动态影像和动态图形处理.docx

1、动态影像和动态图形处理第四讲 动态图像技术基础4.1什么是动态图像？1.动态图像动态图像是由一组在时间轴上不断变化的若干帧的静态图像组成的序列。动态图像可分为两类：视频和动画。若每一帧画面是实时获取的自然景物的真实图像则称为视频；而每一帧画面是由计算机或人工制作的具有真实感的图形则称为动画。2.视觉原理动态图像的实现是建立在视觉暂留的基础之上的。视觉暂留是指人在观察物体之后物体的映像在人眼的视网膜上保留一个短暂时间（0.1秒）的一种生物现象。当以足够快的速度连续地、每次略微改变物体的位置和形状，人眼的视觉暂留效应则感觉到物体在连续运动。若按一定顺序排列的一系列静态画面以一定速度连续播放时，人眼

2、则将感受到连续的动态效果。例如，电影是以24帧/秒的速率放映，且采用遮挡板遮挡24次/秒来实现克服视觉暂留，从而使人看到连续流畅且无闪烁的画面。3.动态图像的特点：(1)连续性：在时间轴上以帧为运动单位，属于离散型媒体类。动态图像比静态图像表示的范围广、表现力强。(2)时延性：动态图像数据量大，必须被压缩后才能在计算机中应用。计算机的容量和速度直接影响图像质量。(3)相关性：帧之间的关联是动态图像连续动作形成的基础。也是进行压缩和其他处理的条件，动态图像对错误的敏感性较低。4.动态图像信息处理动态图像信息处理包括：图形动画、数字图像处理以及视频、动画压缩等相关技术。常用的有代表性的动态图像软件

3、有Premiere、GIF Animator、Flash和3DS等。 4.2什么是视频信号？1.视频信号视频信号是指连续地随时间变化的一组25帧/s或30帧/s的图像序列，也称电视信号。伴随着视频图像还有一个或多个音频轨迹以提供电视伴音。视频是多媒体的一种重要媒体，常见的视频信号有：电影、电视、VCD以及DVD等。目前传播的电视信号是模拟信号，模拟视频与数字视频的不同之处仅在于不具备交互性。视频信号的数字化，并对数字视频进行采集、处理、传播和存储是多媒体的一种重要技术。2.电视制式根据帧频（场频）、分解率、信号宽度以及彩色空间转换关系的不同，现行电视制式有三种：(1)NTSC制式：采用正交平衡

4、调幅制。适用于美国、加拿大、日本、韩国、菲律宾及台湾等。(2)PAL制式：逐行倒相正交平衡调幅制，其克服了NTSC制相位敏感造成的色彩失真的缺点。适用于德国、英国等西欧、新加坡、香港、新西兰及中国等。根据参数不同，PAL又分为G、I、D等制式，中国大陆为PAL-D制。(3)SECAM制式：顺序传送与存储恢复彩色信号制，也克服了色彩失真的缺点。采用了时间分隔法来传送两个色差信号。适用于法国、东欧及中东等。3.黑白电视信号（P64） 电视摄像机把一幅图像信号转变成最后的输出信号，其包括图像视频信号、复合消隐信号和复合同步信号，这些信号加在一起称为全电视信号。 以PAL制为例：25帧/s；每帧为62

5、5行，一帧分两场扫描。帧频为25Hz（周期为40ms），场频为50Hz（周期为20ms）；行频率为15626Hz（周期为64s）。每行周期中图像占 52.2s，行逆程消隐占11.8s。 电视信号的标称带宽为6MHz，伴音载频为 6.5MHz。（P65） 4.彩色电视信号 黑白电视只传送一个反映景物的亮度信号即可，而彩色电视则除了传送亮度信号外还要传送色度信号。在彩色电视系统中，通常采用YUV和YIQ彩色空间。其中，Y为亮度信号，必须与黑白电视信号兼容；色差信号U、V用副载波频率sc调制到亮度Y上形成彩色全电视信号。（P6566）5.电视机接收基本原理 电视机从有线或无线接收到微弱的射频电视信号

6、（RF In）后，通过调谐器进行解调，经放大、混频和检波，滤掉高频载波分量，得到PAL、NTSC或SECAM制式的复合全电视信号。从全电视信号中分离出音频和视频信号。音频信号经音频电路处理后送扬声器输出；视频信号（Video In）经视频放大，并将亮度和色度信号分离，得到YC分量信号（S-Video）。最后，将YC信号经转换电路转换成YUV，进而转换成RGB分量信号送显像管显示。6.视频文件格式(1)AVI：Microsoft公司推出的一种以.AVI为后缀的数字视频文件格式。该文件将视频和音频以交叉方式存储，压缩比较高，读取音像信息流畅，易于再编辑和处理，且独立于硬件设备。AVI文件包含3部分

7、：文件头（文件的通用信息、定义数据格式及所用的压缩算法等）；数据块（文件容量的主要部分）；索引块（数据列表及其在文件中的位置等）。可根据要求将该格式的图像分辨率从全屏的640*480调到1/2（320*240）或1/4（160*120）。该文件的容量等于该文件的数据率乘以视频播放的时间。各种多媒体制作软件，如Authorware等都支持该格式。该格式是目前开发多媒体演示节目的主流，主要用于保存电影、电视等各种影像信息，多用于多媒体光盘。(2)MPEG：基于MPEG(Moving Pictures Expert Group)组织所制定的以.MPEG,.MPG为后缀的动态影像存储标准文件格式。该文

8、件格式压缩比高，可以全画面、全动态、音质的模式混合存储视频、音频、文本以及图形数据等。实际上，VCD就是用CD-ROM来记录MPEG-1的数字视频记录的特殊光盘，其最大压缩比可达到1：200，并具有VHS的显示质量和CD-DA高保真立体伴音效果。而DVD则采用的MPEG-2的标准，也是高清晰电视和数字广播电视的基本标准。(3)MOV：Apple（苹果）公司创建的一种以.MOV为后缀的数字视频文件格式。原先只用于MAC机，后来推出了Quick Time for Windows版本，因此支持Quick Time所支持的文件格式。Quick Time能够通过Internet提供实时的数字化信息流、工

9、作流以及文件回放功能。(4)ASF：Microsoft公司推出的一种以.ASF为后缀的高级流媒体视频文件格式。是目前在Internet上实时传播多媒体应用标准。该文件格式的主要优点是：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件下载以及扩展性等。该格式采用MPEG-4标准，压缩比高，质量好。主要应用在NetShow服务器和NetShow播放器上，由独立的编码器将媒体信息编译成ASF流，然后发送到NetShow服务器，再由NetShow服务器将ASF流发送到网络上所有的NetShow播放器上，从而实现单路或多路广播。(5)WMV：Microsoft公司推出的一种以.WMV为后缀的独立于编码方式的在In

10、ternet上实时传播多媒体应用标准的高级流媒体视频文件格式，其目的是取代WAV、AVI文件格式以及Quick Time之类的技术标准。该文件格式的主要优点是：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件下载、可伸缩的媒体类型、流的优先级化、多语言支持、环境独立性、丰富的流间关系以及扩展性等，压缩比高，质量好。(6)RM (Real Video)： Real Netwrks公司推出的一种以.RM为后缀的采用压缩技术和流式播放技术而形成的流式视频文件，也是目前Internet上最流行的跨平台的C/S结构多媒体应用标准。其压缩比高，适用于网络电影电视的应用等。自从Real Encoder5.0问世后，视

11、频RM与音频RA统称为RM文件。4.3视频信号的彩色空间？1.显示器RGB彩色空间 RGB彩色空间适合彩色显示器和彩色显象管。在多媒体系统中不论采用何种形式的彩色空间，最后要通过显示器或显现管输出，因此都应转换成相应的RGB彩色空间表示。根据三色原理，人们可对色彩进行计算和量度。实际应用中要进行光电转换，用基色光单位来表示光的量度。在RGB彩色空间任意彩色光F的配色方程为：F=rR+gG+bB其中，r，g，b为三基色系数，rR，gG，bB为F色光的三基色的分量。任意一种色光的色度，均可由相对色系数中的任意两个唯一确定。若用r，g，b作为坐标，则得到下面的RGB色度图。（P62） 2.视频信号彩

12、色空间（P6364） 在彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD摄像机，将拍摄到的彩色图像信号进行分色，并分别放大校正后得到RGB，再经矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y，最后由发送端将亮度和色差3个信号分别进行编码，用同一个信道发送出去。这就产生了YUV彩色空间（PAL制）和YIQ彩色空间（NTSC制）。 采用色彩空间的重要性在于亮度信号Y和色差信号U（R-Y）、V（B-Y）的分离。若只有Y分量而没有U、V分量，则表示的图像为黑白灰度图，从而解决彩色电视与黑白电视兼容问题。此外，用亮度信号Y传送细节，而色差信号进行大面积着色，可降低彩色图像的存储容量。I、Q与V

13、、U的关系为：（P6263） I=Vcos330 - Usin330 Q=Vsin330 + Ucos330 3.彩色空间的转换(1)亮度方程：人眼对相同程度的单色光的主观亮度感觉不同：若把三基色混合后所得色光亮度定为100%，则人的主观感觉的绿光仅次于白光，是三基色中最亮的；其次为红光，亮度约为绿光的一半；蓝光最弱，其亮度仅占红光的三分之一。因此，根据NTSC制式标准，当白光的亮度用Y表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系由亮度公式表示： Y=0.3R+0.59G+0.11B 该式表明：由各基色组成的亮度Y的比例是恒定的，即比例系数之和为1。(2)YUV彩色空间与RGB彩色空间的转换关系（PAL

14、制）为：(P63)(3)YIQ彩色空间与RGB彩色空间的转换关系（NTSC制）为： 在多媒体计算机系统中涉及到多种彩色空间。彩色空间的表示及其转换，是多媒体计算机彩色图形、彩色图像以及动态图像处理的算法基础。4.5如何将视频信号数字化？1.视频数字化方法(1)复合数字化用高速A/D转换器对全彩色电视信号进行数字化，然后在数字域中分离亮度和色度，以获得YUV分量或YIQ(PAL、SECAM制)或YIQ（NTSC制）分量，最后转换成RGB分量。 (2)分量数字化先将复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后在再3个A/D转换器分别对三个分量分别进行数字化，最后转换成RGB分量。模

15、拟视频信号Y，U，V 数字视频信号2.数字视频的采样格式数字化时，采用附色采样法，即对色差信号分量的采样率低于亮度分量的采样率。若用Y:U:V分别表示YUV三个分量的采样比例，则数字视频采样格式有下列三种：(1)Y:U:V=4:1:1：在每4个连续采样点上取4个亮度Y的值，而色差则分别取第1个点的样本值，共6个样本。显然这种方式的采样比例与全电视信号中的亮度、色度的带宽比例相同，数据量较小。(2)Y:U:V=4:2:2：在每4个连续采样点上取4个亮度Y的值，而色差则分别取第1个点和第3个的样本值，共8个样本。这种方式能给信号的转换留有一定的余量，效果更好，这是通常采样的方式。(3)Y:U:V=

16、4:4:4：在每4个连续采样点上，亮度Y、色差U、V各取1个样本值，共12个样本。显然这种方式具有较高质量的信号源，可保证色彩质量，但信息量大。3.DV数字视频格式 DV是一种数字视频格式。其视频采用4：2：0采样格式、8bit量化，采样DCT帧内压缩算法后的图像质量较Motion-JPEG要高。固定的压缩比为5：1。音频采用32kHz采样频率。16bit量化位数、2声道或12bit、4声道。DV总的数据率为3.6Mbit/S。 目前广为流传的数字摄像机即采用该格式。DV格式的磁轨宽度为10m，其改进格式DVCPRODV的磁轨宽度为18m，DVCPRODV的磁轨宽度为15m。设备的摄录像机及卡

17、座都带有IEEE1394卡，可通过连线和计算机的IEEE1394卡将DV信号无损地传输到计算机中。4.数字视频质量等级 (1)高清晰度电视质量等级：高清晰度是指高分辨率和高帧速率，长宽比一般采用16：9，有1920*1080/60帧/秒、1920*1080/30帧/秒或24帧/秒、1280*720/30帧/秒或24帧/秒等不同规格。(2)演播质量数字电视等级：该等级采用ITU（国际电信同盟）标准进行数字编码。(3)广播质量等级：该等级是基于模拟传输的载体的调制。传输前必须将数字电视摄象机捕捉的视频信号转换为模拟信号进行载波调制。(4)VCR质量等级：该等级是视频具有VHS质量的录象机放映广播质

18、量节目是具有的标准。其分辨率是PAL制式广播电视的1/2。(5)视频会议质量等级：该等级也称低速电视会议质量，其分辨率是电视广播质量的/4，510帧/秒，数据传输率为128kbps。5.数字视频技术标准(1)采样频率fS=13.5MHz。对于4:2:2采样格式，亮度用频率，色差分别用fS/2=6.75MHz。可推出，色差最小采样频率为 3.375MHz(2)分辨率NTSC制为640*480（帧频30）；PAL、SECAM制为768*576（帧频25）(3)数据量实际亮度信号为220级，色度信号为225级，其余位用于同步和控制。若按fS的采样频率，则数字视频的数据量为：13.5(MHz)*8(b

19、it)+2*6.75(MHz)*8(bit)=27(MB/s)6.数字视频压缩标准 (1)MPEG-1标准（1993）：传输速率为1.5Mb，适用于数字存储媒体运动图像和伴音的编码。(2)MPEG-2标准（1994）：传输速率为10Mb，适用于高清晰度电视（HDTV）运动图像和伴音的编码。(3)MPEG-4标准（1999）：传输速率为64kb（低速）、6384kb（中速）和384 kb4Mkb（高速），图像分辨率为720*484，适用于交互式的视频游戏、Internet上的多媒体应用及个人通信等。4.6什么是动画？ 1.动画 动画是一种通过将一系列差别很小的单个相邻的画面，以一定速率连续放映而

20、产生的动态视觉的技术。动画信息是存储在记录媒体上，如胶片、磁带、磁盘、光盘等；其放映是通过灯光投影、电视屏幕、显示器以及投影仪等放映工具进行的。2.动画基本原理动画效果的产生基于人眼的视觉暂留特性。当以足够快的速度连续地、每次略微改变物体的位置和形状，人眼的视觉暂留效应则感觉到物体在连续运动。若按一定顺序排列的一系列静态画面以一定速度连续播放时，则人眼将会感受到连续的动画效果。由于视觉暂留的时间是短暂的，因此画面必须更新，即每秒不得少于一定的数值。例如，电影更新的速率是24格/秒，电视更新的速率是25帧/秒（PAL制），而二维动画的更新的速率一般是8-12帧/秒。由于有效地利用了人眼的视觉暂留

21、，从而使看到的画面连续流畅且无闪烁。3.动画分类可根据其发展历史，可分为传统动画和计算机动画。也可根据视觉空间的不同，分为二维动画和三维动画。还可根据运动控制方式不同，分为实时动画和逐帧动画。(1)传统动画动画的发明早于电影产生于19世纪。第一个动画装置是由一个英国人在1820年发明的。它是利用一根绳子系在一个两侧都有画面的圆盘两端，当圆盘绕绳子中心轴旋转时，可看到两个画面融合在一起的动态效果。真正产生动画的装置是由一条狭缝和一个转盘组成。在转盘上有一个个小画面，每个画面就是一帧。当圆盘以较快速度转动时，从狭缝中可看到完整动作的效果。而电影动画诞生于1902年。在这一阶段的动画称之为传统动画。

22、(2)计算机动画 计算机动画是指利用计算机图像处理技术产生的动画。计算机动画主要分为两大类：二维动画和三维动画。a.二维动画二维动画是基于二维平面的动画，也称为计算机辅助动画。其基本过程是：将手工绘制的画面逐帧输入到计算机，由计算机完成描线上色，然后由计算机控制完成动画的记录工作。二维动画的优点是：给出关键帧及帧间插值规律，可借助计算机进行中间画的计算；上色容易、便于修改。但不足之处是计算机只能起辅助作用，而替代不了富于创造性的初始画面的生成。b.三维动画三维动画是基于三维空间的动画，也称计算机生成动画。其基本过程是：首先创建动画的角色和景物的三维数据，生成事物造型，再将这些造型赋予材质和贴图

23、，并通过插值计算使角色在三维空间产生运动。然后在场景中设置虚拟灯光和摄像机并进行渲染，最后通过合成序列生成一个完整的动画。(3)二维动画和三维动画的比较主要表现在两个方面：一是生成处理方式不同。二维动画是逐帧输入、逐帧处理关键帧而生成的动画；而三维动画是根据型（角色、实物和景物）的三维数据在计算机内部生成的动画；二是空间视觉效果不同。二维动画通过任何视角观看画面时其内容不变；而三维动画通过调整三维空间的视点可看到画面的不同内容。4.动画基本术语(1)关键帧关键帧是指对象在舞台上产生变化的每一帧，它用来定义动画中的变化，包括对象的运动和特点(如大小和颜色)、在场景中添加或删除对象以及添加帧动作等

24、。当动画发生变化时或希望发生动作时，必须使用关键帧。(2)逐帧动画逐帧动画也称关键帧动画，它是通过一帧一帧显示动画的图像序列而实现运动的效果。逐帧动画是从传统动画基础上引申而来的。卡通片就属于逐帧动画。(3)实时动画实时动画也称算法动画，它是采用各种算法实现物体的运动。算法包括运动学算法、动力学算法、随即运动算法等。实时动画一般不需要记录在存储体中，运行时计算机对输入的数据进行快速处理，在人眼觉察不到的时间内将结果随时计算显示出来。电子游戏机中的动画一般都是实时动画。(4)对象移动在实时动画中屏幕上一个局部图像或对象在二维平面上沿某一固定轨迹作步进运动。运动的对象和物体本身的大小、形状及色彩等

25、效果不变。用此方式可实现背景上前景的运动。该前景可以是一个物体，也可以是一段或几个文字。其优点是无须生成动画文件。(5)运动控制也称模拟运动。是指计算机先确定每个物体的位置和相互关系，建立其运动轨迹和速度，选择平移、旋转、扭曲等运动形式，再确定物体形体的变态方式和变异速度。(6)动画数据与动画文件由一帧帧静止图像的有序排列组成，并采用连续播放静止图像的方法产生景物运动的效果。其特点是数据量大、帧与帧之间只有局部内容不同。将动画数据进行压缩，并记录在一定格式的文件中，该文件为动画文件。(7)流控制技术流控制技术是指边下载边播放的技术。其数据存放在一系列连续的帧里面，只要一个帧的所有数据收到后，就

26、可在后续帧的数据到达前播放。流播放是否流畅取决于两个因素：一是每个帧的数据必须尽量小；二是一系列帧下载时间必须小于其播放时间。5.动画文件格式(1)MOV文件：Apple公司推出的基于Quick Time for Windows的以.MOV为后缀的视频文件格式。该文件可采用压缩和不压缩的方式，应用和效果与AVI格式类似。其压缩比大，质量较高，在Windows系统中可用Quick Time进行播放。适合采集和压缩模拟视频，并可从硬件平台上高质量的回放。(2)GIF文件：CompuServe公司开发的以.GIF为后缀的视频文件格式。它支持256种彩色，在一个文件中可记录多幅图像。其采用LZW算法的

27、无失真压缩技术和变长代码，占用空间小，控制各个图像的显示位置、显示时间及透明度等参数灵活，并具有交错显示功能（即下载最初以低分辨率显示，以后逐渐达到高分辨率）和简单的帧动画效果（同一文件中几副画面连续显示），适合网络传输及应用。4.7如何进行动画设计？1.二维动画设计过程(1)总体规划：构思和设计剧本，画出草图。(2)关键帧画面设计：利用动画软件完成关键帧画面的创作、编辑和上色。(3)过度画面设计：利用动画软件按照给定的条件自动生成关键帧画面间的过度画面。(4)画面音效合成：组合画面、衬好背景，再进行音效合成。2.三维动画设计过程设计制作一个三维动画作品，在具体制作之前必须进行大量的前期准备工

28、作，如策划、构思、脚本、分镜头等。三维动画的具体制作步骤：(1)建模：创建场景中各种物体的三维模型。(2)贴图：给三维模型赋予材质和贴图。(3)灯光：给场景安排灯光照明效果。(4)摄像机：给场景安排适当的观察视角。(5)动画：使三维模型按指定的路径运动。(6)渲染：以各种不同细节层次查看构成场景的对象。(7)后期制作：添加效果、后期视频合成及输出。3.常用动画设计软件(1)真三维动画设计软件，如3sd max。(2)可音像合成的二维动画，如Flash。(3)可特技剪辑但不能音像合成的二维软件，如Animator。4.8视频卡的工作原理是什么？ 1.视频信号获取方法（P67）(1)利用计算机生成

29、的动画，如把FLC或GIF动画转换成AVI等视频格式。(2)将静态图像或图形文件序列组合成视频文件序列。(3)通过视频采集卡将模拟视频转换成数字视频，并按数字视频文件格式保存。2.视频信号获取的硬件平台(1)提供模拟视频的输出设备，如录像机、电视机及电视卡等。(2)对模拟视频进行采集、量化和编码的设备，如视频采集卡。(3)接收和记录编码后的数字视频数据的MPC机。3.视频采集卡的接口(1)视频与PC机的接口：通常采用32位PCI总线接口，以实现采集卡与PC机的数据传输。(2)视频与模拟视频设备的接口：通常具有一个复合视频接口和一个S-Video接口。4.视频卡的接口和功能（P68）5.视频卡的

30、工作原理（P7177）4.9触摸屏的基本原理是什么？触摸屏(Touch screen)是一种多媒体定位输入设备。其基本原理是：当用户用手指触摸安装在计算机显示器的触摸屏时，所触摸到的位置(x、y坐标)被触摸屏控制器检测到并通过接口送到CPU，从而确定用户所输入的信息。触摸屏可附在几乎任何监视器上，并可做成平面、球面和柱面等任何形状。触摸屏的应用改善了人机交互方式，有效地提高了人机对话的效率。现已被广泛应用于工业、医疗、通信领域的控制、信息查询等，如邮局查询邮政业务、银行查询账务、宾馆查询服务信息、歌舞厅点歌及饭店点菜等方面。1.触摸屏的分类根据结构特性和介质不同可分为：电阻式、电容式、红外线式

31、和声表面波式。除此之外，还有压力触摸屏和电磁感应触摸屏等。 2.触摸屏基本组成(1)触摸检测装置：直接安装在监视器前端，主要用来检测用户的触摸位置，并将该信息传递给触模屏控制卡。触摸屏的感应器一般安装在CRT的前面并用特殊物质封装。(2)触摸屏控制卡：本身具有CPU和固化的监控程序，其作用是将从触点检测装置上接收触摸信息转化为触点坐标并送给主机，同时还接收主机发来的命令并加以执行。 3.触摸屏工作原理(1)电阻式触摸屏该触摸屏使用一个两层导电高透明度的物质制作的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面，再安装到屏幕上或直接涂到屏幕上。这两个透明涂层之间约有2.5m距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该处的电阻发生变化。在屏幕的x、y坐标轴方向上分别测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。(2)电容式触摸屏该触摸屏是用一个接近透明的金属涂层覆盖在一个玻璃表面上，当手指接触到这个涂层时，由于电容的改变，使得连接在一角的振荡器频率发生变化，测量出频率改变的大小即可确定触摸的位置。 (3)红外线式触摸屏该触摸屏在屏幕四边放置红外线发射和接收管，微处理器控制驱动电路依次接通红外发射管并检查相应的接收管，形成横竖交叉的红外线阵列。触摸时，当手指挡住接触点的横竖两条红外线，微处理器在15ms的时间内检测到这个点的位置并发给计算机相应的x、y坐标值。只要是不透光的触摸头