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第三章 图像与视频的获取与处理
学习目的：　　
　　通过本章的学习，使学生对图像的彩色空间表示及其转换,位图图像信息的获取与矢量图形的生成,视频信息的获取技术和图像文件格式转换有一定的了解和掌握。
学习的知识点：
　　数字视频信号的获取与处理的基本概念，彩色空间的表示及转换、位图图像信息的获取方法、计算机动画的生成原理、视频卡的工作原理。
学习要求：
　　掌握：图像的彩色空间表示及其转换,视频信息的获取技术。
　　理解：位图图像信息的获取与矢量图形的生成,计算机动画的生成。
　　了解：图像文件格式转换。
目录：
　　3.1 图像的彩色空间表示及其转换
　　3.2 位图图像信息的获取与矢量图形的生成
　　3.3 计算机动画的生成
　　3.4 视频信息的获取技术
3．1 图像的彩色空间表示及其转换
一．基本知识
　　 人类获取信息的70~80%来源于视觉。
　多媒体计算机的图像处理和视频效应的过程：首先必须把连续的图像函数f(x,y) 进行空间和幅值上的离散化处理。然后再将离散化的数字信息还原为连续的图像。将空间坐标离散化与图像颜色离散化的两者结合叫做图像的数字化,离散化的结果称为数字图像。
　　1．采样
　　2．量化
1．采样
　　采样（Perceptionmedium）将空间连续坐标(x,y)函数离散化。
　　
　　采样原理（惠特克—卡切尼柯夫—香农）——对连续图像彩色函数f(x,y)，沿x方向以等间隔Δx采样，采样点数为N；沿y方向以等间隔Δy采样，采样点数为N；于是得到一个NxN的离散样本阵列[f(m,n) ]NxN，为了达到最小失真（还原）度，采样密度（间隔Δx与Δy应满足采样频率大于等于二倍的图像变化频率。
　　
　　采用上述采样定理后，所确定的数字图像的还原失真度最小（仍存在失真）。
2．量化
　　量化（Representationmedium）将图像函数f(x,y) 颜色的离散化。
　　　　对每个离散点（像素）的灰度或颜色样本进行数字化处理。即：在样本幅值的动态范围内进行分层、取整，以正整数表示。用G=2m,表示一幅黑白灰度的图像表示为：
级（m） 8 7 6 5 4 3 2 1
灰度级 256 128 64 32 16 8 4 2
二．颜色的基本概念
　　亮度、色调、饱和度
　　三基色(RGB)的原理 　
亮度、色调、饱和度
Y亮度：亮度是光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。主要表现光的强和弱。
H色调：色调是当人眼看一种或多种波长的光时所产生的色彩感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特征。
S饱和度：饱和度是指颜色的纯度即掺入白光的程度，表示颜色深浅的程度。
例如：红 + 白光 =　粉红色 饱和度下降
　　 红 + 另一种颜色的光　　　色调发生变化
色调和饱和度通称为——色度。
三基色(RGB)的原理
　　自然界常见的各种颜色光，都是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度学中最基本的原理—三基色原理。
红色+绿色=黄色
红色+蓝色=品红
绿色+蓝色=青色
红色+绿色+蓝色=白色
RGB和黑白电视信号不兼容，希望空中发射的信号转换成YUV信号。
　　当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色的关系可用如下方程描述：
　　NTSC电视制式：
　　　Y=0.299R+0.587G+0.114B
　　PAL电视制式的亮度方程为：　
　　　Y=0.222R+0.707G+0.071B
三．彩色空间表示
　　1．RGB彩色空间
　　2．CMY色彩空间
　　3．YUV和YIQ彩色空间
　　4．HIS彩色空间 　
1．RGB彩色空间
　　一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，使用RGB相加混合模型。
　　计算机彩色显示器的输入需要RGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色。在RGB彩色空间，任意彩色光F的配色方程可表达为：
F = r[R]（红色百分比） +g[G]（绿色百分比） + b[B]（蓝色百分比）
RGB彩色空间
2．CMY色彩空间
　　一个能不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定，使用CMY相减混合模型。
　　彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜料。
　　油墨或颜料的三基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青色对应蓝绿色；品红对应紫红色。理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。
　　青色，品红，黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。
3．YUV和YIQ彩色空间
电视系统中用YUV和YIQ模型来表示的彩色图像。
·PAL彩色电视制式中使用YUV模型：Y表示亮度信号，U、V表示色差信号，UV构成彩色的两个分量。
·NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。
YUV 彩色空间特点
· 亮度信号（Y）和色度信号（U，V）是相互独立的，也就是Y信号分量构成的黑白灰度图与用U，V信号构成的另外两幅单色图是相互独立的。由于Y，U，V是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。黑白电视机能够接收彩色电视信号也就是利用了YUV分量之间的独立性。
电视系统为什么采用YUV或YIQ模型呢？
·眼对彩色图象细节的分辨本领比对黑白图象低，因此，对色差信号， U , V，可以采用“大面积着色原理”。
大面积着色原理
·用亮度信号Y 传送细节，用色差信号U . V 进行大面积涂色。因此，彩色信号的清晰度由亮度信号的带宽保证，而把色差信号的带宽变窄。正是由于这个原因，在多媒体计算机中，采用了YUV彩色空间，数字化的表示，通常采用Y:U:V = 8:4:4， 或者 Y:U:V = 8:2:2。
·例如8:2:2具体的做法是：对亮度信号Y，每个像素都用8位2进制数表示（可以有256级亮度），而U ， V 色差信号每4个像素点用一个8位数表示，即画面的粒子变粗，但这样能够节约存储空间，将一个像素用24为表示压缩为用12位表示，节约1/2存储空间，而人的眼睛基本上感觉不出这种细节的损失，这实际上也是图像压缩技术的一种方法。
YIQ彩色空间的优点
·美国，日本等国采用了NTSC制式，选用的是YIQ彩色空间。Y仍为亮度信号，I，Q仍为色差信号，他们与U, V不同，（但可以相互转换）。
选择YIQ彩色空间的好处：
·人眼的彩色视觉的特性表明，人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力最强，而分辨蓝与紫之间颜色变化的能力最弱。通过一定的变化，I对应于人眼最敏感的色度，而Q对应于人眼最不敏感的色度。这样，传送Q可以用较窄的频宽，而传送分辨率较强的I信号时，可以用较宽的频带。对应于数字化的处理，可以用不同位数的字节数来记录这些分量。
4．HIS彩色空间
　　　　HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）来描述色彩。
　　　　HSI色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种描述HSI色彩空间的圆锥模型相当复杂，但的确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得很清楚。
HSI彩色空间的优点：
·我们通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。
·采用HSI彩色空间减少彩色图象处理的复杂性，增加快速性，它更接近人对彩色的认识和解释。例如对色调、饱和度和亮度通过算法进行操作。在图象处理和计算机视觉中的大量算法，都可以在HIS空间中方便的使用。它们可以分开处理而且是互相独立的，因此HIS彩色空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。
四．彩色空间的转换及实现技术
　　RGB，HSI，YUV，CMYK等不同的色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着相互转换关系，这种转换可以通过数学公式的运算而得。例如，CMY为相减混色，它与相加混色的RGB空间正好互补。
1．RGB与CMYK彩色空间的转换
　 　CMYK为减基色，RGB为加基色，两个空间正好互补，用白色减去RGB空间中的某一彩色值就等于同种颜色在CMYK空间中的值。
　　　红色＋青色＝绿色＋品红＝蓝色＋黄色＝白色　
RGB相加混色 CMYK相减混色 对应色彩
0 0 0 1 1 1
0 0 1 1 1 0
0 1 0 1 0 1
0 1 1 1 0 0
1 0 0 0 1 1
1 0 1 0 1 0
1 1 0 0 0 1
1 1 1 0 0 0
2．YUV、YIQ、HIS与RGB之间的转换
五．彩色电视信号制式
　　电视信号是视频处理的重要信息源。电视信号的标准也称为电视的制式。目前各国的电视制式不尽相同，不同制式之间的主要区别在于不同的刷新速度、颜色编码系统和传送频率等。目前世界上常用的电视制式有中国、欧洲使用的PAL制，美国、日本使用的NTSC制及法国等国所使用的SECAM制。
　　1．NTSC制
　　2．PAL制
　　3．SECAM
三种彩色电视制式的主要技术指标
TV制式 NTSC PAL SECAM
帧频(Hz) 30 25 25
行/帧 525 625 625
亮度带宽(MHz) 4.2 6.0 6.0
彩色幅载波(Hz) 3.58 4.43 4.25
声音载波(MHz) 4.5 6.5 6.5
1．NTSC制
　　NTSC(National Television Standard Committe)是美国国家电视系统委员会在1953年制定的一种兼容的彩色电视制式，是目前常用的视频标准，在美国、日本和其他国家广为使用。它定义了彩色电视机对于所接受的电视信号的解码方式、色彩的处理方式、屏幕的扫描频率。NTSC制规定水平扫描线有625条，以每秒30帧速率传送。NTSC采用隔行扫描方式，每一帧画面由两次扫描完成，每一次扫描画出一个场需要1/60秒,两个场构成一帧。
2．PAL制
　　PAL(Phase Alternate Lock)是联邦德国1962年制定的一种兼容电视制式。PAL意指“相位逐行交变”，我国和大部分西欧国家都使用这种制式。PAL制规定水平扫描625行、每秒25帧、隔行扫描、每场需要1/50秒。
3．SECAM
　　SECAM(Sequential Color and Memory)称为顺序传送彩色与存储，是用于法国、俄罗斯及几个东欧国家的彩色电视制式。但基本技术及广播方式与NTSC和PAL有很大的区别。
3．3 计算机动画的生成
1．计算机动画的基本概念
（1）什么是动画
动画是一种产生运动图像的过程。运动的图像并不真正运动，它是由许多静止图像所组成的。
计算机动画是采用计算机生成一系列可供实时演播的连续画面的一种技术，即通过计算机产生可视运动的过程。
以下是以8帧/秒显示鸟飞翔的图案形成的动画。
（2）视觉暂留
　　当一系列的图像序列一个接一个，以一个特定的极小时间间隔连续出现，其最终的效果便是一个连续运动的图像(即动画)。
（3）闪烁率
　　一秒钟呈现给眼睛图像的数量决定了景物有“闪烁率”。当眼睛能够测出每一图像帧时，便出现抖动(flicker)，这是因为帧与帧之间的时间间隔太长。
2． 计算机动画的应用
　　① 电影工业: 制作动画和许多特技镜头。
　　② 教育：辅助教学软件出现了大量的计算机动画。
　　③ 科学研究：用来模拟和仿真某些自然现象、物体的内部构造及其运动规律。
　　④ 体育训练：制作辅助训练系统。
　　⑤ 工程设计：如今的CAD软件已能做到设计完成后能动态地将设计结果用三维图形显示出来。
　　⑥ 艺术和广告：提供极大的便利和许多艺术灵感，制作影视广告及各类信息板、广告牌。
３.计算机动画的分类
（1）按生成动画的方式分为：
　　帧到帧动画 (frame by frame animation)，也称为帧动画或关键帧动画，也即通过一帧一帧显示动画的图像序列而实现运动的效果。
　　实时动画 (real time animation) ，实时动画是用算法来实现物体的运动。
（2）按运动控制方式分为
　　①关键帧动画
　　②算法动画
　　③基于物理的动画
①关键帧动画
　　关键帧动画，实际上是基于动画设计者提供的一组画面(即关键帧)，自动产生中间帧的计算机动画技术。
　　实现方法如下：
　　基于图形的关键帧动画：它是通过对关键帧图形本身的插值获得中间画面，其动画形体是由它们的顶点刻画的。运动由给定的关键帧规定，每一个关键帧由一系列对应于该关键帧顶点的值构成，中间帧通过对两关键帧中对应顶点施以插值法来计算，插值法可以是线性的或三次曲线或样条的插值。
　　参数化关键帧动画：一个实体是由构成该实体模型的参数所刻画的，动画设计者通过规定与某给定时间相适应的该参数模型的参数值集合来产生关键帧，然后，对这些值按照插值法进行插值，由插值后的参数值确定动画形体的各中间画面的最终图形。
②算法动画
　　算法动画形体的运动是基于算法控制和描述的。
　　在这种动画中，运动使用变换表(如旋转大小、位移、切变、扭曲、随机变换、色彩改变等)，由算法进行控制和描述，每个变换由参数定义，而这些参数在动画期间可按照任何物理定律来改变。常用的物理定律包括运动学定理、动力学定理。这些定理可以使用解析形式定义或使用复杂的过程(如微分方程的解)来定义。
③基于物理的动画
　　基于物理的动画：是指采用基于物理的造型，运用物理定律以及基于约束的技术来推导、计算物体随时间运动和变化的一种计算机动画。
　　基于物理的造型将物理特性并入模型中，并允许对模型的行为进行数值模拟，使其模型中包含几何造型信息、行为造型信息，它将与其行为有关的物理特性、形体间的约束关系及其它与行为的数值模拟相关信息并入模型中。
动画的运动和变化的控制方法中引进了物理推导的控制方法，使产生的运动在物理上更准确、更有吸引力、更自然。
（3）按变化的性质分为：
　　　　运动动画 (如景物位置发生改变)
　　　　更新动画 (如光线、形状、角度、聚焦发生改变)
4.计算机动画的生成
　　关键帧与背景的绘制及其输入 中间帧（inbetweens）的自动生成 前景与背景的复合 配音 预演（preview），编辑修改 动画输出
　　采用计算机所生成的一系列画面可在显示屏上动态演示，也可记录在电影胶片上或转换成视频信息输出到录像带上。
5. 二维动画
　　
　　由计算机制作的动画画面是二维的透视效果时便是二维动画。二维动画是计算机动画中的一种最简单形式，即使没有专门的动画软件，利用已有的计算机语言也能产生各种动画效果。
　　二维动画实现的一般方法有：字符集动画、图形动画和二维动画软件
①字符集动画
　　在任何一种计算机中都提供了许多字符(如字母等)符号、图符等，我们把这些称为字符集。
　　利用这些字符集中的字符或自己制造一些图符，编一个简单的小程序就可实现二维动画。
　　
举例1：
　　一般在动画创作中，先创作关键帧。
　　例如：设计一个人与另一个人再见的动画，可先设计两幅关键帧，一帧是将手臂伸出做再见的手势，另一帧将手臂放回原处的图案。为了使运动的动作流畅、连续，往往在两个关键帧之间还要补上许多中间帧。我们利用计算机内部提供的字符集就可以设计关键帧与中间帧。
举例2
　　例如：我们设计一个鸟飞行的动画。其过程是：首先选择拼成鸟飞行时各种姿势图案的字符集。我们选择下列四个字符，其点阵的放大图如右。
由左图可以看出，每一帧由3×5个字符拼成，将这4帧以一个特定的顺序循环显示，这只鸟便可飞起来了。下面是循环的序列：帧1（循环开始）→ 帧2→帧3→帧4（循环的中间点）→帧3→帧2→帧1（循环的终点，开始下一轮循环）→帧2?…?
　　由于上述原因，我们称其为循环动画，这是动画中较容易的一种。
②图形动画
　　在两维动画中大量出现的是基于图的动画。这种方法产生的动画将比用字符方式产生的动画有更好的效果。
　　一般在个人计算机中，若不用专门的动画软件，用某一种计算机语言，如BASIC语言也能创作动画。
　　基本方法是：在图形方式下，首先选择某种色彩，然后用绘图语 句，如：DRAW、LINE、Circle等画图，要使图形移动，再选一种新的色彩(往往是底色)将原图再画一遍(即消去原图)。然后，再用另一种颜色在新的位置将原图再画一遍，这种方式对初学者来说容易掌握，但速度、效果等可能不太满意。
　　用该方法产生动画的步骤可分为：
　　产生运动物体 描述运动轨迹 产生运动过程中各运动物体的中间 图像显示运动过程。
③二维动画软件--Flash
　　说起二维动画软件当然不能不提Flash，它是近年来发展最为强劲的一款网络动画制作软件。Flash是Macromedia 公司所推出的软件，目前最新的版本为MX 2004版，并即将发布其MX 2005版（又称8.0版）。Flash 是专门用来设计网页及多媒体动画的软件，它可以为网页加入专业且漂亮的交互式按钮及向量式的动画图案特效，它是目前制作网页动画最热门的软件。
　　Flash 是一个全能型的多媒动画软件，它可以将声音、图像等多媒体文件包含于其中，并具有完善的交互能力。Flash可以设计矢量动画也可以设计位图动画，FLASH的动画绘图方式是采向量方式处理，这样图案在网页中放大或缩小时，不会因此而失真，而且可依颜色或区块做部份的选择来进行编辑，这是与其它绘图软件所不同的地方且，再加上兼容MP3格式的音乐，不但音质直逼音乐CD，容量却只有CD的十分之一，非常适合应用于网络上。
　6.三维动画
　　过去为了产生三维动画，人们不得不用木头、泥土或纸张等建立各种各样的三维模型，再设法使其运动。人类为了方便地交流信息，更多的是将这些三维物体在一个平面上(如纸上)表示。
　　如今即使一个最复杂的三维结构也能被以二维形式表示出来，这种表示方式被大量用于工程设计和影视动画。首先获利的是工程设计和影视制作。设计工程师们能够利用计算机辅助设计(CAD)系统方便地建立设计模型，让计算机自动画出该模型的各种图纸，并能获得用其它物理模型都无法获得的视角效果。
　　利用计算机产生模型的优点能被概括为一个词——控制，即使用计算机你能控制物体的形状、外貌而不受真实世界的物体限制。
建立三维动画可分为五个步骤：
　　建立一个三维模型 应用逼真的材料 加入光线和摄像机 使物体移动 表演
①建立三维模型
　　在一个典型的三维建模软件中，有多种方法构造一个三维模型：
建模对象能从一些原始的物体中产生，或从象立方体、球体、锥体、圆柱这样简单的三维模型中产生。
由二维轮廓线来构造三维物体。在现在的一些三维软件包中已预先设置了许多常用的三维物体，这些三维物体的原始模型往往是用计算机辅助设计软件建立的，他们被存储在一个标准的数据交换格式文件中(.DXF)。例图（二维轮廓线构造三维物体）
　　在计算机中，大多数计算机模型最终是由一些小的三角形或多边形组合而成的。如例图中的人的面孔是由许多多边形拼成的，总共用了不到1000个多边形，而对于一个大的模型，可能需要数十万个多边形。表示模型的其它方法依赖于数学方法和存贮数据，这比用单个多边形拼接更有效。例图（多边形拼成的面孔图）
②应用逼真的材料
　　一旦一个几何形状已经获得或建立，开发动画的下一步便是在实景中用材料附于物体表面。这样做的目的是使物体更具有真实感或更具幻想和有趣。
　　三维计算机动画软件包括一个内部建立的材料库，库中存有多种材料，并提供一个材料编辑器，用于创立或修改材料。
　　指定一种材料最基本的方法是指定其颜色特性。通常颜色特性利用光的三个属性来说明，他们是扩散(diffuse)，光泽(Specular)和环境(ambient)。
扩散分量是指物体自身的颜色；
“光泽”分量是指物体表面光线最强处的光亮程度;
“周围环境”参数是指它在实景中周围的光线。
③加入光线和摄像机
　　为了使物体更具有真实感和达到特殊的修饰效果，必须为已建好的模型加入光线和摄像机。
　　如今的大多数动画软件中，设有许多不同种类的光线。使用聚光灯一般能在物体的后面产生阴影。这通常是与聚光灯相连系的另一个参数，聚光灯在三维动画中是一个想象中的光源，在实际场合中是看不到的，我们只能从物体表面的反光程度和物体的阴影感受到它的存在。?
　　大多数三维动画软件包也含有一个自动摄像机，你可将其设置在场景中的不同位置。该功能实际上是让人们从各个不同的角度来观察场景和场景中的物体。
④使物体移动
　　目前使用最多的是一种称为关键帧的动画实现技术。关键帧动画能被定义为这么一个过程：指派特定数量帧面的物体，让其运动。这些帧面构成了一个动画序列。
　　通常在完成关键帧动画时，现在的软件能让你建立物体之间的某种联系，以使得当一个物体运动时，与它相联系的物体也发生变化。
　　在交互式图形系统中，一般常用关键帧技术产生动画。在这类系统中，你可用鼠标和其它设备去移动关键帧中的物体。
⑤表演
　　为了看看自己创作的模型和场景的实际效果，便可进行表演。这时你可利用软件将其中的摄像机移到期望的位置，然后显示一个单景物。
　　表演实际上是计算机化的处理过程，这意味着计算机需要花费一定的时间为其服务。因此表演的速度受到许多因素的制约。?
　　在软件中有几种不同级别的表演。
单调渐变(flat shading)；
平滑渐变(smooth shading)。
单调渐变和平滑渐变的比较
表演速度上 “单调渐变”最简单和最快. “平滑渐变”花费一点计算机的计算时间，因而显示的时间也相应加长。
表现效果上 一个单调渐变表演给人的感觉是很差的，其结果常常使人看上去像假的。“平滑渐变”克服了单调渐变在物体表面颜色上单调刻板，产生平滑的表现效果。
应用 单调渐变常用在电影的先期制作和时装款式的开发中。
三维动画制作软件--3Ds Max
　　3Ds Max是一款应用于PC平台的元老级三维动画软件，由Autodesk公司出品。它具有优良的多线程运算能力，支持多处理器的并行运算，丰富的建模和动画能力，出色的材质编辑系统。目前在中国，3Ds Max的使用人数大大超过其他三维软件。
　　它提供了两种全局光照系统并且都带有曝光量控制，光度控制灯光，以及新颖的着色方式来控制真实的渲染表现。3ds max也拥有最佳的Direct 3D 工作流程 （可以使用DirectX ）， 使用者可以自己增加实时硬件着色，并且可以非常容易地将作品通过贴图渲染和法线渲染，光线渲染以及支持Radiosity的定点色烘培技术。
　　3ds max的制作效率非常高，再加上一些新的常用的功能就能够很好地发挥使用者的创造力。比如新改良的UVW Unwrap功能就可以让艺术家们非常容易地进行贴图控制，另外还有多边形建模工具。Discreet还对有免费网络渲染功能进行了改良，backburner 可以让使用者同时控制3ds max 以及 combustion 渲染网络。
7. 计算机动画运动控制方法
　　① 运动学方法（显式控制）：是一种传统的动画技术，它是通过几何变换(旋转、比例、切变、位移)来描述运动的。在运动的生成中并不使用物体的物理性质。
　　运动学的控制包括正向运动学和逆向运动学。正向运动学通过变换矩阵对造型树从根到叶子的遍历来确定点的位置，逆向运动学则是从空间某些特定点所要求的终结效果确定所用几何变换的参数。
　　② 物理推导方法（动力学方法）是运用物理定律推导物体的运动。运动是根据物体的质量、惯量作用于物体上的内部和外部的力、力矩以及运动环境中其它物理性质来计算的。动画设计者不必详细规定其运动的细节，采用动力学作为控制技术，建立一个系统。
③ 随机方法：它是在造型和运动过程中使用随机扰动的一种方法。
它与分维造型、粒子系统等方法相结合，确定不规则的随机体(如云彩、火焰等)的运动和变化。
　　④ 自动运动控制方法：指基于人造角色，使用人工智能、机器人技术，在任务级上设计并用物理定律计算运动。
它可用于跟踪实际动作，产生行为动画等。
⑤ 刺激一响应方法：在运动生成期间，考虑环境的相互影响，建立一个神经控制网络，从对象的传感器接受输入，由神经网络输出激发对象运动。
　　采用此方法，可生成反映人面部表情的愉快与忧愁的运动情况等。
　　⑥ 行为规则方法：使用这种方法，从传感器接受输入，由运动的对象感知，使用一组行为规则，确定每步运动要执行的动作。
由人控制传感器输入到计算机中，从而实时产生相应的各种动作。
　8.计算机动画的发展与发展趋势
　　（1）计算机动画的发展
起源于二十世纪六十年代初期;
七十年代初就有人开始研究三维计算机动画;
在八十年代中后期进入实用化;
到了九十年代初期，计算机动画技术应用于电影特技，取得显著成就.
现阶段主要应用于以下几个领域：电影业、电视片头和广告、科学计算和工业设计、模拟、教育和娱乐以及虚拟现实与3D web。
（2）计算机动画的发展趋势
计算机动画的研究涉及具有人的意识的虚拟角色的集成动画系统；
研究内容涉及多种学科的知识、技术和方法，如动画、力学、机器人学、生物学、心理学等。
　
　实现的目标：
能自动产生计算机生成的虚拟角色——人的自然行为；
提高计算机动画运动的复杂性和真实性；
应减少运动描述的复杂性，特别应可在任务级上进行运动的描述，从而解决制作复杂动画的很多难题。
3.4 视频信息的获取技术
　　1.视频的数字化过程
　　要让计算机处理视频信息，首先要解决的是视频数字化的问题。视频数字化是将模拟视频信号经模数转换和彩色空间变换转为计算机可处理的数字信号，与音频信号数字化类似，计算机也要对输入的模拟视频信息进行采样与量化，并经编码使其变成数字化图像。
　　（1）视频信号的采样
　　（2）数字视频的采样格式
（1）视频信号的采样
对视频采样的基本要求
　　对视频信号进行采样时必须满足三个方面的要求。
要满足采样定理。对于PAL制电视信号。视频带宽为6MHz，按照CCIR601建议，亮度信号的采样频率为13.5MHz ，色度信号为6.75MHz。
采样频率必须是行频的整数倍。这样可以保证每行有整数个取样点，同时要使得每行取样点数目一样多，具有正交结构，便于数据处理。
要满足两种扫描制式。数字视频信号的采样频率和格式现行的扫描制式主要有625行/50场和525行/60场两种，它们的行频分别为15625Hz和15734.265Hz。
（2）数字视频的采样格式
　　根据电视信号的特征，亮度信号的带宽是色度信号带宽的两倍。因此其数字化时对信号的色差分量的采样率低于对亮度分量的采样率。如果用Y：U：V来表示YUV三分量的采样比例，则数字视频的采样格式分别有4:1:1、4:2:2和4:4:4三种。
　　
　　 电视图像既是空间的函数，也是时间的函数，而且又是隔行扫描式，所以其采样方式比扫描仪扫描图像的方式要复杂得多。分量采样时采到的是隔行样本点，要把隔行样本组合成逐行样本，然后进行样本点的量化，YUV到RGB色彩空间的转换等等，最后才能得到数字视频数据。 　　
2. 视频采集卡的功能简介
　　目前，广为流行而功能较单一的视频采集卡有新加坡Creative Labs公司的Video Blaster SE，Video Blaster SE100，Video Blaster FS200和 Video Blaster RT300等。它们只能接收AV信号，不能收看电视节目，多用于与录像机或摄像机相接。还有如Video Plus，它其实是一块TV转VGA的转换卡。另外有一些具有组合功能的几合一卡，如北京银河公司的四合一卡、台湾丕文公司的PV123三合一卡，都是集视频采集、MPEG解压、电视于一身的卡，只不过这些卡并没有标准、形形色色，难以一概而论。
　　视频采集卡的主要功能
　　典型视频采集卡
视频采集卡的主要功能
是从动态视频中实时或非实时捕获图像并存储。它可以将摄像机、录像机和其它视频信号源的模拟视频信号转录到计算机内部，也可以用摄像机将现场的图像实时输入计算机。视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。
视频采集卡不但能把视频图像以不同的视频窗口大小显示在计算机的显示器上，而且还能提供许多特殊效果，如冻结、淡出、旋转、镜像等。
　典型视频采集卡
1 Video Blaster SE100卡
2 Video Blaster RT300卡
3 MegaMotion卡
4 Video It!卡
5 SNAPplus-VL卡
6 Video Star Pro卡
7 Intel Smart Video Recorder Pro卡
8 Miro Video DC1卡
3. 视频采集卡的工作原理
　　视频采集卡是一个安装在计算机扩展槽上的一个硬卡。它可以汇集多种视频源的信息，如电视、影碟、录像机和摄像机的视频信息，对被捕捉和采集到的画面进行数字化、冻结、存储、输出及其他处理操作，如编辑、修整、裁剪、按比例绘制、像素显示调整、缩放功能等。视频卡为多媒体视频处理提供了强有力的硬件支持。
　　视频采集卡的工作原理图
　　视频采集的过程
视频采集卡的工作原理图
视频信号源、摄像机、录像机或激光视盘的信号经过A/D变换，送到多制式数字解码器进行解码得到Y、U、V数据，然后由视频窗口控制器对其进行剪裁，改变比例后存入幀存储器。幀存储器的内容在窗口控制器的控制下，与VGA同步信号或视频编码器的同步信号，再送到D/A变换器模拟彩色空间变换矩阵，同时送到数字式视频编辑器进行视频编码，最后输出到VGA监视器及电视机或录像机。
采集视频的过程主要包括如下几个步骤：
设置音频和视频源，把视频源外设的视像输出与采集卡相连、音频输出与MPC声卡相连。
准备好MPC系统环境，如硬盘的优化、显示设置、关闭其他进程等。
启动采集程序，预览采集信号，设置采集参数。启动信号源，然后进行采集。
播放采集的数据，如果丢帧严重可修改采集参数或进一步优化采集环境，然后重新采集。
由于信号源是不间断地送往采集卡的视频输入端口的，可根据需要，对采集的原始数据进行简单的编辑。如剪切掉起始和结尾处无用的视频序列，剪切掉中间部分无用的视频序列等，以减少数据所占的硬盘空间。

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