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第1章数字视频处理基础;1.1绪论

随着电子信息技术的发展,人们已经能够利用各种电子设备完成视频信息的采集、编解码、存储、传输和处理等操作,为高效地分析和处理客观世界提供了丰富的手段。

在视频应用系统中,数字视频处理技术一直吸引着国内外广大科技人员,并已成为新的研究热点。本节首先阐述数字视

频处理的概念、组成及应用,从而使读者对数字视频处理技术有一个基本的认识。;1.1.1数字视频处理概述

视频是一组在时间轴上有序排列的图像,是二维图像在一维时间轴上构成的图像序列,又称为动态图像、活动图像或者运动图像。它不仅包含静止图像所包含的内容,还包含场景中目标运动的信息和客观世界随时间变化的信息。电影、电视等都属于视频的范畴。;早期的视频主要是模拟的视频信号,如传统的广播电视信号就是一种典型的模拟视频信号,它由摄像机通过电子扫描将随时间和空间变化的景物进行光电转换后,得到一维的时间函数的电信号,其电平的高低反映了景物的色彩值。模拟视频信号在传输、存储、处理和交互操作等方面具有很大的局限性,为此,可以将视频信号数字化,得到数字视频信号。数字视频信号便于传输、存储、处理和加密,无噪声累积,便于多媒体通信和设备的小型化。随着数字电路和微电子技术的进步,特别是超大规模集成电路的快速发展,数字视频信号的优点越来越突出,应用越来越广泛,例如高清晰度电视(HDTV)、多媒体、视频会议、移动视频、监控系统、医疗设备、航空航天、教育、电影等。;数字视频信号处理系统主要包括视频信号的采集、数字化、视频编解码、存储、处理、传输、回放等主要模块。广义地讲,上述内容都属于数字视频处理的范畴。与之相对应,狭义的数字视频信号处理主要指对已数字化的视频信号进行某种特殊功能的分析和加工,如运动估计、视频压缩、运动对象分割、运动目标跟踪及动态场景分析等。

数字视频处理技术的发展历史可大致分为初级阶段、主流阶段和高级阶段。在初级阶段,由于处理、存储和传输能力的不足,计算机通常捕获单幅视频图像,将其以指定???文件格式存储起来,再利用图像处理技术进行处理,将结果保存下来用于需要的各种场合。;随着计算机软硬件性能的不断提高,以及视频采集设备、大容量存储设备、视频显示设备等不断升级,最终使得视频捕获、存储、播放在个人台式机上成为可能。由此进入数字视频处理的主流阶段,即模拟视频不再是视频处理的主流。这其中非常关键的是压缩解压缩(Codec)技术的成熟,压缩可以极大地降低数据量(达数十上百倍)。

在高级阶段,视音频处理硬件与软件技术高度发达,这些都为数字视频的流行起到了推动作用。在这个阶段,数字视频被进一步标准化,各种数字视频处理的应用不断丰富,如智能视频监控、视频增强、视频滤波等。数字视频处理的理论和技术成为研究的前沿和热点。;1.1.2数字视频处理系统组成

一个基本数字视频处理系统的构成可用图1-1来表示。图中各模块都有特定的功能,分别是输入、输出、存储、通信、处理和分析。为完成各自的功能,每个模块都需要一些特定的设备。;;1.输入模块

视频信号采集的常用工具包括录像机或摄像机等。摄像机种类繁多,其工作的基本原理都是一样的,即把光学图像信号转变为电信号,以便于存储或传输。当拍摄一个物体时,此物体上反射的光被摄像机镜头收集,使其聚焦在摄像器件的受光面(如摄像机的靶面)上,再通过摄像器件把光信号转变为电信号,即得到了“视频信号”。

随着电子技术的发展以及全球数字化进程的推进,视频的采集设备和采集方式有了很大的进展,直接采集数字视频的设备得到了广泛的开发和应用。;2.输出模块

视频输出的主要功能是将经过系统处理后的视频图像信号以用户能感知的形式显示出来。目前,常用的显示设备有阴极射线荧光屏(CRT)、液晶显示屏(LCD)、等离子体显示屏(PDP)、场发射显示板(FED)等。

在诸多显示器中,阴极射线荧光屏的发展历史最久,技术最成熟。液晶显示屏的主要特点是高性能、彩色、高分辨率、快速、轻薄,但工艺复杂、成本高。等离子体显示屏的主要特点是大屏幕、全彩色和视频显示,其主要应用领域是公共场所信息显示、广告、电视和HDTV等。场发射显示板被认为是CRT的最好继承者,具有CRT的优点,又克服了CRT体积笨重的缺点,而且功耗较低,但其结构复杂、封装困难、寿命问题还未解决,一旦寿命和制造问题得到解决,FED将会成为新一代的显示器。;3.存储模块

视频数据量非常大,对存储设备要求很高。视频存储设备分为内置存储和外置存储两大类,外置存储又分为直连存储和网络存储两类。内置存储主要指本地存储,如光盘、磁盘、磁带等各种存取器件。直连存储依赖服务器主机操作系统进行数据的IO读写和存储维护