引言
數字技術的蓬勃發展和廣泛應用使人類社會邁入了“數字時代”。今天，數字技術產品已走進普通百姓的日常生活之中。 數字技術就是用數字編碼來描述和表達圖像、聲音等各種媒體信息。其信息處理的流程是：模擬信息→數字化→壓縮編碼→存儲或傳輸→解碼再現。其中，壓縮編碼是一個關鍵環節。數字化的圖像和聲音信號數據是非常龐大的，例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色圖像(24 bit／像素)的數據量約為7．37 Mbit／幀，如果是運動圖像．以每秒30幀或者25幀的速度播放時，則視頻信號傳輸速率為220 Mbit／s；如果把這種信號存放在650MB的光盤中，一張光盤只能播放20多秒鐘。所以，必須對數字化信息進行壓縮．用盡可能少的數據來表達信息，節省傳輸和存儲的開銷。
1 視頻模型
數字視頻就是先用攝像機之類的視頻捕捉設備，將外界影像的顏色和亮度信息轉變為電信號，再記錄到儲存介質(如錄像帶)。播放時，視頻信號被轉變為幀信息。并以每秒約30幀的速度投影到顯示器上．使人類的眼睛認為它是連續不問斷地運動著的。電影播放的幀率大約是每秒24幀。如果用示波器(一種測試工具)來觀看，未投影的模擬電信號看起來就像腦電波的掃描圖像，由一些連續鋸齒狀的山峰和山谷組成。
中國和歐洲采用的是PAL制(逐行倒相制)，美國和日本采用的NTSC制，PAL信號有25 fb／s的幀率，NTSC制信號有30 fb／s的幀率。視頻信號在質量上可區分為復合視頻(Composite)，S-Vide，YUV和數字(Digital)4個級別。復合視頻，VHS，VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信號復合到一個信號中，當把復合信號分離時．濾波器會降低圖像的清晰度，亮度濾波時的帶寬是有限的，否則就會無法分離亮度和色差，這樣亮度的分離受到限制，對色差來講也是如此。因此復合信號的質量比較一般，但他的硬件成本較低，目前普遍用于家用錄像機。S-Vide，S-VHS，S-VHS-C和Hi8都是利用2個信號表現視頻信號，即利用Y表現亮度同步，C信號是編碼后的色差信號，現在很多家用電器(電視機，VCD，SHVCD，DVD)上的S端子，是在信號的傳輸中，采用了Y／C獨立傳輸的技術，避免濾波帶來的信號損失。因此圖像質量較好。YUV視頻信號是3個信號Y，U，V組成的，Y是亮度和同步信號．U，V是色差信號，由于無需濾波、編碼和解碼，因而圖像質量極好，主要應用于專業視頻領域。數字及同步信號利用4個信號：紅、綠、藍及同步信號加于電視機的顯像管，因此圖像質量很高。還有一種信號叫射頻信號，他取自復合視頻信號．經過調制到VHF或UHF，這種信號可長距離發送。現在電視臺就采用這種方式，通過使用不同的發射頻率同時發送多套電視節目。
2 數字化視頻采集
NTSC和PAL視頻信號是模擬信號，但計算機是以數字方式顯示信息的，因此NTSC和PAL信號在能被汁算機使用之前，必須被數字化(或采樣)。
模擬視頻信號攜帶了由電磁信號變化而建立的圖像信息．可用電壓值的不同來表示，比如黑自信號，O V表示黑．O．7 V表示白，其他灰度介于兩者之間。
數字視頻信號是通過把視頻幀的每個象素表現為不連續的顏色值來傳送圖像資料，并且由計算機使用二進制數據格式來傳送和儲存象素值．也就是對模擬信號進行A／D轉換后得到的數字化視頻信號。
數字視頻信號的優點很多：
(1)數字視頻信號沒有噪聲，用0和1表示，不會產生混淆，而模擬信號要求屏蔽以減少噪聲。
(2)數字視頻信號可利用大規模集成電路或微處理器進行各類運算處理，而模擬信號只能簡單地對亮度、對比度和顏色等進行調整。
(3)數字視頻信號可以長距離傳輸而不產生損失，可以通過網絡線、光纖等介質傳輸，很方便地實現資源共享，而模擬信號在傳輸過程中會產生信號損失。
一個視頻圖形適配器(通常叫做抓幀器或視頻采集卡)經常被用來數字化視頻模擬信號，并將之轉換為計算機圖形信號。視頻信號的數字記錄需要大量的磁盤空間，例如，一幅640×480中分辨率的彩色圖像(24 b／pixel)，其數據量約為O．92 Mb／s，如果存放在650 MB的光盤中，在不考慮音頻信號的情況下，每張光盤也只能播放24 s，使用如此巨大的磁盤空間存儲數字視頻，是大多數計算機用戶所無法接受的。在這種情況下，將視頻帶到計算機上，以有效的幀率播放存儲信息，是使用計算機處理視頻能力的最大障礙，鑒于此種情況，我們采用數據壓縮系統和幀尺寸、色彩深度和圖像精度折衷的辦法，對視頻數據進行壓縮，以節省磁盤存儲空間．數字化視頻采集技術也就變成了現實。
數字化視頻的過程．通常被叫做數字化視頻采集。模擬信號到數字信號的轉換中通常用8 bit來表示．對于專業或廣播級的信號轉換等級會更高。對于彩色信號，無論是RGB還是YUV方式，只需用24 bit來表示。因此采樣頻率的高低是決定數字化視頻圖像質量的重要指標。
視頻采集中計算機的處理設備通常有3種類型，即幀采集卡、動態圖像連續采集卡、電視節目接受卡。幀采集卡的工作原理是把偶合視頻信號解碼成RGB或YUV，RGB或YUV信號經過A／D轉換后進入幀存體，幀存體內的數據根據同步信號不斷被刷新。幀存體內的數據需要保存時，計算機給出控制信號，幀存體數據不再被刷新．這時計算機可以讀出幀存體數據傳送到計算機內存或存放到硬盤中。由于視頻信號是隔行掃描．在數字化過程中每幀圖像分成兩場，每場的分辨率是228行，因此高速運動的圖像采集后有抖動的感覺，要解決這一問題可以只采集一場或縮短快門時間。采集連續圖像到計算機中是比較困難的，因為單一幀靜止圖像的數據量已經很大，而動態圖像是25幀／s～30幀／s，模擬的視頻圖像數字化后所得到的數據量巨大，使傳輸、存儲和處理很困難。解決這一問題的辦法一般有3種：
(1)利用局部數據總線，提高數據傳輸速度；
(2)大大降低分辨率；
(3)采用壓縮編碼。
3 視頻壓縮
對視頻圖像進行壓縮編碼，是目前最流行的方法。1980年以來，國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)和國際電信聯盟(ITU)等陸續完成了各種數據壓縮標準和建議．如面向靜止圖像壓縮的JPEG標準，在運動圖像方面用于視頻會漢的H.261標準、用于可視電話的H.263標準、用于VCD的MlPEG1標準、用于廣播電視和DVD的MPEG2標準以及最新的采用基于對象的編碼理念的MPEG4標準等。MPEG是運動圖像專家組的英文首字母縮寫。該專家組成立于1988年，致力于運動圖像及其伴音的壓縮編碼標準化工作。
MPEG1于1993年成為國際標準，它是對1．5 Mbit／s以下數據傳輸率的數字存儲媒體運動圖像及其伴音的壓縮編碼標準，適用于CD—ROM、VCD、CD-I(交互式CD)等。
它可對SIF(標準交換格式)分辨率(NTSC制式為352×240；PAl，制式為352×288)的圖像進行壓縮，傳輸速率為L 5 Mbit／s，每秒播放30幀．具有CD音質，圖像質量基本與VHS家用錄像機相當。MPEGl也被用于數字通信網絡上的視頻傳輸，如基于ADSI。(非對稱數字用戶線路)的視頻點播(VOD)、遠程教育等。
MPEG2于1995年成為國際標準，其目標是達到高級工業標準的圖像質量以及更高的傳輸率。MPEG2所能提供的傳輸率在3Mbit／s～10 Mbit／s之間，在NTSC制式下的分辨率可達720×486．可提供廣播級的圖像質量和CD級的音質，適用于數字電視廣播(DVB)、HDTV和DVD的運動圖像及其伴音的壓縮編碼。目前，MPEG2已得到廣泛應用．如美國、歐洲在DVD和數字電視廣播方面都采用MPEG2壓縮技術。
MPEG3最初是為HDTV開發的編碼和壓縮標準，但由于MPEG2的出色性能表現，已能適用于HDTV，使得MPEG3還沒出世就被拋棄了。
MPEG4于1999年初正式成為國際標準。MPEG4是一個適用于低傳輸速率應用的方案。與MPEGl和MFPEG2相比，MPEG4更加注重多媒體系統的交互性和靈活性。在視頻編碼方面，MPEG4支持對自然和合成的視覺對象的編碼。合成的視覺對象包括2D、3D動畫和人面部表情動畫等。在音頻編碼，MPEG4是在一組編碼工具支持下，對語音、音樂等自然聲音對象和具有回響、空間方位感的合成聲音對象進行音頻編碼的。MPEG4音頻編碼不僅支持自然聲音，而且支持合成聲音。
MPEG4的重要特點包括：(1)基于內容的普遍性。MPEG4能夠直接選取音頻、視頻內容進行編碼，并對其靈活地進行控制和顯示，用戶可以自行選擇場景中的物體的解碼質量，進行家庭影視節目制作和編輯。(2)以AV為對象．增強了交互性和擴展性，從而提高了交互應用的靈活性。(3)將各種功能應用在自然的和合成的AV對象上．增強了節目編輯制作能力。(4)MPEG4在誤碼環境中．尤其是在惡劣誤碼條件下的低比特率應用中的抗誤碼性，有利于節目制作、分配和顯示。
4 結束語
視頻信號被采集到計算機后，就可進入編輯制作階段，由于硬盤錄像機、數字攝像機、非線性編輯系統等數字產品的快速發展，將視頻制作帶人全面數字化時代，視頻的網絡化傳輸和直接播出技術已成為現實。