视频基础知识（三） - 《电器评介》2006年第05期 - 杂志博览

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视频基础知识（三）

■　高海鹏　编译

《电器评介》2006年第05期　　浏览人次

　　数字视频经历了哪些发展阶段？
　　谈到数字视频的发展历史，不能不回顾电脑的发展历程，它实际上是与计算机所能处理的信息类型密切相关的，自上个世纪40年代电脑诞生以来，电脑大约经历了以下几个发展阶段：数值计算阶段。这是电脑问世后的“幼年”时期。在这个时期电脑只能处理数值数据，主要用于解决科学与工程技术中的数学问题。实际上，世界上第一台电子电脑ENIAC就是为美国国防部解决弹道计算问题和编制射击表而研制生产的。
　　数据处理阶段。50年代发明了字符发生器，使电脑不但能处理数值，也能表示和处理字母及其它各种符号，从而使电脑的应用领域从单纯的数值计算进入了更加广泛的数据处理。这是由世界上第一个批量生产的商用电脑UNIAC—1首开先河的。
　　

　　多媒体阶段。随着电子器件的进展，尤其是各种图形、图像设备和语音设备的问世，电脑逐渐进入多媒体时代，信息载体扩展到文、图、声等多种类型，使电脑的应用领域进一步扩大。由于视觉，即图形、图像，最能直观明了、生动形象地传达有关对象的信息，因而在多媒体电脑中占有重要的地位。
　　在多媒体阶段，电脑与视频就产生了联姻。数字视频的发展主要是指在个人电脑上的发展，可以大致分为初级、主流和高级几个历史阶段。
　　第一阶段是初级阶段，其主要特点就是在台式电脑上增加简单的视频功能，利用电脑来处理活动画面，这给人展示了一番美好的前景，但是由于设备还未能普及，都是面向制作视频制作领域的专业人员。在普通PC用户还无法奢望在自己的电脑上实现视频功能。
　　

　　第二个阶段为主流阶段，在这个阶段数字视频在电脑中得到广泛应用，成为主流。初期数字视频的发展没有人们期望的那么快，原因很简单，就是对数字视频的处理很费力，这是因为数字视频的数据量非常之大，1分钟的满屏的真彩色数字视频需要1.5GB的存储空间，而在早期一般台式机配备的硬盘容量大约是几百兆，显然无法胜任如此大的数据量。
　　虽然在当时处理数字视频很困难，但它所带来的诱惑促使人们采用折衷的方法。先是用电脑捕获单帧视频画面，可以捕获一帧视频图像并以一定的文件格式存储起来，可以利用图像处理软件进行处理，将它放进准备出版的资料中；后来，在电脑上观看活动的视频成为可能。虽然画面时断时续，但毕竟是动了起来，带给人们无限的惊喜。而最有意义的突破是电脑有了捕获活动影像的能力，将视频捕获到电脑中，随时可以从硬盘上播放视频文件。能够捕获视频得益于数据压缩方法，压缩方法有两种：纯软件压缩和硬件辅助压缩纯软件压缩方便易行，只用一个小窗口显示视频，有很多这方面的软件。硬件压缩花费高，但速度快。在这一过程中，虽然能够捕获到视频，但是缺乏一个统一的标准，不同的电脑捕获的视频文件不能交换。虽然有过一个所谓的“标准”，但是它没有得到足够的流行，因此没有变成真正的标准，它就是数字视频交互(DVI)。DVI在捕获视频时使用硬件辅助压缩，但在播放时却只使用软件，因此在播放时不需要专门的设备。但是DVI没有形成市场，因此没有被广泛的了解和使用。因此就难以流行。这就需要电脑与视频再做一次结合，建立一个标准，使得每台电脑都能播放令人心动的视频文件。这次结合成功的关键是各种压缩解压缩Codec技术的成熟。Codec来自于两个单词Compression(压缩)和Decompression(解压)，它是一种软件或者固件(固化于用于视频文件的压缩和解压的程序芯片)。压缩使得将视频数据存储到硬盘上成为可能。如果帧尺寸较小帧切换速度较慢，再使用压缩和解压，存储1分钟的视频数据只需20MB的空间而不是1.5GB，所需存储空间的比例是20:1500，即1:75。当然在显示窗口看到的只是分辨率为160×120邮票般大小的画面，帧速率也只有15帧/s，色彩也只有256色，但画面毕竟活动起来了。
　　Quicktime和Video for Windows通过建立视频文件标准MOV和AVI使数字视频的应用前景更为广阔，使它不再是一种专用的工具，而成为每个人电脑中的必备成分。而正是数字视频发展的这一步，为电影和电视提供了一个前所未有的工具，为影视艺术带来了影响空前的变革。
　　第三阶段是高级阶段，在这一阶段，普通个人电脑进入了成熟的多媒体电脑时代。各种电脑外设产品日益齐备，数字影像设备争奇斗艳，视音频处理硬件与软件技术高度发达，这些都为数字视频的流行起到了推波助澜的作用。
　　
　　为什么要进行数字视频的压缩
　　
　　数字视频为人们展示了一番广阔的应用前景，但是想要自如地应用它，还需要做一番努力，还要花大力气对数据进行处理，这就涉及到压缩的问题。为什么要进行数据压缩呢？我们知道视频信号往往都是模拟信号，必须将其进行数字化处理，即经过采样、量化、编码转换成数字视频信号。视频图像经过变换成为数字图像后，就可用电脑显示器来显示，也可以像数字图像一样进行处理。但视频信号与静止的数字图像的根本不同在于：视频信号是连续的运动图像，如我国电视采用的PAL制式电视信号，每秒钟要播放25帧画面；对NTSC制式来说，要求每秒钟播放30帧画面。由于数字视频信号表示的是连续的运动图像，所以在将其数字化后产生了一系列问题。主要有以下几个方面：
　　
　　1．存储方面
　　数字化后的视频信号的数据量十分巨大，需要大量的磁盘空间，这是因为每一个图像帧的每个像素的色彩和亮度的信息都必须被存储。不仅存储数字视频需要使用大量的磁盘空间，数字音频也需要存储空间。一部电影长度为一个半小时，电视节目的长度也是以小时计，要想存储如此巨大的数据，需要相当数量的光盘，显而易见这是非常不经济也是不必要的。
　　
　　2．传输方面
　　目前的传输介质中的数据传输速度远远低于活动视频所需的存取速度，会导致大量数据的丢失，因而会影响到接收端的质量，会出现跳帧的现象。对于PAL制电视来说，我国PAL/D.K制电视的视频带宽fc=6.0MHz，根据奈奎斯特定理，取样频率fs≥2fc。CCIR601建议书规定：亮度信号的取样频率为13.5MHz，色度信号的取样频率为6.75MHz，每个取样8bit，每有效行的取样数，亮度信号为720个，每个色差信号为360个。亮度信号和每个色差信号都采用线性PCM，那么传输PAL制彩色电视所需要的传输速率为：
　　13.5×8+2×6.75×8=216Mb/s要以25帧/秒的速率来播放数字视频信号，以上面提到的数据量为例，数据传输速率要达到216Mbit/s，即216Mbps左右，而现在各种传输技术的速度都远远达不到这个水平。现在最快的传输介质光纤，也只有100Mbps。这样比较一下，可想而知以正常的速度传输、播放不压缩的数字视频信号是根本不可能的。
　　
　　3．实时播放方面
　　对于视频图像，因为它是活动影像，我们要求以电视每秒25帧（PAL制）或30帧（NTSC制）的速度播放，这样根据人眼的视觉暂留现象，所看到的画面才能自然流畅。如果播放速度低于这个速度或者存在丢帧现象，图像效果都难以令人满意。我们经常在电脑屏幕上看到播放的画面有抖动或撕裂的现象，就是因为播放速度达不到这个要求。（未完待续）
　　
　　1、早期电脑只能处理数值，还谈不上多媒体
　　2、要处理数字图像信息，需要大容量的硬盘来支持
　　3、计算机技术的飞速发展为数字视频技术的发展打下了坚实的基础
　　