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数 字 视 频 技 术
第二部分
素材获取处理篇
项目五
一、帧和帧速率
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电影和电视中显示的动态影像实质上是由一幅幅静态图片连续播放形成的，由于人眼具有视觉暂留的特性，就会认为图片中的静态元素动了起来。组成视频的每一幅静态图像称为“帧”，而每秒钟显示的图片数量称为帧速率，单位是帧/秒（fps）。
在播放视频的过程中，播放效果的流畅程度取决于帧速率。目前，电影画面的帧速率为24 fps，而电视画面的帧速率则为25 fps或30 fps。
项目五 数字视频技术
任务一 了解视频处理相关概念
二、扫描方式和场
现代人观看视频的渠道越来越多，如电视机、电脑显示器、手机屏幕等，大家在观看视频所呈现的精彩画面的同时，是否想过每一幅（帧）画面是如何显示出来的呢？
早期的CRT电视机和显示器以电子枪扫描的方式显示图像。其中，显示器采用的是逐行扫描，即从图像左上角开始由左向右水平扫描，当扫描点到达图像右侧边缘时，快速返回左侧进行另一行扫描，由此以点成线，以线成面，最终完成一幅图像的显示。
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传统电视机采用隔行扫描来显示图像，该方式下，电子枪首先扫描图像的奇数行（或偶数行），当扫描完所有的奇数行（或偶数行）后，再使用相同方法扫描偶数行（或奇数行）以填补上一场扫描留下的空缺，即分两场显示一幅图像，如图5-1所示。由此可见，场速率是帧速率的2倍。例如，若视频播放速度为30帧/秒，实质每秒需要播放60场画面。
上场
下场
图5-1 隔行扫描和场
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隔行扫描又分为上场优先和下场优先两种表现形式。其中，上场优先也称为奇场优先，即优先扫描奇数行（1，3，5，7，9……）；下场优先也称为偶场优先，即优先扫描偶数行（2，4，6，8，10……）。
在视频编辑软件中编辑视频时需要正确地设置扫描方式，如果设置为隔行扫描，则还需要正确地设置场序，否则播放时会出现画面抖动的问题。至于设置为何种扫描方式，以及上场优先还是下场优先，可根据素材自身的场和作品的应用来决定。
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三、视频时间码
时间码用来确定视频的长度，识别和记录视频数据流中的每一帧。从一段视频的起始帧到终止帧，其间的每一帧都有一个唯一的时间码，从而方便对视频进行精确定位和编辑。目前常用的时间码是由美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的，其格式为：
小时（h）: 分钟（m）: 秒（s）: 帧（f）
例如，一个视频片段的长度为00:01:30:12，表示它持续播放1分钟30秒12帧。
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四、视频像素与分辨率
像素和分辨率都是影响视频质量的重要因素，与视频的播放效果有着密切联系。
像素是组成图像的最基本元素，每个像素只能显示一种颜色，各个像素共同组成了整幅图像。至于分辨率，则是指一幅图像中像素的数量，通常用“水平方向像素数量×垂直方向像素数量”的方式来表示，例如720×576、1 280×720、1 920×1 080等。
像素和分辨率对视频质量的影响在于：在画面尺寸相同的情况下，分辨率越大，像素数量也就越多，视频的清晰度也就越高；反之，视频画面的清晰度也就越低。
提 示
在传统电视机中，视频画面的垂直分辨率表现为每帧图像中水平扫描线的可视数量。至于水平分辨率，则是每行扫描线中包含的像素数。
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五、帧宽高比与像素宽高比
帧宽高比即视频画面的宽高比，电视视频的常见规格为传统的4∶3和宽屏的16∶9，如图5-2所示；一些电影具有更宽的比例。至于像素宽高比，则是指视频画面内每个像素的长宽比，具体比例由视频所采用的视频标准决定。
计算机显示器一般使用正方形像素显示画面，其像素宽高比为1.0；电视机一般使用矩形像素，如标准PAL电视制式的像素宽高比为1.07，宽屏PAL制式的像素宽高比为1.42。这也是为什么标准和宽屏PAL电视制式的分辨率都为720×576，但视频画面的宽高比一个是4∶3，一个是16∶9的原因。视频画面的宽高比是由分辨率和像素宽高比共同决定的。
（a）4∶3画面
（b）16∶9画面
图5-2 帧宽高比
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电视制式是实现电视画面、伴音及其他电视信号正常传输与重现的方法与技术标准，因此也称为电视标准。电视制式的出现，保证了电视机、视频及其他相关设备之间所用标准的统一或兼容。目前世界上通用的电视制式有NTSC制、PAL制和SECAM制3种。
六、电视制式
NTSC制式：
由美国国家电视标准委员会（National Television Standards Committee，NTSC）制定，视频帧速率为29.97 fps，扫描线为525行，分辨率为720×480像素，隔行扫描，每秒约播放60场画面。采用NTSC制式的国家和地区有美国、加拿大、墨西哥、日本、韩国和中国台湾等。
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PAL制式：
PAL是英文Phase Alteration Line的缩写，这种制式的视频帧速率为25 fps，扫描线为625行，分辨率为720×576像素，隔行扫描。采用PAL制式的国家和地区有中国、绝大部分欧洲国家、南美和澳大利亚等。
提 示
在扫描显示视频画面的过程中会产生逆程线。例如，扫描线为525行，其中会产生45行左右的逆程线，实际有效扫描线（即构成图像的扫描线）只有480行左右，因此可视垂直分辨率为480像素左右。
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SECAM制式：
SECAM是法文Sequentiel Couleur A Memoire的缩写，它与PAL制式有着相同的帧速率和扫描线数，但其色度信号的调制方式与NTSC和PAL制式不同，它不怕干扰，彩色效果好，但兼容性差。采用SECAM制式的国家和地区有俄罗斯、法国、中东和大部分非洲国家等。
提 示
电视制式是电视独有的一种标准，如果制作的影视作品要在国内电视上播放，在Premiere Pro中新建和输出序列时应选择PAL制式。
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如果将视频从画面清晰度来分类的话，可分为标清（SD）、高清（HD）和超高清（UHD）三种层次，它们是分辨率上的差别，而不是文件格式上的差异。
七、标清和高清
标清（SD）：
即视频的垂直分辨率在720 p以下。例如，分辨率在500线左右（通常为480 p）的VCD、DVD、电视节目等。
高清（HD）：
即视频的垂直分辨率达到720 p以上。关于高清的标准，国际上公认的有两条：
① 视频垂直分辨率超过720 p或1 080 i；
② 视频宽高比为16∶9。
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超高清（UHD）：
国际电信联盟最新批准的信息显示，“4K分辨率（3 840×2 160像素）”的正式名称被定为“超高清”。同时，这个名称也适用于“8K分辨率（7 680×4 320像素）”。
一般使用垂直分辨率来界定视频属于标清还是高清。在描述视频的垂直分辨率时，通常都会在分辨率后添加p或i标识，以表明视频在播放时采用逐行扫描（p）还是隔行扫描（i）。1 080 p（即视频的垂直分辨率为1 080线逐行扫描）是高清的顶级规格，因此又被称为“全高清（FHD）”。
知识库
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在制作影视作品的过程中，经常会发现有些视频文件无法导入软件中进行编辑，或导入后出现播放不正常的问题。一般情况下，这些问题都是由视频的编码引起的。那么什么是视频编码呢？
所谓视频编码就是指使用特定技术对视频进行压缩，以在尽量不损害其播放效果的情况下减少其大小的一种技术。常见的视频编解码标准有MPEG（运动图像专家组）制定的MPEG系列编码，ITU-T（国际电信同盟-电信标准化部门）主导制定的H.26x系列编码，以及Real-Networks公司的RealVideo编码、微软公司的WMV和VC-1编码等。
八、常见的视频编码
提 示
要在电脑中处理和播放视频，需要安装相应的编码/解码器。例如，大多数视频播放器都包含各种视频解码器，播放视频的过程其实就是使用相应的解码器对视频进行解码的过程。
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下面主要介绍目前常用的MPEG和H.26x系列编码。
MPEG2：
MPEG2是高分辨率数字视频编码标准。MPEG2相比MPEG1提高了视频的分辨率，满足了用户对高清晰度视频的要求，但由于其对视频的压缩率没有多少提高，使得视频存储容量太大，不适合网络传输。MPEG2编码的典型应用为DVD。
MPEG系列编码
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MPEG4：
MPEG4采用了先进的压缩技术，使用它编码的视频无论清晰度还是压缩率都比MPEG2有显著提高，更适合网络传输。此外，MPEG4编码可以方便地动态调整视频的帧速率和比特率，以降低视频大小。
到目前为止，已经公布的MPEG编码主要有MPEG1/2/4，其中MPEG1已基本被淘汰，下面主要介绍MPEG2和MPEG4。
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H.264：
H.264也被称为H.264/AVC或者H.264/MPEG-4 AVC，它是由ITU-T（国际电信同盟-电信标准化部门）和MPEG（运动图像专家组）在MPEG4编码技术的基础上联合制定的高度压缩数字视频编码标准。H.264最大的优点是具有很高的压缩比，在同等视频清晰度的条件下，H.264的压缩比是MPEG4的1.5～2倍。
H.26x系列编码
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H.265：
H.265是H.264的升级版本，又名HEVC（High Efficiency Video Coding，高效率视频编码）。在同样的画质和码率下，使用H.265编码的视频比使用H.264编码的视频占用的存储空间理论上要少50%；如果视频占用的存储空间一样大，在相同的码率下，使用H.265编码的视频比H.264编码的视频画质更高。
H.26x系列编码包括H.261、H.262、H.263、H.264、H.265，目前应用最广泛的是H.264和H.265编码。
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视频码率也叫视频比特率，是指视频数据每秒输出的数据量，单位为kbps或Mbps。例如，800 kbps表示视频每秒输出800 kb（或100 KB）的数据。在分辨率和编码相同的情况下，视频码率越高，视频越清晰，同时占用的存储空间或网络带宽也越大。
在输入、输出视频或转换视频格式时，往往需要选择视频编码并设置视频的分辨率和码率，它们影响着视频的清晰度和占用的存储空间。一般情况下，设置的视频分辨率不应大于原始视频的分辨率，否则视频清晰度不会提高，但会占用更多的存储空间或带宽。此外，视频分辨率相对于原始视频分辨率最好是等比例缩放，否则会造成画面变形。
在视频分辨率确定后，可根据视频分辨率、画面内容、播放环境和使用的编码确定码率。例如，对于使用H.264编码的普通视频，当分辨率为640×480时，可将码率设为1～2 Mbps之间；当分辨率为1280×720时，可将码率设为2～4 Mbps之间；当分辨率为1920×1080时，可将码率设为4～8 Mbps之间。如果视频在手机端播放，可将码率设置得相对低一些；如果在PC端播放，则可将码率设置得相对高一些。码率越高，在编码、解码时对计算机CPU、显卡和内存等硬件配置的要求越高。
要查看原始视频的分辨率、编码和码率等信息，可在播放视频时右击播放画面，从弹出的快捷菜单中选择“媒体信息”或类似选项。
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任务一 了解视频处理相关概念
我们常说的诸如AVI、MP4等视频格式与视频编码是不同的概念，但二者有一定的联系。视频格式指的是对编码后的视频流进行封装的方式。采用相同编码的视频流可以使用不同的格式进行封装。目前常见的视频格式如表5-1所示。
九、常见的视频格式
格式 格式说明
AVI 微软推出的视频格式，可用来封装多种编码的视频流，如H.264、H.265、MPEG2、MPEG4等
MKV 与AVI格式一样，可用来封装多种编码的视频流，被誉为万能封装器
MOV 苹果公司开发的音视频文件格式，可以提供体积小、质量高的视频
MP4 目前被广泛应用于封装H.264、H.265和MPEG4编码的视频
3GP 相当于MP4格式的简化版本，但文件体积更小，是手机上经常使用的视频格式。3GP格式支持H.263和MPEG4视频编码
RM/RMVB 用来封装采用RealVideo编码的音视频流，优点是具有很高的压缩比，缺点是多数视频编辑软件不支持RealVideo编码，需要转码才能使用
TS 高清视频专用的封装容器，多见于原版的蓝光、HD DVD转换的视频影片，这些影片一般采用H.264、VC-1等视频编码
VOB 是DVD视频使用的格式，使用MPEG2编码
FLV FLV格式是Adobe公司推出的视频格式，使用该格式的视频具有文件体积小，适合在网络上播放等优点，目前被许多在线视频网站使用。
表5-1 常见的视频格式

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