Transcript 3 - Wei Shen

多媒体技术与通信
上海大学通信与信息工程学院
2014年9月
第四章
多媒体信息处理技术
提要
4.1 音频信息处理技术
4.1.1 数字音频技术
4.1.2 声卡的工作原理
4.1.3 声卡的选购
4.1.4 声卡的发展趋势
4.2 视频信息处理技术
4.2.1 视频技术基础
4.2.2 数字视频技术
4.2.3 视频信息获取
4.2.4 视频采集卡的工作原理
4.2.5 现有视频采集卡简介
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4.1 音频信息处理技术
4.1.1 数字音频技术
1.声音特性
声音是由于物体的振动影响周围的空气使其产生疏密
变化而形成的声波
声波的特征：频率、幅度
 频率在20Hz~20kHz的声波，人耳可以听得到，称为音
频波
 人说话的声波频率范围为300~3000Hz，通常称为语音
信号
 频率低于20Hz的声波称为次音波
 频率高于20kHz的声波称为超音波
 多媒体计算机中的声音主要指音频波
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1. 声音特性
声音的三要素:音调、音强、音色
 音调：频率高则音调高
 音强：又称为响度，取决于声音的幅度
 音色：是由混入基音的泛音所决定的
通过声波到达左右耳的相对时间差、声音强度，能够判
别出声音的来源方向
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1. 声音特性
声音的质量与其频率范围有关，声音一般可分为
 数字激光唱盘(简称CD-DA，频率范围为10～20000Hz）
 调频无线电广播(简称FM，频率范围为20～15000Hz)
 调幅无线电广播(简称AM，频率范围为50～7000Hz)
 电话(频率范围为200～3400Hz)
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4.1.1 数字音频技术
2.音频处理基础
计算机获取声音主要有两种：
 由语言或音乐合成器合成的声音
 另经过采集、量化，模转数，压缩编码，需要时解压、
数模转换后还原为声音
（1）模拟音频
（2）数字音频
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2.音频处理基础
（1）模拟音频
模拟音频技术是将声波转换成电信号，使电信号的变化
正比于声音的强弱
易受存储媒体的电磁性能影响，声音保真性差，动态范
围小
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2.音频处理基础
（2）数字音频
将音频文件转化成二进制数据保存，播放时数据转换为模
拟的电平信号播出
特点：存储方便，存储成本低廉，没有声音的失真，编辑
和处理非常方便
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2.音频处理基础
模拟音频数字化的过程
1)采样
采样：每隔一定的时间间隔T，在模拟声音波形上取一个
幅度值
周期：采样的时间间隔
采样频率：周期的倒数
CD音乐的标准采样频率为44．1kHz，最常用的采样频率
计算机上的DVD音效则为48kHz(经声卡转换)
电台FM广播为32kHz
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2.音频处理基础
模拟音频数字化的过程
2)量化
量化：把某一幅度范围内的采样值用一个二进制数表示
 采样和量化：模拟音频转换成数字音频
模数转换器(A／D)
 数字音频回放：数模转换器(D／A)
计算机对声音数字化的能力用两个参数来衡量
 采样频率
 量化位数
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2.音频处理基础
模拟音频数字化的过程
2)量化
采样频率、量化位数也是声卡的主要指标
声卡的量化位数：声卡处理声音的解析度，单位：位(bit)
CD音乐的质量就是16位216=65536个不同的量化值声音
范围:极细微的声音到巨大噪声
主流产品：16位的声卡，已经绰绰有余了
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2.音频处理基础
模拟音频数字化的过程
2)量化
数字音频文件的数据量(单位为B／s)计算公式
数据量=(采样频率×量化位数×声道数)／8
常用的采样频率和量化精度如表所示：
采样频率／kHz
量化精度／bit
数据率／Kb/s(单声道)
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8
8
64
11.025
8
88.2
16
16
256
22.05
16
352_8
44.1
16
705.6
48
16
768
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2.音频处理基础
(3)音效
声道数是用来表明声音记录时产生的波形文件的数量
立体声(双声道)技术：在录制过程中被分配到两个独立的声
道，达到了很好的声音定位效果
环境音效：利用不同的演算方式将声音仿真成不同环境中的
效果
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4.1.2 声卡的工作原理
声卡完成从模拟音频到数字音频的模／数转换以及将离散
的数字音频转变为连续的模拟音频的数／模转换过程，对音
频信息进行记录、存储、处理和播放
1. 声卡的主要功能
(1)录制、编辑和回放数字音频文件，以及控制混合各
声源的音量
(2)MIDI与音乐合成
(3)文语转换和语音识别
(4)具有记录和回放数字音频文件时的压缩和解压缩功
能
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1. 声卡的主要功能
(1)录制、编辑和回放数字音频文件，以及控制混合各声源的
音量
 特殊效果处理
倒播
增加回音
淡入淡出
剪辑
 音效为单声道或立体声
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1. 声卡的主要功能
(2) MIDI与音乐合成
MIDI(Musical Instrument Digital Interface)乐器数字
接口的标准。
MIDI文件：
一种描述性的“音乐语言”，它将所要演奏的乐曲信
息用字节表述，文件小巧。
包含有键、通道号、音量、力度和持续时间等每个音
符的信息
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1. 声卡的主要功能
(2) MIDI与音乐合成
声卡的复音数是指在同一个时间内可以发出的MIDI乐器声
音数量
与两部分有关
 硬件部分，是指音效芯片最多可同时处理多少个MIDI
乐器的信号
 软件部分，普通的软件音源能提供的同时发声数为
64~1024个
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1. 声卡的主要功能
(2) MIDI与音乐合成
声音的合成技术主要有两种，
 调频(FM)类型
运用特定的算法来简单模拟真实乐器声音
让人听出来是“电子音乐”
 Wave Table(波表)类型
Wave Table合成是利用数码拟合技术，将各种乐
器的真实声音采样后再将样本存储在声卡的EPROM
中，当需要某种乐器的某个音色时，就到EPROM中
查询该乐器的有关数据，运算后经过声卡的芯片
处理合成所需要的声音
合成声音自然、逼真，但占用存储空间较大
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1. 声卡的主要功能
(3)文语转换和语音识别
语音识别技术就是让机器通过识别和理解将语音信号转变
为相应的文本或命令的技术
语音识别系统组成
 语音特征提取
 声学模型与模式匹配
 语言模型与语言处理
语音特征提取提取语音特征序列，产生声学模型，进行匹配
与比较，得到识别结果。当分类发生错误时可以根据语言学
模型和语言处理算法进行修正
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1. 声卡的主要功能
(3)文语转换和语音识别
语音识别技术实用化的关键之一是语音识别专用集成电路
芯片(ASIC)
应用：语音拨号电话机、汽车语音识别系统
还需克服用户独立性和对自然语言识别以及软件身份验证能
力等一系列的技术难关
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1. 声卡的主要功能
(4)具有记录和回放数字音频文件时的压缩和解压缩功能
 占用大量的存储空间
如44．1kHz采样、16位量化的立体声，每秒占用
176．4KB的存储空间
 典型的压缩编码方法：
 脉冲编码调制(PCM) 可以实现瞬时的数据压缩与还
原，信噪较高
 自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
差分脉冲编码调制(DPCM)，利用过去样本来预
测下一个样本的信号幅度，称为预测值。ADPCM
可根据输入信号的性质自动改变量化位的大小
以及自适应预测器的工作
 MPEG编码方法
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4.1.2 数字音频技术
2．声卡的分类
根据其数据采样量化位数的大小，可分为8位、16位和32
位声卡
从硬件技术角度出发，又可分为以下3类
(1)以DSP技术为基础的声卡
(2)硬件声卡
(3)结合以上两类声卡，采用有限可编程控制器
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2．声卡的分类
(1)以DSP技术为基础的声卡
控制不依赖主机而自行完成，减轻CPU负担。
典型产品如采用EMUl0K1系列芯片的声卡 ，特点：
采用了8点内插运算功能，所以音质极佳
算法比较简单，所以MIDI的合成能力无法与专业软波
表相比
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2．声卡的分类
(2)硬件声卡
采用CODEC芯片，控制声音的采样与回放，而其他的控
制全部由CPU来完成，占用较多的主机时间，但成本较低
典型产品如Vortex U8820
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2．声卡的分类
(3)结合以上两类声卡，采用有限可编程控制器
具有一定能力的自管功能，又不至于成本太高、结构
太复杂
典型产品如Vortex2 AU8830的特点:
内部的数流总线(VDB)
两个32位复音处理单元
不是DSP，无法通过软件升级
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2．声卡的分类
代表性的声卡产品及其性能指标
公司
CreativeLabsInc
MediaVisionInc
AZTECT
MicrosoftCrop
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产品
SoundBlasterPro
SoundBlaster16
SoundBlasterAWE32
ThunderBoard
SpectrumPlus
Spectrum16
BXIII
Nova16ExtraII-3D
PRO16II
WaveriderPr032-3D
Waverider32+
WindowsSound
声音 最大分辨率／ 立体声(S)
SCSI接口
类型
采样率
单声道(M)
FM
8位／22kHz
S
有
FM
16位／44kHz
S
有
波表 16位／44kHz
M
有
FM
8位／22kHz
M
无
FM
8位／44kHz
S
有
FM
16位／44kHz
S
有
FM
8位／22kHz
S
无
FM
16位／44kHz
S
无
FM
16位／44kHz
M
有
波表 16位／44kHz
S
无
波表 16位／44kHz
M
有
FM
16位／44kHz
S
无
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4.1.2 数字音频技术
3．声卡的工作原理
主要由数字信号处理器、混音器和合成器组成
游戏接口
PC
总
线
数据总线
驱动器
MIDI接口
数字信号
处理器
总线接口
和控制器
麦克风输入
混合信号
处理器
控制总线
LINE输入
CD输出
扬声器
音乐
合成器
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声卡的工作原理
（1）数字信号处理器
对麦克风等线性输入及MIDI操作进行管理
程序控制幅度
抗混滤波器滤除混叠噪声
DSP处理器进行ADPCM压缩，以DMA传送方式
输出的过程与输入相反
采样、保
持
A/D
DSP
(ASIC)
抗混滤波器
D/A
程控放大
器
PGA
重建滤波
PGA
DMA接口
PC总线
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声卡的工作原理
（2）混音器
对数字化声音(DAC)、调频(FM)、CD-Audio音频、线
性输入(AUX)、话筒输入(MIC)、PC扬声器输出(SPK)进行
混音，并通过I／O端口(地址和数据端口)对混音器的各种
功能进行可编程设置
可以进行的设置有以下几个方面：
1)数字化的音量
5)总音量输出，控制表现效果
2)FM音量
6)选择I／O模式(单声道/立体声)
3)CD-ROM音量
7)选择、组合声音输入源
4)线性输入和话筒输出音量 8)选择I／O滤波器
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声卡的工作原理
（2）混音器
混音原理框图如图所示
FM
扬声器
MIC
总音量
左
DAC
混音器
右
开关
声音录制
SPK
AUX
可编程接口
CDROM
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声卡的工作原理
（3）合成器
通过内部合成器或通过外部到主机MIDI端口的外部合成
器播放MIDI音乐
合成器有两种:
频率调制合成器(FM合成器)
波表合成器
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声卡的工作原理
（3）合成器
FM合成器原理如图所示
 由许多操作单元构成，每一个操作单元又由一个调
制单元和载波单元组成
 每个调制单元和载波单元都有脉冲发生器、包络发
生器和正弦表3个功能模块。
频率取决于脉冲发生器，而振幅取决于包络发生器
通过改变调制单元的频率和振幅，就可以改变FM合成器产
生的声音音质
调制单元
载波单元
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＋
正弦波
－
正弦波
脉冲
发生器
包络
发生器
脉冲
发生器
包络
发生器
FM(t)
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声卡的工作原理
（3）合成器
FM合成器中除操作单元外，还内置一个颤音振荡器和
振幅调制振荡器，产生颤音和震音，更接近自然乐器的声
音
在以下3种情况下使用MIDI谱曲更合适:
1) 长时间高质量
2) 以音乐作为背景，同时装载其他数据
3) 以音乐作为背景，同时播放波形音频或实现文－语
转换
思考：MIDI和WAV音频的各自特点?
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4.1.3 声卡的选购
声卡的选购技术指标
(1)采样频率和量化位数
(2)合成器:取决于合成的方法
(3)MIDI接口
(4)DSP芯片
(5)信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)
SNR分贝越高，干扰越小， THD失真越小越好
(6)输入输出设备的支持及全双工功能
全双工功能是指声卡能同时录音和放音
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4.1.3 声卡的选购
声卡的选购技术指标
(7)三维音效
(8)即插即用
(9)兼容性
符合统一标准或兼容主要声卡标准
流行、较有影响的：新加坡Creative Labs公司的声
霸卡Sound Blaster系列
(10)软件支持
有DOS和Windows下的驱动程序、软件混频器和CD唱盘
播放程序等
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4.1.4 声卡的发展趋势
声卡的企业标准比较多，还没有形成统一的国际标准，
暂以MPC Level 3作为标准要求。
1．统一标准
现阶段声卡的标准主要有Adlib、Sound
Blaster和Sound Blaster Pro、Microsoft Windows
Sound System 2.0、MPC Level 2、MT32等，统一声
卡标准是大势所趋
2．简化安装
以前声卡的安装要由用户自己设置I/O端口基地
址、DMA通道号、IRQ号等，,Microsoft和Intel公司
联合制定了ISA总线的即插即用标准，简便化也是其
发展的主要方向
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4.1.4 声卡的发展趋势
3．改善音质和3D环绕立体声
应具有优良的信噪比和较高的量化级。DSP中增加
动态滤波去噪功能 ，3D音效使音响效果更加逼真。
3D环绕立体声音效主要基于Osound技术和SRS技术：
Qsound技术控制左右音箱的发声过程，变换时间顺
序；
SIRS技术在空间交叉形成多个虚拟音源，模拟声音
在各种吸收反射和漫反射等传输效果 。
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4.1.4 声卡的发展趋势
4．与通信技术相结合
在声卡中加上Modem和传真的功能是声卡的发展趋势
5．单一芯片
将声卡中的DSP芯片和合成器芯片等主要部件集
成到一个芯片中并成为计算机主板的组成部分
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4.2 视频信息处理技术
4.2.1 视频技术基础
信息85％以上是通过视觉来获得的
视频信息的处理主要包括视频图像的获取、压缩、存储
和检索，各种编码、变换和传输技术等
数字视频技术包含两种情况
 将模拟视频信号输入计算机进行数字化视频编辑，
最后制成数字视频产品
 从信号源开始就是数字化的视频信号，经过编辑之
后制成产品
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4.2.1 视频技术基础
数字化是把连续的图像函数f(x，y)进行空间和幅值的离散
化处理，空间连续坐标(x，y)的离散化，叫做采样，f(x，
y)颜色的离散化称为量化。
在多媒体计算机技术中，用得最多的是RGB彩色空间表示，
配色方程F=r[R]+g[G]+b[B] ，其中，r、g、b为三色系数
彩色图像成像过程如图所示
R
被摄物体
光
电
转
换
G
B
R
信
号
处
理
G
B
显示器
分光系统
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4.2.1 视频技术基础
混合格式就是利用人的视觉对亮度的敏感远大于对色度敏
感的特点，将彩色信号分为亮度和色度两部分：
亮度是一个单色视频信号，仅用于控制图像的亮度。
色度则仅包含图像的彩色信息，由两个色差信号组成。
混合编码的基本原理就是将RGB三基色信号通过一个线性变
换矩阵转换为YUV或YIQ彩色空间。
Y为亮度信号，u、v或I、Q为色差信号
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4.2.1 视频技术基础
 世界上主要有NTSC、PAL和SECAM(法国制定，为东欧国家所
采用)三种彩色制式
 NTSC彩色制式是由美国在1952年制定，美国、日本和其
他一些西方国家采用
亮度信号为Y信号，两个色度信号为I和Q
 1962年制定了PAL制式，我国及英国采用这种制式
PAL与NTSC制式的主要区别在于色度信号的编码，两
个色度信号分别为u和V
我国使用彩色电视PAL-D制式
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4.2.1 视频技术基础
在彩色电视中采用亮度和色差信号有两个重要优点：
 亮度和色差信号是独立的，因此彩色电视和黑白电视
可以同时使用
 人眼对彩色图像细节的分辨本领比对黑白的低得多
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4.2.2 数字视频技术
1．视频信息的数字化
视频的数字化有复合编码和分量编码两种方法：
 复合编码是直接对复合视频信号进行采样、编码和
传输。
 分量编码是先将复合视频信号分离成亮度和色差，
然后采用3路A／D对分离出的信号分别进行数字化，
再对亮度和两种色差信号进行编码，现已成为主要
的视频数字化方法，其原理如图所示。
复合视频
RGB
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亮
度
色
度
分
离
低通滤波
A/D
低通滤波
A/D
低通滤波
A/D
编
码
与
时
分
复
接
编码输出
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4.2.2 数字视频技术
2．视频信息的采样格式
视频信息的采样格式通常用“Y:U:V”的形式来表示。
常见为4:1:1、4:2:2和4:4:4三种格式，如图所示
1
2
3
1
4
1
Y
U
Y
V
U
2
3
4
2
3
4
Y
U
V
V
a)4:1:1
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b)4:2:2
c)4:4:4
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4.2.2 数字视频技术
3．数字视频标准
1982年国际无线电咨询委员会(CCIR)制定了CCIR601建
议采用共同的数字化参数,以Y、U、V的分量作为演播室的
编码方式，采用13.5:6.75:6.75(MHz)，也就是以4:2:2格
式作为技术标准，量化为8位.如表所示
数码率 r=(13.5+6.75+6.75)MHz×8bit=216Mb/s
取样格式 信号分量 取样频率/MHz
4:02:02
4:04:04
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Y
U
V
Y
U
V
13.5
6.75
6.75
13.5
13.5
13.5
样本数
PAL(SECAM)
858(720)
429(360)
429(360)
858(720)
858(720)
858(720)
应用
NTSC
846(720)
423(360)
423(360)
普通电视
846(720)
846(720)
846(720)
47
4.2.2 数字视频技术
3．数字视频标准
欧洲建议数字视频的Y、U、V分量采用3:l:1的格式，相
应的采样频率为10.125 MHz(13.5×3／4)、3.375
MHz(6.75／2)、3.375 MHz(6.75／2).而且U、V两个分量还
可以采取轮换传输的方法
数码率 r=(10.125+3.375+3.375)MHz×8bit=108Mb/s
数码率降低了一半，节省了带宽
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4.2.2 数字视频技术
4．VGA显示
 单色显示器(MDA)
 彩色显示器(CGA） (320×200)
 增强型图形显示器(EGA)
 视频图形阵列显示器(VGA)
 超级VGA(SVGA)
视频卡向SVGA发出的信号有两类:
同步信号:同步信号分行同步和帧同步
亮度信号:亮度信号为RGB三色的亮度分量
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4.2.2 数字视频技术
4．VGA显示
计算机与电视存在一定的差别
（1）显示信号有较大的差别
SVGA只能使用RGB信号
（2）行扫描频率不同
（3）场扫描频率不同
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4.2.3 视频信息获取
计算机图像获取方法有
用计算机产生
用彩色扫描仪输入
彩色扫描仪最高分辨率已达到4000dpi(Dots Per
Inch)，颜色分辨率可达24位(R:G:B=8:8:8)
用视频信号数字化仪
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
视频采集卡又称为视频信号获取器分为:
 广播级
 专业级
 民用级
主要区别是采集的图像指标不同
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
广播级
最高采集分辨率一般为720×576(CCIR-601建议)×25帧／
s(PAL制)，或640×480／720×480×30帧/s(NTSC制)
最大压缩比一般在4:l以内
带分量输入输出接口，用于电视台的节目制作
缺点：文件庞大
专业级
动态分辨率一般最大为384×288×25帧/s(PAL制)
压缩比一般在6:1以内
输入输出接口为AV复合端子与S端子
适用于制作多媒体广告、节目和软件
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
总体框图如图所示:
模拟视频信号经过A／D变
换，送到数字解码器,解码
得到Y、U、V数据
由视频窗口控制器剪裁和
比例变换后存入帧存储器
视频窗口控制器控制其读
、写、刷新以及与VGA同步
信号操作
送到D／A变换器和模拟彩
色空间变换矩阵，完成从Y
、U、v到R、G、B的转换
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输
入 模拟视频
输入端口
时钟
YUV
数字
解码
YUV Y
同步
数据 U
控制
器窗口控制器 V
同
步
控
制
D/A
地 数
址 据
多
路
开
关
RGB
矩阵
变换
VGA
输出
输
出
帧存
储器
YUV
VGA特性选择
VGA同步
视频信号编码
TV同步
输出
至TV
或VCR
总线
54
4.2.4 视频采集卡的工作原理
1．视频信息的数字化
编程选任一个作为输入，送运算放大器，经A／D变换成8
位数字信号，送数字解码器解码，输出的Y、U、V信号有
4:l:1和4:2:2两种格式
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
2．窗口控制器主要功能:
 PC总线接口
总线控制接口包括：
帧存储器地址
I／O寄存器地址映射
帧存储器的读写、刷新操作控制
 视频输入剪裁、比例变换
根据用户的定义确定要捕获图像的范围
 输出窗口VGA同步、色键控制
保证帧存储器中的数据能够与VGA的视频信号同步
输出
 视频帧存储器VRAM读、写、刷新控制
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
3．帧存储器
存储器的主要作用：
 数字视频信号实时存储到帧存储器
 供彩色监视器实时地从帧存储器中取出每一个像素数
据输出到监视器
 计算机对帧存储器的内容进行读写操作，并完成处理
任务
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4.2.4 视频采集卡的工作原理
4．D／A转换和矩阵变换
D／A转换器一般是YUV方式的视频转换器，由矩阵变换器
对亮度和色度信号进行处理，输出RGB信号。
5．数字视频信号编码及叠加
多制式数字视频信号编码器的输入数据可以是YUV或RGB。
编码后的数字信号经内部D／A转换后输出模拟视频信号供TV
显示。
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4.2.5 现有视频采集卡简介
按连接方式可分为：
 外置式
优点：安装简单，干扰少，性能稳定，可以在不打开
计算机,收看电视节目 。
缺点：价格比较贵，外接专门的电源，占用计算机上
的一个并行口 。
 内置式 （推荐选用PCI接口）
优点：价格便宜，不需外接电源，实现多任务操作。
缺点：易受到电磁干扰，安装麻烦，只能在打开计算.
机的前提下才可收看电视节目
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视频卡的相关产品
(1)Studio Pctv
德国miro公司的多功能视频卡，集电视卡、视频采集卡
于一身
(2)Aver TV Genie
圆刚公司的电视外置接收盒，即插即用，不需要软件支
持，实现大部分普通电视机的基本功能
(3)TV Wonder
ATI的产品，有画面缩放功能
(4)Video Blaster MovieMaker
创新科技的新产品，外置式 ，可转换成MPEGl、MPEG2或
VCD格式，转换影像的过程中加入任何声音或语句
思考：计算机数字影像在TV上如何实现播放？
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本章总结
小结
多媒体信息处理技术，包括音频和视频信息的数字化
模拟音频的数字化要在声音文件大小和回放质量之间进行
权衡
利用声卡可以模／数转换以及数／模转换过程，对音频信
息进行记录、存储、处理和播放。
视频信息处理技术是多媒体系统共性技术，主要包括视频
图像的获取、压缩、存储和检索，各种编码、变换和传输
技术等。
彩色空间转换和视频信息的传输技术以及视频采集卡的工
作原理进行比较详细的介绍。
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本章总结
习题
简述MIDI的概念以及MIDI文件与波形文件的区别。
声卡的主要功能有哪些?声卡的选购标准主要包括哪些内容?
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The End