多媒体视频技术

视频基础
1、什么是视频?
视频,拉丁语为“I see”,是随时间动态变化的一组图像,一般由连续拍摄的一系列静止图像组成,是一种捕获、记录、处理、传输和重建移动图像的技术。
在生活中我们了解的视频主要是连续的随时间变化的图像,因此视频也称为活动图像或运动图像。除了向用户展示图像外,视频通常还有一个或多个音频轨道配合当前播放的内容,增强用户对当前表达内容的体验。数字视频是一种能够同时处理和表达音频、图像、数据及文字等信息的媒体技术。由于数字视频将多种信息技术融为一体。成为当前各种背景中接待信息最丰富表现力最强的技术。在生活中的应用越来越广。
2、视频信号的主要特点?
视频与文字、图像、声音、动画等其他媒体相比具有较强的优越性。主要体现在:
(1)视频与文字相比具有具象性,能使理论形象化、抽象具体化;
(2)视频除了能够表达声音的信息之外,还能够增强人们对描述事物的感性认识。
(3)视频与图形图像相比,具有时空变换的运动性,能够体现图像之间的变化关系;
(4)视频的一个重要特性就是纪实性,它能够真实全面的记录现实中的相关信息,不像动画那样有时具有一定的虚拟性和假定性。
(5)视频具有表现性强的特性,能够渲染气氛、调动情绪,表现事物细节能力强;
3、视频与动画的关系?
动画和视频信息是连续渐变的静态图像或图形序列,沿时间轴顺次更换显示,从而构成运动视觉的媒体。
当序列中每帧图像是由人工或计算机产生的图像时,称为动画。
当序列中每帧图像是通过实时摄取自然景象或活动对象时,称为视频,当把这些视频放入计算机中,形成数字文件时,即数字化视频。
4、视频的分类
模拟视频
数字视频
(1)数字视频的优点:
①便于处理:模拟视频只能简单地调整亮度、对比度和颜色等,限制了对模拟视频进行处理的手段,同时也限制了模拟视频的应用范围。由于数字视频是存储在计算机中的一系列数值,因此可以较容易地对数字视频进行创造性的编辑与合成,并可进行动态交互。
②视频再现性好:模拟信号是连续变化的,通常采用电磁方式进行存储。在复制和传输模拟信号时,存储和传输介质总会对模拟信号造成- -定的影响,导致模拟信号的失真。传输距离越远、复制次数越多,原始信号的损坏和失真越多。而数字视频的复制和传输主要是数值信息的再次重写和记录,不会因复制、传输和存储而改变数值的大小,从而不会导致图像质量的退化,能够准确地再现视频图像。
③便于网络共享:通过网络,数字视频可以很方便地进行长距离传输,以实现视频资源共享。而模拟视频在传输过程中容易产生信号的损耗与失真。
(2)视频数字化
传统的视频制式主要为模拟的,如NTSC PAL SECAM制式,而计算机智能处理和现实数字视频信号,因此在计算机播放和处理模拟电视信号之前,必须通过特定的方式对这些信号进行数字化处理。数字化过程是指以光栅扫描形式的模拟视频数据流入计算机之前对每帧画面上的每一个像素点进行采样,并按颜色或者灰度进行量化,然后将每一帧图像形成一副数字图像。
采样的过程就是获取视频播放期间每一个时刻所对应的图像帧的所有像素点的颜色或亮度的过程。
量化过程是指对每个像素点的颜色或者亮度进行评估的过程,量化精度越高,图像再现越接近原始图像
编码过程决定采用怎样的格式来存储在采样和量化过程中所获得的信息。
从这个角度上而言,我们可以认为,图像是离散的视频,视频是连续的图像。
(3)数字视频图像数据量的计算
(4)数字视频的分类
1)基于演播室摄录系统的数字视频
从广播电视摄录系统方面考察的数字视频格式由于与具体的摄录机类型关系密切,因而,从严格意义上讲是“机种格式”,即该种数字视频信号的获取必须用该机种机器从相应规格的中介中存取。目前流行的有高清和标清两大体系。
2)基于磁带介质存储的数字视频
是指从磁带存储介质方面考察的,必须由录像机直接播放磁带数字码流的数字视频。这种分类方法主要关注的是记录方式、磁带性能规格,磁带记录的信息由离散数字0、1编码构成。
3)基于 光盘存储的数字视频
是指从光盘存储介质方面考察并能够脱离计算机平台专用媒体驱动器播放的数字视频,目前流行的有VCD、SVCD、DVD、EVD和蓝光等五个体系6种以上的格式。
4)基于图像序列的数字视频
是指从图像序列方面结合视频非线性编辑系统、后期包装系统、图文创作系统等的数字视频。图像序列的特点是每帧的分辨率相同,图像内容相关、图像文件名连续编号,而且有表示开始的图像序列头和表示结束的图像终止码。
5)基于桌面处理的数字视频
是指从桌面处理方面考察的数字视频,目前有三个平台体系:AVI、MPEG和MOV。一般都是可编辑视频,往往是非线性编辑系统使用的素材和渲染生成的中间片段,,所以这类视频格式的素材在没有编辑完成作品之前,轻易不要作格式转换或压缩处理。
6)基于流式传输的数字视频
是指从流媒体技术方面考察的数字视频。流式传输的数字视频是网络传输视音频图像时提出的一种基于流媒体视频编码技术的数字视频格式。尽管近几年多媒体计算机性能有了很大提高、网络带宽也在逐步增大。但是,流畅清晰的传输大数据量图像视频还是不能满足要求,为了解决这个矛盾,人们采用流媒体视频编码技术,即使用能边下载边播放的数字视频格式。流媒体视频编码技术的基本思想是将视频压缩为一个或几个固定的码流,视频播放能根据信道的条件调整编码的参数,生成适当的视频码流,在保证流畅性的条件下尽量提高清晰度。
7)基于固体存储的数字视频
是指从固体粗出方面结合芯片处理技术等固化的不附加机械驱动来读取写入的数字视频,如SD卡、CF卡、MP4产品等使用的数字视频。
8)基于硬盘存储的数字视频
是指从“外置硬盘方面”考察并与特殊接口相关的数字视频,如网络硬盘录像机等。
9)基于视频通信的数字视频
是指从通信业务方面考察的并与具体业务相联系的数字视频。目前分别使用和备选了三种视音频压缩编码,即H.263、H.264、MPEG-4和流媒体压缩编码体系和多种格式。
5、视频格式
(1)AVI文件
AVI 文件格式于1992年披Microsoft公司推出,是一种音视频交叉记录的文件格式,它将语音和影像同步地组合在-一起。 该格式的优点是图像质量好,可以跨多个平台使用:缺点是体积过于庞大,文件的大小等于数据率乘以视频播放的时间长度。
(2)MOV文件
MOV 文件格式是Apple公司推出的视频文件格式,其相应的视频应用软件为QuicKTime. MOV文件具有跨平台、存储空间小等技术特点,大部分的摄像机、数码相机都采用该格式来存储拍摄的数字视频。
(3)ASF文件
是Microsoft 为Windows 98所开发的串流多媒体文件格式,能依靠多种协议在多种网络环境下支持数据的传送。ASF支持任意的压缩/解压缩编码方式,可以使用任何一种底层网络传输协议,具有很大的灵活性。
(4)MPG文件
又称MPG,是由国际标准化ISo与国际电工委员会IEC于1988年联合提出的对运动图像(MPEG 視频)及其伴音编码(MPEG音频)进行存储的文件标准。
目前,MPEG已经成为运动图像压缩算法的国际标准,包括MPEG-1, MPEG-2和MPEG-4。MPEG-1被广泛地应用在VCD的制作:;MPBG 2被应用在DVD、高清晰电视播和一些要求较高的视频编辑、处理方面; MPEG-4 是-一种新的压缩算法,具有较高的压缩比,普遍用于网络视频流和移动设备的视频播放。
(5)DAT文件
又称为数码音频磁带技术,最初是由惠普公司(HP) 与SONY公司共同开发出来的。早期的DAT技术主要应用于声音的记录,后来随着技术的不断完善,又被应用在数据存储领城里。
采用DAT文件格式进行存储的视频也是基于MPEG压缩算法的一种文件格式。一-般 Video CD和卡拉OK数据文件都采用DAT格式进行存储。
(6)WMV文件
是由Microsoft公司在ASF视频格式的基础上升级延伸而成的一种数字视频压缩格式。该视频文件一般同时包含视频和音频内容,在同等的视频图像质量下,WMV格式的视频文件体积较小,适合在网上播放和传输。
(7)RM与RMVB文件
RM 格式是由Real Networks公司所制定的音频/视频压缩规范,能够根据不同的网络传输速率制定出不同的压缩比率,从而实现在低速本的网络上进行形像数据实时传送和播放。播放器可以在不完全下载音频/视频内容的条件下实现在线播放,也就是说可以边下载边播放。
RMVB是一种 由RM视频格式升级延伸出的新视频格式, VB即可改变的比特率。通过使用较低的编码速率来预留更多的带宽空间,而这些带宽会在出现快速运动的画面场景时被利用。
(8)FLV文件
FLV 是FLASH VIDEO的简称,FLV流媒体格式是随着Flash MX的推出发展而来的视频格式。由于它的加载速度极快,使得网络观看视频文件成为可能,FLV文件体积小巧,清晰的FLV视频1分钟在1MB左右,一部电影在100MB左右,是普通视频文件体积的1/3。再加上CPU占有率低、视频质量良好等特点使其在网络上盛行,网上的几家著名视频共享网站均采用FLV格式文件提供视频。
(9)3GPP文件
3GPP文件格式是“第三代合作伙伴项目”(3GPP)制定的一-种多媒体标准,使用户能在手机中享受高质量的视频、音频等多媒体内容。该文件的核心由包括高级音频编码、自适应多速率、MPEG-4 和H.263视频编码解码器等组成。目前,大部分支持视频拍摄的手机都支持3GPP格式的视频内容存储和播放。

6、视频研究:
在中国知网上以“视频”和教育为主题词搜索的结果如图,从图中我们可以看到关于翻转课堂的研究是当前将视频应用于教育的焦点问题,同时,关于教育模式、远程教学、微课等也是研究的热点问题。

7、视频应用:
应用领域:
目前,广播电视的摄录编系统以及网络化的演播室编播系统、电子新闻采访系统都已经完全做到了数字化,并且在SDTV标准下快速向HDTVT推进和升级。
数字化的安防及监控系统也已经完全做到了数字化,并且从基于同轴电缆的独立网快速向基于TCP/IP协议下的远程监控系统和智能安防系统快速推进和升级。
视频通信(视频会议)在完成数字换代升级的基础上,主要着眼于视频压缩编码和网络传输两个方面,以推动嵌入式平台的“移动TV"和PC平台的“IPTV"的进程。
在远程教育及视听教学、影像医学、影音娱乐和电子广告等行业和领域,数字视频已成为主角。虚拟现实、机器视觉和人工智能等研究领域涉及的数字视频也都有更好的应用和发展。

前沿技术:
就图像压缩编码方面,正在制定和完善一个融合的H.264标准,H.264标准是视频编码专家组和国际标准化组织的活动图像编码专家组共同组织的联合视频组开发的标准。在相同的重建图像质量下,H.264能够比H.263节约50%左右的码率,比MPEG-4节约33%左右的码率。另外,H.264 引入了面向IP包的编码机制,有利于网络中的分组传输,支持网络中视频的流媒体传输。H.264 标准因其更高的压缩比、更好的IP和无线网络信道适应性,必将在数字视频通信或存储领域得到越来越广泛的应用。特别是,近年来电信网、有线电视网、互联网等都在力促“三网融合”,并推出一种“宽带交互新媒体”,而H.264最有可能成为宽带交互新媒体的标准。
所谓数字视频的智能性,主要指的是如何主动地将智能特性移到摄像机的前端,让摄像机本身可以确定如何采集影像,如何基于图像内容标记“它们”,事后如何检索;如何使摄像机不仅能够记录事件,而且还能够评估事件的重要性与相关性。基于图像内容的编码以及构造新的智能数字视频模型是提升和发展数字视频的关键技术问题,但目前,这些问题的研究还没有突破性的进展。

8、 视频在教育中的应用
(1)视频教育教学的历史演变
第一阶段:视频应用于传统广播电视教育教学阶段
在本阶段,视频应用于教育教学以中国的广播电视教学和美国的视听教学为代表。视频的存储介质基本以录像带为主,播放环境为广播电视系统,单向传播。
第二阶段:视频应用于多媒体教学阶段
视频资源的数字化使视频的制作更加便捷,为教育视频的多媒体播放提供了必要条件。在这个阶段的教学实践中,最常用的是存储在光盘上教育数字视频,用多媒体计算机来展示视频,服务教学。但教育数字视频的制作、编辑、存储、播放环境都无法保证,资源结构不合理、资金投入不足、硬件设备的配套跟不上技术的发展、视频教学系统不完善等问题,制约教育数字视频在本阶段的发展。
第三阶段:视频应用于流媒体阶段
互联网和视频编码技术的发展使网络视频快速实现了流媒体化,促进了远程教育的长足发展。视频在这个阶段的应用,是视频与计算机技术,视频与互联网技术发展的结合。流媒体中的教育视频不再是单向传播,而是结合互联网传播实现了多用户之间的交互功能。基于流媒体的教育视频资源,填补了师生之间的沟通鸿沟,学生与学生之间的沟通也得以实现,使视频在教育教学中的应用的范围更为广泛。
第四阶段:视频应用于在线移动互联网教育教学阶段
移动互联网技术、广播电视技术中虚拟演播室技术、翻转课堂等教学模式的发展使教育教学产生了一次革命,视频在慕课、微课、翻转课堂等教学模式中起到了其他媒体无可取代的作用,本阶段是视频在教育教学中应用的黄金时期。
(2)视频教育教学应用的特点
1)视频教学资源的再现性
例如将根据这些历史事件拍摄而成的视频资料拿到课堂作为参考资料再现,可以很好的反应教学的重点内容。视频教学还可以截取授课内容中的重点反复播放,例如一些艺术类的科目表演,美术,设计等内容需要精细描绘教学细节部分,就需要视频来辅助完成,其他媒体不具备这样的功能。
2)视频教育教学的交互性
新的教学手段通过视频与网络结合,实现了教师与学生的直接交流、讨论。便于教师随时掌握学生的学习进度和学习成果
3)视频教育教学的开放性
视频教学资源不受时间和空间的限制,学生可以根据自身特点自主选择需要学习的内容。视频教学资源的内容不一定是刻板的教学影像,也可以是影视类作品(电影、电视节目)等素材,同样可以烘托课堂环境,帮助展示主题思想。
4)视频提升个性化学习空间
因为视频教学资源的应用,学习者在接受个体化受教育时就变得更加积极主动,形成个人独特的个性化学习风格。
3、视频教育教学应用案例
(1)慕课
慕课/磨课师的教学视频时间约7-20分钟不等,视教学需求与教师教学风格定。一般有“自动录课”、“遥控录课”、“电子绿板”、“EFP多机位拍摄”、“虚拟演播室”五种录制和制作方式,都符合操作简单、人力需求低、教师备课容易等适合学校应用的需求。
“自动录课”与“遥控录课”,两者适合录制平时教师在课堂的上课过程,只要依据题纲不同,分段剪辑即可做成适合慕课使用的短时间视频
“电子绿板”则适合与教师的简报档(例如Power Point、Keynote等)结合,利用互动电子笔可即时在画上注记重点的功能,让学生能跟随教师的教学进度;
“EFP多机位拍摄”虽然人力需求较多,但却能制作最近似于电视台水平的教学视频,多角度的画面选择、依据课程需求选择室内或户外场景,适合每一场精心规划的短时间慕课/磨课师视频;
“虚拟演播室”是将教师结合在虚拟背景之中,甚至与3D物件或动画搭配互演出,适合需要大量仰赖视觉成像的课程,例如建筑、工程制图、物理、化学等,变化的应用方法则是利用虚拟背景与物件重现文学经典场景或历史事件环境,所以无论是文学类或理工类课程都非常适用。虚拟演播室需要较高的视频拍摄制作技术,专业性比较强。例如清华大学的“学堂在线“慕课课程大多是以制作电视的流程来完成的,从前期拍摄设备、化妆、录音、灯光的准备,到后期的包装、剪辑、宣传片制作,都是由十分专业的人员完成,每个环节都做到精益求精。其课程运用到了目前世界上比较先进的三维虚拟演播室技术,尽可能做到吸引学习者的兴趣和关注。
(2)微课
微课程视频可以有多种制作方式,可以使用 ppt、录屏软件、专业的摄录设备、falsh,甚至可以用手机直接进行拍摄。微视频的制作门槛低,学科老师也可以根据需要自己制作,更好的实现与学科整合。无论哪种制作方法,一切都以课程学习者为中心,以学习者更容易接受,更容易理解为原则,为课程学习者服务。
(3)翻转课堂
视频在翻转课堂的应用,是视频在主导—自主教学模式中的应用,视频作为学生自学的教学资源,学生通过视频先完成自主学习,然后带着问题在课上与老师同学讨论,对知识的掌握更全面。翻转课堂中的视频具有全面性,系统性,老师对视频在教学中的特点比较了解。

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