數(shù)字音視頻處理 課件 第1章 緒論

第1章

緒論1.1數(shù)字音視頻基礎(chǔ)1.2數(shù)字音視頻系統(tǒng)的組成1.3數(shù)字音視頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.4本章小結(jié)

1.1數(shù)字音視頻基礎(chǔ)

數(shù)字音視頻技術(shù)是音視頻信息(如文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫和視頻等)采集、獲取、壓縮、解壓縮、編輯、存儲(chǔ)、傳輸及再現(xiàn)等環(huán)節(jié)全部數(shù)字化的技術(shù)。數(shù)字音視頻技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了音視頻產(chǎn)品的發(fā)展，音視頻產(chǎn)品的數(shù)字化進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量。

與傳統(tǒng)模擬技術(shù)相比，數(shù)字音視頻技術(shù)有以下特點(diǎn)：

(1)傳輸效率較高。

(2)信息傳輸、存儲(chǔ)靈活方便。

(3)信息傳輸、存儲(chǔ)的可靠性高。

(4)抗干擾能力強(qiáng)。

(5)有效保護(hù)信息和進(jìn)行版權(quán)管理。

(6)具有可擴(kuò)展性、可分級(jí)性和可操作性。

(7)便于與其他數(shù)字設(shè)備融合。

(8)易于集成化和大規(guī)模生產(chǎn)，其性能一致性好且成本低。

1.2數(shù)字音視頻系統(tǒng)的組成

數(shù)字音視頻信息系統(tǒng)模型如圖1-1所示。信源編碼和信源解碼統(tǒng)稱為信源編碼，主要解決有效性問(wèn)題，只有通過(guò)對(duì)信源的壓縮、擾亂和加密等一系列處理，才能用最少的碼數(shù)去傳遞最大的信息量，使信號(hào)更適宜傳輸和存儲(chǔ)。信道編碼和信道解碼統(tǒng)稱為信道編碼，主要解決可靠性問(wèn)題，旨在盡可能使處理的信號(hào)在傳輸/存儲(chǔ)過(guò)程中不出錯(cuò)或少出錯(cuò)，即使出錯(cuò)了也要能自動(dòng)檢錯(cuò)和自動(dòng)糾錯(cuò)。

圖1-1數(shù)字音視頻信息系統(tǒng)模型

1.數(shù)字音視頻信息處理

1)信息處理

信息處理包括信息的獲取、交換、存儲(chǔ)，信息特征的提取與選擇，信息的分類與識(shí)別、傳遞、處理分析以及信息安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)等方面的內(nèi)容。

信息獲取是信息處理的基礎(chǔ)，主要包括界面接口技術(shù)和提取技術(shù)兩個(gè)主要方面。提取技術(shù)是指從已經(jīng)獲取的信號(hào)中提取感興趣的信息，它是信號(hào)處理技術(shù)的一種應(yīng)用。信息獲取的一般過(guò)程如圖1-2所示。其主要流程是：首先分析信息需求，即對(duì)所需信息進(jìn)行精確定位;其次對(duì)信息來(lái)源進(jìn)行選擇;隨后確定獲取信息所用的方法;最后對(duì)獲取的信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1-2信息獲取的一般過(guò)程

音視頻信息的主要特征包括數(shù)字化特征、結(jié)構(gòu)特征、幾何特征和空時(shí)特性等。特征提取與選擇的主要任務(wù)是根據(jù)既定的識(shí)別任務(wù)，按照預(yù)先給定的判別準(zhǔn)則，選擇合適的特征，以便更好地完成分類與識(shí)別任務(wù)，因而特征的提取與選擇主要是一個(gè)統(tǒng)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。

對(duì)于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信息的識(shí)別，即語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別或者文字識(shí)別等是音視頻信息處理中的重要部分，也是模式識(shí)別的主要內(nèi)容。

信息交換也稱為存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)交換，包括通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的信息傳送。信息存儲(chǔ)是指將獲得的或加工后的信息保存起來(lái)，以備未來(lái)應(yīng)用。信息存儲(chǔ)不是一個(gè)孤立的環(huán)節(jié)，它始終貫穿于信息處理的全過(guò)程。信息安全也是信息處理的重要內(nèi)容。信息安全主要是指信息系統(tǒng)的信息不被泄露給非授權(quán)用戶、實(shí)體或供其使用。

2)信息的數(shù)字化處理

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠處理通過(guò)鍵盤接收到的字符信息，也能夠處理通過(guò)掃描儀、視頻接收器等接收到的圖像信息以及通過(guò)話筒或其他語(yǔ)音設(shè)備接收到的音頻信息等。但計(jì)算機(jī)并不能直接處理這些不同形態(tài)的信息，而必須先將這些信息數(shù)字化。信息的數(shù)字化是指通過(guò)計(jì)算機(jī)中的編碼轉(zhuǎn)換器把各種不同形態(tài)的信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別與運(yùn)算的二進(jìn)制數(shù)字形式。數(shù)字化是計(jì)算機(jī)處理信息的基礎(chǔ)，數(shù)字化的重要手段就是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

2.數(shù)字音頻信息處理系統(tǒng)

數(shù)字音頻信息處理系統(tǒng)是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集、獲取、編碼、解碼、存儲(chǔ)、變換、合成、識(shí)別、理解、傳輸和編輯等處理的系統(tǒng)。數(shù)字音頻是一個(gè)關(guān)鍵且重要的概念，它可以用來(lái)表示聲音強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)序列，并由模擬聲音經(jīng)抽樣(即每隔一個(gè)時(shí)間間隔在模擬聲音波形上取一個(gè)幅度值)、量化、編碼(即把聲音數(shù)據(jù)寫成計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式)后而得到。模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以把模擬聲音變成數(shù)字聲音;數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器可以恢復(fù)出模擬聲音。

3.數(shù)字圖像/視頻處理系統(tǒng)

一般數(shù)字圖像/視頻處理系統(tǒng)包括圖像/視頻輸入設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、控制設(shè)備，用戶存/取通信設(shè)備，圖像/視頻輸出設(shè)備以及專用圖像/視頻處理設(shè)備等。不同的應(yīng)用環(huán)境，所需要的硬件設(shè)備、軟件環(huán)境也不同。

(1)圖像/視頻輸入設(shè)備：主要用于將待處理的圖像/視頻信號(hào)輸入系統(tǒng)裝置或者計(jì)算機(jī)等，如攝像頭、數(shù)字照相機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、磁盤和視頻采集卡等多種靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像生成、存儲(chǔ)設(shè)備或裝置。

(2)圖像/視頻存儲(chǔ)設(shè)備：主要用于在處理視頻/圖像過(guò)程中對(duì)視頻/圖像信息本身和其他相關(guān)信息進(jìn)行暫時(shí)或永久保存，如U盤、RAM、ROM、硬盤和磁帶等。

(3)圖像/視頻控制設(shè)備：處理圖像/視頻過(guò)程中用到的相關(guān)控制設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿和開關(guān)等。

(4)用戶存/取通信設(shè)備：主要用于將圖像/視頻信號(hào)提取或存入視頻處理模塊。

(5)圖像/視頻輸出設(shè)備：主要用于將經(jīng)過(guò)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)處理后的圖像/視頻信號(hào)以用戶能感知的形式顯示出來(lái)，常見(jiàn)的有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀和影像輸出系統(tǒng)等。

(6)專用圖像/視頻處理設(shè)備：主要用于對(duì)待處理的圖像/視頻信號(hào)進(jìn)行給定任務(wù)的處理。視頻處理設(shè)備一般可分為兩類：一類是軟件型視頻處理系統(tǒng)，即將視頻處理卡插入計(jì)算機(jī)，視頻處理卡中有專用硬件，而相應(yīng)的處理工作則由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成;另一類是專用型計(jì)算機(jī)圖像/視頻處理系統(tǒng)，由專用硬件對(duì)圖像/視頻進(jìn)行處理。

4.數(shù)字音視頻系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)字音視頻技術(shù)在娛樂(lè)與媒體行業(yè)中扮演著核心角色。在影視制作中，數(shù)字?jǐn)z像和編輯軟件使得制作過(guò)程更加高效和創(chuàng)新。流媒體服務(wù)，例如網(wǎng)易云音樂(lè)、YouTube和QQ音樂(lè)，利用數(shù)字音視頻技術(shù)提供高質(zhì)量的視聽(tīng)內(nèi)容，而實(shí)時(shí)流媒體技術(shù)則讓全球觀眾能夠觀看體育賽事和音樂(lè)會(huì)等直播活動(dòng)。

數(shù)字音視頻系統(tǒng)在教育和培訓(xùn)領(lǐng)域同樣發(fā)揮著重要作用。在線教育平臺(tái)，如Coursera和edX，通過(guò)視頻講座和互動(dòng)教學(xué)視頻為全球?qū)W員提供學(xué)習(xí)資源，使人們足不出戶就能獲取到新的知識(shí)。企業(yè)培訓(xùn)中，數(shù)字音視頻技術(shù)用于制作和分發(fā)培訓(xùn)材料，互動(dòng)式視頻培訓(xùn)課程增強(qiáng)了員工的學(xué)習(xí)效果。

在醫(yī)療領(lǐng)域，遠(yuǎn)程醫(yī)療通過(guò)視頻通話實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和患者之間的遠(yuǎn)程診療，高質(zhì)量的視頻流使得醫(yī)生能夠清晰地觀察患者的癥狀。手術(shù)過(guò)程的實(shí)時(shí)直播不僅可用于醫(yī)學(xué)教育和專業(yè)培訓(xùn)，其生成的數(shù)字音視頻記錄還可幫助醫(yī)生分析和回顧手術(shù)過(guò)程，從而提高醫(yī)療水平。

在安全與監(jiān)控領(lǐng)域，視頻監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于公共安全和財(cái)產(chǎn)保護(hù)。數(shù)字?jǐn)z像頭和監(jiān)控系統(tǒng)的高分辨率視頻記錄為犯罪預(yù)防和偵查提供了重要依據(jù)。此外，交通管理中數(shù)字視頻技術(shù)可用于監(jiān)控交通流量和管理交通信號(hào)，交通事故的錄像記錄則可幫助調(diào)查和分析事故原因。

數(shù)字廣告對(duì)于廣告與市場(chǎng)營(yíng)銷有著重要作用，其在互聯(lián)網(wǎng)上的廣泛使用提升了品牌曝光率和消費(fèi)者參與度，互動(dòng)式廣告視頻吸引用戶參與，提高了廣告效果。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)依賴高質(zhì)量的數(shù)字音視頻系統(tǒng)提供沉浸式體驗(yàn)，這些技術(shù)在廣告和產(chǎn)品展示中具有創(chuàng)新性應(yīng)用，帶來(lái)了全新的市場(chǎng)營(yíng)銷方式。

公共服務(wù)領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用數(shù)字音視頻系統(tǒng)。在數(shù)字博物館和展覽中，博物館和畫廊利用這些技術(shù)創(chuàng)建虛擬展覽，導(dǎo)覽視頻和互動(dòng)展示則提高了參觀者的體驗(yàn)。智能城市管理中，數(shù)字音視頻系統(tǒng)用于城市管理和公共服務(wù)，如智能交通、環(huán)境監(jiān)控和公共安全，提升了城市管理的效率和服務(wù)質(zhì)量。

數(shù)字音視頻技術(shù)作為電子信息領(lǐng)域數(shù)字化的關(guān)鍵組成部分，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到廣播電視、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)行業(yè)，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1.3數(shù)字音視頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字音視頻技術(shù)的主要關(guān)鍵技術(shù)為音頻和視頻的獲取、信源編碼技術(shù)和信道編碼技術(shù)、音頻處理、視頻處理。信源編碼技術(shù)包括視頻編碼技術(shù)和音頻編碼技術(shù)。視頻編碼技術(shù)的主要目的是在保證一定重構(gòu)質(zhì)量的前提下，以盡可能少的比特?cái)?shù)來(lái)表征視頻信息。

音頻處理技術(shù)涵蓋了音頻合成、檢測(cè)、分類等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)在提高音頻質(zhì)量和智能化處理方面發(fā)揮著重要作用。視頻處理技術(shù)的研究則集中在提高視頻質(zhì)量、增強(qiáng)視頻分析能力等方面，以支持更復(fù)雜的視頻應(yīng)用。

1.我國(guó)研究現(xiàn)狀

我國(guó)的音視頻技術(shù)通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新、國(guó)產(chǎn)化，走出了一條發(fā)展快、技術(shù)新的成功道路，不僅縮小了與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的差距，提高了廣大人民群眾的生活質(zhì)量，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文明和精神文明的需要，而且?guī)?dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定和健康發(fā)展。

我國(guó)的音視頻行業(yè)基本掌握了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)，能自行設(shè)計(jì)、制造出價(jià)廉物美、具有先進(jìn)水平的音視頻產(chǎn)品，我國(guó)也成為名副其實(shí)的生產(chǎn)、制造和出口大國(guó)，但與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的音視頻技術(shù)仍有一定的距離。

我國(guó)建立了多個(gè)音視頻研究中心和實(shí)驗(yàn)室，為音視頻技術(shù)的發(fā)展提供有力的技術(shù)

保

障

和

支

持。依托武漢大學(xué)建設(shè)的國(guó)家多媒體軟件工程技術(shù)研究中心(National

EngineeringResearchCenterforMultimediaSoftware，NERCMS)是多媒體軟件技術(shù)領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)家級(jí)研究機(jī)構(gòu)。

2.國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，視頻編碼技術(shù)的研究和發(fā)展正由一系列活躍的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織和企業(yè)推動(dòng)。MPEG和VCEG作為歷史悠久的組織，通過(guò)聯(lián)合推出MPEG-2和H.264/AVC等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

AV1標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)創(chuàng)新包括混合編碼框架、塊劃分技術(shù)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)和幀間預(yù)測(cè)等，這些技術(shù)顯著提高

了

視

頻

壓

縮

效

率。

整體來(lái)看，國(guó)外在視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化、活躍的創(chuàng)新態(tài)勢(shì)，國(guó)際合作在推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用擴(kuò)展方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

3.國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外音視頻技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和研發(fā)趨勢(shì)如下：

(1)先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)壓縮編解碼技術(shù)：開發(fā)具有更高壓縮效率和更先進(jìn)算法的音視頻編解碼技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化和存儲(chǔ)成本的降低。

(2)高效的數(shù)字信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)：致力于提升數(shù)字信號(hào)的傳輸效率和質(zhì)量，通過(guò)改進(jìn)調(diào)制解調(diào)方法來(lái)減少傳輸過(guò)程中的信號(hào)損失和干擾。

(3)數(shù)字音視頻技術(shù)的市場(chǎng)化和高清電視的普及：加速將成熟的數(shù)字音視頻技術(shù)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并通過(guò)多種途徑，如衛(wèi)星電視直播接收、電纜電視傳輸系統(tǒng)、地面廣播以及互聯(lián)網(wǎng)流媒體服務(wù)，促進(jìn)高清電視技術(shù)的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從模擬電視到數(shù)字電視的轉(zhuǎn)型。

(4)大容量存儲(chǔ)媒體的發(fā)展：推動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)的創(chuàng)新，開發(fā)具有更大存儲(chǔ)容量的新型存儲(chǔ)媒體，包括高集成度的CMOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)器(SSD)以及采用藍(lán)光技術(shù)的高密度光盤等，以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

(5)新型顯示器件的發(fā)展：正在積極研發(fā)具有更高清晰度、對(duì)比度和亮度的顯示器件，同時(shí)致力于降低成本并擴(kuò)大色彩再現(xiàn)范圍。除了已經(jīng)成熟的平面型陰極射線管(CRT)顯示器，當(dāng)前市場(chǎng)上還有液晶顯示屏(LCD)、等離子顯示屏(PDP)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)等。此外，新型顯示技術(shù)，如量子點(diǎn)(QLED)、微型LED(Micro-LED)和柔性顯示屏也在探索中，以尋求更優(yōu)的顯示效果和應(yīng)用場(chǎng)景。

(6)電聲顯示屏和數(shù)字音頻技術(shù)的創(chuàng)新：正在發(fā)展新型電聲顯示屏和先進(jìn)的數(shù)字音頻技術(shù)，包括高靈敏度微傳聲器、基于傳聲器陣列的語(yǔ)言增