1.2 数字视频相关知识

数字视频是通过视频捕捉设备进行采集，然后将视频信号转换为帧信息，并以每秒约30帧的速度播放的运动画面。本节将对数字视频的相关基础知识进行讲解。

1.2.1 数字视频

随着数字技术的迅猛发展，数字视频开始取代模拟视频，并逐渐成为新一代的视频应用标准，现在已广泛应用于商业和网络的传播中。

数字视频是对模拟视频信号进行数字化后的产物，它是基于数字技术记录视频信息的。模拟视频可以通过视频采集卡将模拟视频信号进行A/D（模/数）转换，这个转换过程就是视频捕捉（或采集）过程，将转换后的信号采用数字压缩技术存入计算机磁盘中就成为数字视频。模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模/数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。

1.2.2 模拟信号

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信号的幅度、频率及相位都会随着时间发生变化，如声音信号、图形信号等，如下图所示。

1.2.6 音频压缩标准

数字音频压缩技术标准分为电话语音压缩、调幅广播语音压缩、调频广播及CD音质的宽带音频压缩3种，下面分别进行介绍。

▪ 电话（200Hz～3.4kHz）语音压缩标准：主要有ITU（国际电传视讯联盟）的g.722（64kbit/s）、g.721（32kbit/s）、g.728（16kbit/s）和g.729（8kbit/s）等建议，用于数字电话通信。

▪ 调幅广播（50Hz～7kHz）语音压缩标准：主要采用ITU的g.722（64kbit/s）建议，用于优质语音、音乐、音频会议和视频会议等。

▪ 调频广播（20Hz～15kHz）及CD音质（20Hz～20kHz）的宽带音频压缩标准：主要采用MPEG-1或MPEG-2双杜比AC-3等建议，用于CD、MD、MPC、VCD、DVD、HDTV和电影配音等。

1.2.7 视频压缩标准

数字视频压缩标准是指按照某种特定算法，采用特殊的记录方式来保存数字视频信号的技术。目前使用较多的数字视频压缩标准有MPEG系列和H.26X系列，下面将分别进行介绍。

1.MPEG系列

MPEG的全称是运动图像专家组（Moving Picture Experts Group）。MPEG压缩标准是针对运动图像而设计的，基本方法是在单位时间内采集并保存第一帧信息，然后就只存储其余帧相对第一帧发生变化的部分，以达到压缩的目的。MPEG压缩标准可实现帧之间的压缩，其平均压缩比可达5 : 1，压缩率比较高，且又有统一的格式，兼容性好。

▪ MPEG-1：是专门为CD光盘所定制的一种视频和音频压缩格式，采用了块方式的运动补偿、离散余弦变换（DCT）、量化等技术，其传输速率可达1.5Mbit/s。其特点是随机访问，拥有灵活的帧率、运动补偿可跨越多个帧等；不足之处在于压缩比还不够大，且图像质量较差，最大清晰度仅为352×288分辨率。

▪ MPEG-2:MPEG-2制定于1994年，其设计目的是为了提高视频数据传输率，能够提供3Mbit/s～10Mbit/s的数据传输率，在NTSC制式下可流畅输出720×486分辨率的画面。

▪ MPEG-4：与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4不再只是一种具体的数据压缩算法，而是一种为满足数字电视、交互式绘图应用、交互式多媒体等方面内容整合及压缩需求而制定的国际标准，该标准将众多的多媒体应用集成于一个完整框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，从而建立起一种能够被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。

2.H.26X系列

H.26X系列压缩标准是由ITU所主导提出的，旨在使用较少的带宽传输较多的视频数据，以便用户获得更为清晰的高质量视频画面。

▪ H.263：是国际电联ITU-1专为低码流通信而设计的视频压缩标准，其编码算法与之前版本的H.261相同，但在低码率下能够提供较H.261更好的图像质量。

▪ H.264：是目前H.26X系列标准中最新版本的压缩标准，其制定目的是为了解决高清数字视频体积过大的问题。H.264由MPEG组织和ITU-T联合推出，因此它即是ITU-T的H.264，又是MPEG-4的第10部分，因此无论是MPEG-4 AVC、MPEG-4 Part10，还是ISO/IEC 14496-10，实质上与H.264都完全相同。与H.263及以往的MPEG-4相比，H.264最大的优势在于拥有很高的数据压缩比率。在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是原有MPEG-4的1.5～2倍。这样一来，观看H.264数字视频将大大节省用户的下载时间和数据流量费用。

1.2.8 数字视频的分辨率

像素和分辨率都是影响视频质量的主要因素，与视频的播放效果有着密切关系。在电视机、计算机显示器及其他类似的显示设备中，像素是组成图像的最小单位，每个像素则由多个（通常为3个）不同颜色的点组成。而分辨率则是指屏幕上的像素数量，通常用“水平方向像素数量×垂直方向像素数量”的方式来表示，如720×480、1024×768等，每幅视频画面的分辨率越大、像素数量越多，整个视频的清晰度也就越高；反之，视频画面便会模糊不清，如下图所示。

1.2.10 非正方形像素和像素纵横比

在DV出现之前，多数台式机视频系统中使用的标准画幅大小是640像素×480像素。计算机图像是由正方形像素组成的，因此640像素×480像素和320像素×240像素（用于多媒体）的画幅大小非常符合电视的纵横比（宽度比高度），即4 : 3（每4个正方形横向像素，对应有3个纵向像素）。

但是在使用720像素×480像素或720像素×486像素的DV画幅大小进行工作时，计算不是很清晰，出现此类问题的原因在于，720像素×480像素的纵横比是3 : 2，而不是4 : 3的电视标准，使用矩形像素，比宽度更高的非正方形像素（在PAL DV系统中指720像素×576像素），可以将720像素×480像素压缩为4 : 3的纵横比。