CRT显示器在信号幅度和输出强度间是非线性关系，通过伽马校正信号可使它们之间的关系转为线性化。

6.2.4 视频显示和格式 电视机和计算机显示器的阴极射线管（CRT），使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，在彩色显像管上又使用了红、绿、蓝这三种磷光材料发光合成彩色，这样就需要把用YUV或YIQ表示的图像信号转换成用RGB表示的图像信号才能显示。模拟视频信号通过光栅扫描的方法显示在屏幕上。通过一定的扫描行数和速度，在屏幕上从上到下进行扫描，从而产生图像的集合信号。动态的视频图像就是连续显示的不同扫描图像。获取模拟视频图像的设备可以是模拟或数字的显示设备。所不同的是，使用数字显示设备时，必须要经过模/数转换。模拟视频的常用格式有专用格式的 Betacam SP，家用格式的 VHS、8mm 和 Hi8 等。

Betacam SP：专业格式比其他格式的分辨率更高，而噪声最少，但价格高。 VHS：使用12mm带宽的录影带。水平解像度为280- 300线。因为是12mm带宽的录影带，也有人称之为V12。 8mm：也称为 V8。因为所使用的录影带为8mm的带宽所致，全名为Video8简称V8。水平解像度为270线。 Hi8：Hi8与V8同为使用8mm带宽的录影带，但是水平解像度为400线。

6.2.5 模拟视频标准 模拟视频的标准也称为电视制式，目前流行的模拟彩色电视有三大制式，即PAL制、NTSC制和SECAM制。美、日、加拿大等国采用是NTSC制。德、英、西欧等国采用是PAL制，我国也采用PAL制。法、俄等国采用的是SECAM制。由于电视频道的带宽是有限的，因此，模拟电视调谐器接收模拟电视信号时，无论是哪一种制式，都要使两个色差信号调制到某个副载波频率上，采用频谱搬移的方法将许多不同频率的高频电视信号变换成一个固定的中频输出，然后与Y信号共频带传送。

NTSC 视频 NTSC（美国国家电视标准委员会，National Television Standards Committee）是1952年定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制式。NTSC采用的是YIQ彩色空间，鉴于人眼难于分辨蓝、品红间的颜色细节和容易分辨红、黄间的颜色细节这个特点，采用蓝、品红间色差信号Q和红、黄间的色差信号I去代替蓝、红两个色差信号。 NTSC制首先是将Q和I这两个色差信号（其频率为3.58MHz、相位分别为0°及90°的副载波信号）进行正交平衡调幅，然后将亮度信号Y和调制后的色度信号混合，再加上复合同步、复合消隐及色同步等辅助信号，结果产生彩色复合全电视信号CVBS去调制发射机，在接收端可利用同步检波的方法恢复这两个色差信号。 NTSC标准规定视频源每秒钟需要发送30幅完整的图像，每个帧的总行数只有525。为了避免出现严重的闪烁现象，采用隔行扫描法。将每一帧均分为两个场，每场的扫描行数为262.5行。一部分全是奇数行，另一部分则全是偶数行。显示的时候，先扫描奇数行，再扫描偶数行，就可以有效地改善图像显示的稳定性。所以其帧频为30Hz，场扫描频率是60Hz。

NTSC彩色电视制式 具有如下的扫描特性：（1）525行/帧，30帧/秒（29.97fps,33.37ms/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 disc约420线，S-VHS约320线。（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。

PAL 视频 PAL（逐行倒相，Phase Alternate Line）是1962年德国制定的彩色电视广播标准，也称为逐行倒相正交平衡调幅制。PAL制式采用YUV颜色模型，它首先是将U和V这两个色差信号（其频率为4.43MHz、相位分别为0°及±90°的副载波信号）进行正交平衡调幅，如色差信号V对副载波进行平衡调幅时，一行为90°，另一行为-90°。PAL制改善了NTSC制对于相位的敏感性，从而减小了由于相位变化所引起的色调失真。根据不同的参数细节，PAL制式还可分为G、I、D等制式，我国使用PAL-D制式，该彩色电视制式规定视频源每秒钟需要发送25幅完整的图像，每个帧的总行数为625，也采用隔行扫描法，每一场的扫描行数为312.5行。所以其帧频为25Hz，场扫描频率是50Hz。

扫描特性： • （1）625行（扫描线）/帧，25帧/秒（40ms/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。

SECAM 视频 SECAM（顺序传送彩色与存储SEquential Couleur Avec Memoire）是法国采用的一种电视制式。1956年由法国工程师亨利.弗朗斯于提出，并于1967年付之实用的兼容性彩色电视制式。 SECAM制式是色差信号对副载波信号进行调频，而两个色差信号R-Y和B-Y是逐行轮换传送的方式，又称为顺序传送与存储复用调频制。在信号传输过程中，亮度信号每行都传送，而两个色差信号则是逐行依次传送，在接收端可利用延迟线将收到的信号延迟一行，使每一行所传送的色差被使用两次，用来弥补了每行中缺少的另一个色差信号。这种利用行错开传输时间的办法，可以避免同时传输时所产生的串色以及由其造成的彩色失真。 SECAM制式也采用隔行扫描法，其帧频和场频与PAL-D制式相同。

有如下的扫描特性： • （1）625行（扫描线）/帧，25帧/秒（40ms/帧）。 • （2）高宽比：4:3。 • （3）隔行扫描，2场/帧，312.5行/场。 • （4）颜色模型：YUV。

三种电视制式的区别 在这三种制式中，NTSC制式最早研究成功，PAL制式和SECAM制式分别针对NTSC制式的缺点而提出的改进制式。制式的主要区别在于其帧频不同、分辨率不同、信号的带宽不同、可载频率不同或色彩空间的转换关系不同。表6-1列出了三种电视制式的主要技术指标。

电视信号数字化 • 常用的方法有两种： • （1）先用高速模/数转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离亮度和色度，以获得所希望的YUV（PAL，SECAM制）分量或YIQ（NTSC制）分量，最后转换成RGB分量数据。此种方法称为复合数字化。 • （2）从复合彩色电视图像中分离出彩色分量的亮度和色度，得到YUV或YIQ分量，然后用3个模/数转换器对3个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间，此种方法称为分量数字化。

6.3 数字视频 6.3.1 数字视频概述数字视频（Digital Video-DV）是定义压缩图像和声音数据记录及回放过程的标准。数字视频的特点影像质量好、音响效果好、设备价格较低、不会导致制作过程的质量损失、不需要视频捕捉卡和帧同步卡，捕捉和录制是实时的。大部分数码摄像机都能通过 FireWire (IEEE 1394) 接口与计算机相连，可以实时录像并能进行快速的数据传输。

模拟视像设备中的视频信号是模拟信号，如果要将模拟视像设备中的模拟视频信号转变为数字视频信号，就需要通过视频卡的处理。模拟摄像机就是最常见的模拟视像设备，我们要从模拟摄像机中获取数字视频的话，一般是先将视频源影像的颜色和亮度信息转变为电信号，再记录到储存介质。然后经过视频捕捉设备的采样、量化和编码，也就是将模拟视频信号通过A/D转换器转变为数字的“０”或“１”的过程。模拟视像设备中的视频信号是模拟信号，如果要将模拟视像设备中的模拟视频信号转变为数字视频信号，就需要通过视频卡的处理。模拟摄像机就是最常见的模拟视像设备，我们要从模拟摄像机中获取数字视频的话，一般是先将视频源影像的颜色和亮度信息转变为电信号，再记录到储存介质。然后经过视频捕捉设备的采样、量化和编码，也就是将模拟视频信号通过A/D转换器转变为数字的“０”或“１”的过程。计算机的作用是控制视频采集卡的实时工作，并将采集获取的数字视频以一定的格式存储在介质上。数字视频是可以通过软件播放器在计算机上直接进行播放的。但如果要在摄像机、电视机上观看数字视频，则需要一个从D/A数模转换器将二进制信息解码成模拟信号，才能进行播放。

数字视频编辑 数字视频编辑包括利用采集卡将数字化的数据转换成MPEG或AVI文件，还包括可以利用有关软件进行线性编辑或非线性编辑。 MPEG文件是经过压缩的，一般不适合再编辑，但也可以利用工具作如添加字幕、配音等简单的编辑。而AVI文件比较适合于再编辑，除了可以添加字幕、配音等简单编辑外，还能进行图像叠加和增加特技效果。

在数字视频编辑中，相对于线性编辑来说，非线性编辑更具有特色：在数字视频编辑中，相对于线性编辑来说，非线性编辑更具有特色： 1在非线性编辑软件环境中，可以反复多次对数字视频文件或部分进行编辑和处理。 2 非线性编辑系统的实际编辑过程中，只编辑点和特技效果的记录。任何对剪辑的剪切、复制、顺序调动都不影响画面的质量。 3非线性编辑系统可以是硬件，也可以是软件。特点是功能强，集成度高。

数字视频常用格式 有关数字视频（DV）的格式要从两个方面来讨论，一是具有DV 格式的设备，另一方面是数字视频压缩技术。从具有DV 格式的设备来讲，相关的录像机系列有D1、D2、D3、D5等标准格式，按其记录方式又分数字分量（D1、D5）和数字复合（D2、D3）。从数字视频压缩技术方面来讲，数字录像机的记录格式分有非压缩和压缩两大类。非压缩记录格式是以原有信号码率（每秒传递的bit数）直接记录输入信号，所记录的图像质量最高，原信号损失最小。压缩记录格式是有损的记录格式。编码过程中去除了一些较弱的感知信号后重新编码记录。由于数字视频的数据量特别大，通常都采用压缩编码技术。

6.3.2 CCIR标准 CCIR标准是有关于广播电视以及有关的通信设备方面的标准。该标准以国际电信组织下属的国际无线电协商委员会（CCIR）命名。1993年已并入国际电信联盟（ITU）标准中，CCIR标准对应于ITU标准中的ITU-R。该标准主要规定了数字地面电视广播的业务复用、传送和识别方法、HDTV演播信号系统。CCIR标准的具体内容见表6-2。

表6-2 CCIR标准（ ITU-R 标准）

6.3.2 数字电视 数字电视就是采用数字技术的电视。由于数字电视具有能实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资源利用率高等优点。如今，在交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等应用中，数字电视提供了优质的电视图像和更多的视频服务。数字电视的基本原理数字电视的含义除了是指数字电视接收机外，还包含了从发送、传输到接收的全过程。由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过无线介质或有线介质传送到数字电视接收机，然后通过数字解调和数字视音频解码处理还原出图像及伴音。

MPEG-2 视频压缩编码数字演播室数字录像数字特技数字音频非线编动画制作视频数据流信道编码数字调制系统复用信道传输数字接收机音频压缩编码音频数据流辅助数据条件接收

与模拟电视系统不同的是，电视节目从摄制、编辑、播送、传输、接收到显示的全过程均采用全数字化的技术处理，信号在整个过程中的损失大大减小，接收到的电视节目质量基本与演播现场水平相同。与模拟电视系统不同的是，电视节目从摄制、编辑、播送、传输、接收到显示的全过程均采用全数字化的技术处理，信号在整个过程中的损失大大减小，接收到的电视节目质量基本与演播现场水平相同。数字电视也可以以模拟电视信号为信源，对模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数字信号，然后可对数字化后的信号进行记录、存储、处理和传输，还可以用计算机进行处理、监测和控制。

数字电视广播实现技术 数字电视广播中，其信号的流程包括制作（编辑）、信号处理、广播（传输）和接收（显示）几个过程。用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：数字信号处理技术（DSP）、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：地面广播传输、有线电视（或光缆）传输、卫星广播（DSS）及宽带综合业务网（ISDN）、DVD等；用于接受显示的手段有：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示等。

实现数据压缩的技术 演播室质量的数字化电视信号的数据率在200Mbps，而高清晰度电视，在1920×1080显示格式下的视频传输码率中高达995Mbps，如此高的数据率是无法在模拟电视频道带宽内传输的，因此必须要进行数据压缩。数据压缩可通过压缩信源编解码和信道编码两种技术来实现。 1.压缩信源编解码技术包括视频和音频压缩编解码技术。通过视频编码技术将模拟图声信号变为数字信号源，再进行MPEG-2压缩编码。MPEG-2支持标准分辨率的16：9宽屏及高清晰度电视等多种格式，其码率范围为3～40Mbps。压缩音、视频的主要任务是去掉信源的音、视频中的信息冗余，提高信源的有效性。

2. 信道编码技术 信道编码技术主要采用数字电视信道的编解码及调制解调数字调制技术。目的是提高单位频宽数据传送率，增强数据流的可靠性，对信源编码后的数据包加上附加比特以及其他处理，使得经过信道传输后的数据流即使在受到损伤后，在接收端也能实现误码纠正，恢复出正确的数据。主要的方法是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波上以便发射。目前各国数字电视所采用的纠错、均衡等技术、带宽、调制方式都是不同的,它们的传输途径不同，在信道编码方面分别采用了不同的调制方式。

数字传输的常用调制方式有： 正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。残留边带调制（VSB）：抗多径（即重影）传播效应好，适合地面广播。编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。

BACK 系统业务复用部分数字电视的信源编码都采用MPEG-2的复用数据包，数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一，其特点是具有可扩展性、分级性、交互性。发送信息时，复用器将由编码器送来的视/音频等数据比特流分成组，经处理复合成单路串行（时分复用）的比特流，送给信道编码及调制。而接收信息的过程正好相反。辅助数据中包括控制数据以及与视频、音频节目有关的服务数据，比如隐藏字幕。条件接收是付费电视的密钥数据，向具有接收授权的用户提供解密信息，允许观看预定的节目。

数字电视的主要特点 1图像清晰度好，音频质量高，支持5.1声道的数字环绕声节目源。而数字信号可通过精确的再生过程重建原始信号，可避免非线性失真的影响，还可以采用纠错编码技术提高电视机的抗噪声、抗干扰能力。 2传输效率高。通过使用先进的信道编码和调制方法，一个频带内可实现多路、多套节目的同时传输。 3数字电路成本低、无需调整和调谐、容易维修。 4提供全新的业务方式。数字电视网、电信网和计算机网的结合，将提供更丰富的信息源、共享方式、交互方式，可扩大用户使用和控制信息使用的自由度。 5便于信号的存储。可以存储多帧的电视信号，而且所用的存储时间与信号的特性无关。 6 实现高效的控制。与计算机配合不仅可以实现设备的自动控制和调整，很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术。

数字电视的分类 （1）按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字电视）、有线传输（有线数字电视）三类。（2）按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接收机。（3）按清晰度分类：可以分为普及型数字电视（PDTV）或者低清晰度数字电视（LDTV）、标准清晰度数字电视（SDTV）和高清晰度数字电视（HDTV）。低清晰度数字电视的图像水平清晰度大于250线，VCD的图像格式属于低清晰度数字电视（LDTV）水平。标准清晰度数字电视的图像水平清晰度大于500线，DVD的图像格式属于标准清晰度数字电视（SDTV）水平。高清晰度数字电视的图像水平清晰度大于800线。（4）按显示屏幕幅型分类：可以分为4：3幅型比和16：9幅型比两种类型。（5）按扫描线数（显示格式）分类：可以分为HDTV扫描线数（大于1000线）和SDTV扫描线数（600～800线）等。

数字电视的标准 现在国际上的数字电视存在三种标准，第一种是美国的ATSC标准，第二种是欧洲的DVB 标准，第三种是日本的ISDB标准。

1.ATSC标准 ATSC（Advanced Television System Committee先进电视制式委员会）是美国高清晰度数字电视联盟制订的包括数字式高清晰度电视（HDTV）在内的先进电视系统的技术标准。 ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。次高层是图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准。第三层是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准。最低是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mb/s的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16-VSB传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mb/s的传输速率。

第 6 章 动画、视频数据技术