[科普中国]-视频数据处理

基本概念视频信号

视频信号有模拟信号和数字信号之分，模拟视频信号就是常见的电视信号，采用的模拟方式对图像进行还原处理，这种图像被称为视频模拟图像。

视频文件视频文件主要包括两类，即动画文件和影像文件，动画文件是指由相互关联的若干个静止的图像组成的图像序列，这些静止的图像序列连续播放时形成了动画；影像文件是指包含实时的音频和视频信息的多媒体文件，其多媒体信息通常通过视频输入设备输入到计算机中，该类型的文件包含的信息丰富，文件较大。

视频素材的采集视频素材的采集分为从模拟视频设备中采集和从数字视频中采集两种方式。

视频文件格式常见的视频文件格式有7种：

（1）AVI，英文全称为Audio Video Interleaved，即音频视频交错格式；

（2）MOV，MOV是Quick Time for Windows视频处理软件使用的视频文件格式；

（3）MPG，MPG采用MPEG标准，该类型的文件采用高密度压缩比；

（4）ASF，英文全称为Advanced Streaming Format，它是微软为了和Real Player竞争而推出的一种视频格式；

（5）WMV，英文全称为Windows Media Video，也是微软推出的一种采用独立编码方式并且可以直接在网上实时观看视频节目的文件压缩格式；

（6）RM，英文全称为Real Media；

（7）RMVB格式，它是由RM视频格式升级延伸出的新视频格式；

视频数据处理技术视频处理泛指对视频信息的所有操作，视频处理技术包括视频的编辑、视频的压缩等方面，目的是增强视频的观赏性。1

视频的编辑采集到的数字视频文件一般要经过编辑加工后，才能在多媒体系统中使用。数字视频的编辑工作主要靠软件来完成，常见的视频编辑操作有如下几种：

（1）基本编辑。

视频的基本编辑主要是针对选取的视频片段进行编排、剪切、复制等操作。在时间轴上将视频片段从头到尾排列，形成从头到尾连续播放的视频节目。

（2）过渡特技。

视频是一组连续播放的画面，两个场景之间如果直接连接起来，在许多情况下会感到突兀，剪辑时如果画面间的连接不当，会造成跳动、画面拖沓等感觉。使用过渡特技可以使画面连接自然流畅。

（3）视频特技。

视频特技是指对片段本身做的处理，如透明处理、运动处理、速度处理、色彩处理等。透明效果可以将两个片段的画面内容叠加在一起，常用在表示回忆的场景中。运动处理可以使静止的画面移动。

（4）字幕。

视频上叠加的文字称为字幕。在电视节目、广告、卡拉0K等视频中常常使用字幕显示相关的文字信息。视频中出现的文字在画面变化的情况下要保持一段时间，不同的画面内容要配合显示不同的文字说明，不仅是文字，图形、照片、标记等都可以作为字幕放在视频作品中。字幕可以向台标一样静止在屏幕一角，也可以做成节目结束后滚动的工作人员名单。字幕可以选用不同的出现方式，如：移入、溶解、放大、缩小、旋转、変色等，以产生不同的视觉效果。

（5）配音。

视频节目制作中除了音乐之外，往往还需要添加适当的配音进行旁白。在录制节目的同时录下当时的环境声音称为同期声，编辑时可以单独处理，进行剪辑或添加效果，也可以为语音解说配上背景音乐。1

视频的压缩数字化的视频信号以视频文件形式存储在磁盘上，所占硬盘空间非常大，而视频经过压缩后，存储时会更方便。数宇视频压缩以后并不影响其最终的视觉效果，原因是它利用人的心理视觉冗余进行压缩处理。所谓心理视觉冗余是指眼睛并不是对所有信息有相同的敏感度，有些信息通常在视觉过程中与另外一些信息相比来说并不是那么重要。1

视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减少视频数据率。视频压缩比一般是指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。标准的数字摄像机的压缩率为5:1，有的格式可使视频的压缩率达到100:1，但过分压缩也不是件好事。因为压缩得越多，丢失的数据就越多。由于视频是连续的静态图像，因此其压缩编码算法与静态图像的压缩编码算法有某些共同之处，但是运动的视频还有其自身的特性，因此在压缩时还应考虑其运动特性才能达到高压缩的目标。视频压缩的相关概念如下：

（1）有损和无损压缩。

在视频压缩中有损和无损的概念与静态图像中基本装似。无损压缩即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都来用RLE行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩，这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多，解压缩后的效果一般越差。此外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式。这样还会引起额外的数据丢失。1

（2）帧内和帧间压缩。

帧内压缩也称为空间压缩。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频资料仍可以以帧为单位进行编辑。帧内压缩一般达不到很高的压缩。

帧间压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点，即连续的视频其相邻两帧之同具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩，它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。1

（3）对称和不对称编码。

对称性是压缩编码的一个关键特征。对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间，对称算法适合于实时压缩和传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好。而在电子出版和其他多媒体应用中，一般是把视频预先压缩处理好，然后再播放，因此可以采用不对称编码。不对称或非对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时间，而解压缩时则能较好地实时回放，即以不同的速度进行压缩和解压缩。一般来说，压缩一段视频的时间比回放（解压缩）该视频的时间要多得多。例如，压缩一段3分钟的视频片断可能需要10多分钟的时间，而该片断实时回放时间只有3分钟。1

目前有多种视频压缩编码方法，但其中最有代表性的是MPEG数字视频格式和AVI数字视频格式。

视频数据处理软件影视制作与计算机技术的联姻是电影发展史上的一座里程碑。 数字化的视频编辑技术不仅让人们体验到了前所未有的视觉冲击效果，也为人们的日常生活带来了无穷的乐趣。目前，在PC平台流行的视频编辑软件有Microsoft公司的Adobe公司的Adobe Premiere、Windows Movie Maker、Ulead公司的Video Studio以及Pinnacle公司的Pinnacle Studio和Pinnacle Edition。其中，Windows Movie Maker、Video Studio和Pinnacle Studio定位于普通家庭用户，Adobe Premiere和Pinnacle Edition定位于中高端商业用户。2

Adobe PremiereAdobe公司推出的基于非线性编辑设备的视音频编辑软件Premiere已经在影视制作领域取得了巨大成功。现在被广泛应用于电视台、广告制作、电影剪辑等领域，称为PC和MAC平台上应用最广泛的视频编辑软件。

将Premiere与Adobe公司的After Effects配合使用，更使两者发挥最大功能。After Effects是Premiere的自然延伸，主要用于将静止的图像推向视频、声音综合编辑的新境界。它集创建、编辑、模拟、合成动画、视频于一体，综合了影像、声音、视频的文档格式，可以说在掌握了一定的技能的情况下，想象的东西都能实现。2

Ulead Media Studio ProUlead公司开发的多媒体影视制作软件Media Studio Pro涵盖了视频编辑、影片特效、2D动画制作等功能，是一套整合性完备、面面俱到的视频编辑套餐式软件。它集成了五大功能模块，即：Video Edition（视频编辑）、Audio Edition（音效编辑）、CG Infinity（动画制作）、Video Paint（特效绘图）和Video Capture（视频捕获），可以轻松对视频、音频进行捕获、编辑以及输出。其独特之处在于Video Paint，可以对视频片段中任一帧或者连续帧进行画面处理，而且它内置了MPEG编码器，可以不需借助任何插件轻松制作VCD影片。2

Ulead Video StudioMedia Studio Pro虽然功能比较强大，但它太过于专业，上手比较难，而Ulead的另一套编辑软件绘声绘影，是完全针对家庭娱乐、个人纪录片制作开发的简便型视频编辑软件，非常适合家庭个人使用。

绘声绘影一共分为开始、捕获、故事板、效果、覆迭、标题、音频和完成8大步骤，并提供在线帮助档，从而能快速的学习每一个流程的操作方法。它提供了12类114个转场效果，可以拖拽的方式应用，并且每个效果都可以做进一步的控制。另外，还具有字幕、旁白或动态标题的文字编辑功能。绘声绘影提供了多种输出方式，它可以输出传统的多媒体电影文件，例如AVI、FLC动画、MPEG电影档，也可将制作完成的视频嵌入贺卡，生成一个可执行文档。通过内置的Internet发送功能，可以将做好的视频通过电子邮件发送出去或者自动将它作为网页发布。如果有相关的视频捕获卡还可以将MPEG电影文档转录到家用录像带上。2

Windows Movie MakerWindows Movie Maker（WMM）是Windows XP的一个标准组件，其功能是将用户自己录制的视频素材，经过剪辑、配音等编辑加工，制成富有艺术魅力的个人电影。它可以将大量照片，进行巧妙地编排，配上背景音乐，还可以加上自己录制的解说词和一些精巧特技，加工制作成电影式的电子相册。而Windows MovieMaker最大的特点就是操作简单，使用方便，并且用它制作的电影体积小巧，非常适合通过Email发送给亲朋好友，或者上传到网络供大家下载收看。2

Pinnacle StudioPinnacle Studio是一款专业质量的视频编辑软件，Pinnacle Studio提供了一个专业家庭视频工作室所需要的一切功能，包括一体化的音频/视频同步采集、实时数字视频编辑和CD、VCD、DVD制作解决方案。Pinnacle Studio是针对台式计算机和笔记本的一套完整视频编辑方案。只要将视频素材采集到计算机里，然后使用专业的编辑工具，制作例如场景转换、字幕特效和快慢动作等炫目的电影，编辑完你的电影，就可以输出到磁带或VCD或DVD并播放。2