动态影像和动态图形处理.docx
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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 625 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 64μs）。
每行周期中
图像占 52.2μs，行逆程消隐占 11.8μs。
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 ωsc 调制到亮度 Y
上形成彩色全电视信号。
（P65~66）
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（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：
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。
该文件格式压缩比高，可以全画面、全动态、
ＣＤ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
Internet 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=r[R]+g[G]+b[B]其中，r，g，b
为三基色系数，r[R]，g[G]，b[B]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.视频信号彩色空间（P63~64）
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、U 的关系为：
（P62~63）
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 制）为：
（P63）
⎡Y ⎤⎡ 0 ⋅ 30 ⋅ 590 ⋅11 ⎤⎡R ⎤
⎢ ⎥⎢
⎢V ⎥⎢ 0 ⋅ 61- 0 ⋅ 52- 0 ⋅ 096⎥⎢B ⎥
（3）YIQ 彩色空间与 RGB 彩色空间的转换关系（NTSC 制）为：
⎡Y ⎤⎡ 0 ⋅ 30 ⋅ 590 ⋅11 ⎤⎡R ⎤
⎢ ⎥⎢
⎢Q⎥⎢0 ⋅ 21 - 0 ⋅ 52- 0 ⋅ 31⎥⎢B ⎥
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。
模拟视频信号
Y，U，V
预处理 采 样 量 化 PCM 编码
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=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 10μm，其改进
格式 DVCPRODV 的磁轨宽度为 18μm，DVCPRODV 的磁轨宽度为 15μm。
设备的摄录像机
及卡座都带有 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/4，5~10 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（bit）+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）、6４～384kb（中速）和 384
kb~4Mkb（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，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。
（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，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。
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.视频卡的工作原理（P71~77）
4.9 触摸屏的基本原理是什么？
触摸屏（Touchscreen）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
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