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1.1 数字视频的基础频知识

导读

美国人E. S．鲍特通过剪接、编排电影胶片的方式来编辑电影，从而成为运用交叉剪辑手法为电影增加戏剧效果的第一位导演，电影编辑的概念由此诞生。本节主要讲述数字视频的基础知识。

1.1.1 模拟信号与数字信号

微课堂 00分31秒

现如今，数字技术正以异常迅猛的速度席卷全球的视频编辑领域。数字视频也逐步取代模拟视频，成为新一代视频应用的标准。下面介绍模拟信号与数字信号的相关知识。

1. 模拟信号

模拟信号是指用连续变化的物理量来表达信息，通常又被称为连续信号。它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。实际生产活动中的各种物理量，如摄像机录下的图像，录音机录下的声音，车间控制室所记录的压力、转速、湿度等都是模拟信号，如图1-1所示。

模拟信号的幅度、频率或相位都会随着时间和数值的变化而连续变化，这使得任何干扰都会造成信号失真。长期以来的应用实践也证明，模拟信号在复制或传输过程中，会不断发生衰减，并混入噪波，从而使其保真度大幅降低。对此，人们想了许多办法。一种办法是采取各种措施来抗干扰，如给传输线加上屏蔽、采用调频载波来代替调幅载波等，但是这些办法都不能从根本上解决干扰的问题。另一种办法则是设法除去信号中的噪声，把失真的信号恢复过来。但对模拟信号来说，由于无法从已失真的信号中较准确地推知出原来不失真的信号，使得这种办法也很难有效，有时甚至越弄越糟。

2. 数字信号

数字信号是指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示，如图1-2所示。

在数字电路中，由于数字信号只有0、1两种状态，它的值是通过中央值来判断的，在中央值以下规定为0，以上规定为1。所以即使混入了其他干扰信号，只要干扰信号的值不超过阈值范围，就可以再现原来的信号。即使因干扰信号的值超过阈值范围而出现了误码，只要采用一定的编码技术，也很容易将出错的信号检测出来并加以纠正。因此，与模拟信号相比，数字信号在传输过程中具有更强的抗干扰能力、更远的传输距离，且失真幅度小。

知识拓展：数字信号的其他优点

数字信号在传输过程中不仅具有较强的抗干扰性，还可以通过压缩使其占用较少的带宽，实现在相同的带宽内传输更多、更高音/视频等数字信号的效果。此外，数字信号还可用半导体存储器来存储，并可直接用计算机处理。

1.1.2 视频编辑术语

微课堂 1分03秒

帧、帧速率和场这些词汇都是视频编辑中常常出现的专业术语，它们都与视频播放有关。下面逐一对这些专业术语和与其相关的知识进行介绍。

1. 帧

帧就是影像动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。一帧就是一幅静止的画面，连续的帧就形成动画，如图1-3所示。

2. 帧速率

在播放视频的过程中，播放效果的流畅程度取决于静态图像在单位时间内的播放数量，即“帧速率”，其单位是fps（帧/秒）。帧速率是指每秒刷新图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒能够刷新几次。对影片内容而言，帧速率指每秒所显示的静止帧格数。要生成平滑连贯的动画效果，帧速率一般不小于8fps。目前电影的帧速率为24fps，而电视画面的帧速率则为30fps或25fps。捕捉动态视频内容时，此数字越高越好。

3. 隔行扫描和逐行扫描

扫描方式是指电视机在播放视频画面时采用的播放方式。电视机的显像原理是通过电子枪发射高速电子来扫描显像管，并最终使显像管上的荧光粉发光显像。在这一过程中，电子枪扫描图像的方法分为两种：隔行扫描和逐行扫描。

隔行扫描是指电子枪首先扫描图像的奇数行或偶数行，当图像内所有的奇数行或偶数行全部扫描完成后，再使用相同的方法逐次扫描偶数行或奇数行，如图1-4所示。

逐行扫描是指在显示图像的过程中，采用依次扫描每行图像的方法来播放视频画面，如图1-5所示。

早期由于技术原因，逐行扫描整幅图像的时间要大于荧光粉从发光至衰减所消耗的时间，因此会造成人眼的视觉闪烁感。在不得已的情况下，只好采用一种折中办法，即隔行扫描。在视觉滞留现象的帮助下，人眼并不会注意到图像每次只显示一半，因此很好地解决了视频画面的闪烁问题。

然而随着显示技术的不断提高，逐行扫描引起的视觉不适问题已经解决。由于逐行扫描的显示质量优于隔行扫描，因此隔行扫描技术已被逐渐淘汰。

4. 场

在采用隔行扫描方式进行播放的显示设备中，每一帧画面都会被拆分开进行显示，而拆分后得到的残缺画面即被称为“场”。也就是说，帧速率为30fps的显示设备，实质上每秒需要播放60场画面；而对帧速率为25fps的显示设备来说，其每秒需要播放50场画面。

在这一过程中，一幅画面首先显示的场被称为“上场”，而紧随其后进行播放的、组成该画面的另一场则被称为“下场”。

知识拓展：“场”概念的适用范围

“场”的概念仅适用于采用隔行扫描方式进行播放的显示设备（如电视机）。对采用胶片进行播放的显像设备（胶片放映机）来说，由于其显像原理与电视机类产品完全不同，因此不会出现任何与“场”有关的内容。

1.1.3 分辨率、帧宽高比和像素

微课堂 1分02秒

分辨率、帧宽高比和像素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。下面详细介绍这方面的知识。

1. 分辨率与像素

分辨率可以从显示分辨率与图像分辨率两个方面来分类。

显示分辨率（屏幕分辨率）是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也就越多，所以分辨率是一个非常重要的性能指标。可以把整幅图像想象成是一个大型的棋盘，而分辨率的表示方式就是所有经线和纬线交叉点的数目。显示分辨率一定的情况下，显示屏越小，图像越清晰；反之，显示屏大小固定时，显示分辨率越高，图像越清晰。

图像分辨率则是单位英寸中所包含的像素点数，其定义更趋近于分辨率本身的定义。

像素仅仅只是分辨率的尺寸单位，而不是画质。从定义上来看，像素是指基本原色素及其灰度的基本编码。像素是构成数码影像的基本单元，通常以像素每英寸PPI（pixels per inch）为单位来表示影像分辨率的大小。例如300PPI×300PPI分辨率，既表示水平方向与垂直方向上每英寸长度的像素数都是300，也可表示为一平方英寸内有9万像素。

如同摄影的相片一样，数码影像也具有连续性的浓淡阶调。若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单元——像素。这种最小的图形单元在屏幕上显示通常是单个的染色点。越高位的像素，其拥有的色板越丰富，也就越能表达颜色的真实感。

2. 帧宽高比和像素长宽比

帧宽高比即视频画面的长宽比例，以前电视画面的宽高比通常为4∶3，电影则为16∶9。但随着技术的发展以及人们审美的提高，电视画面的宽高比也逐渐向16∶9靠拢。

像素长宽比，则是指视频画面内每像素的长宽比，具体比例由视频所采用的视频标准决定。

由于不同显示设备在播放视频画面时的像素宽高比有所差别，因此当某一显示设备在播放与其像素宽高比不同的视频时，就必须对图像进行矫正，否则视频画面的播放效果便会较原效果产生一定的变形。

知识拓展：影响视频分辨率的因素

在实际应用中，视频画面的分辨率会受到录像设备和播放设备的限制。例如在传统电视机中，视频画面的垂直分辨率表现为每帧图像中水平扫描线的数量，即电子束穿越荧屏的次数。至于水平分辨率，则取决于录像设备、播放设备和显示设备。例如，老式VHS格式录像带的水平分辨率为250线，而DVD的水平分辨率则为500线。