多媒体技术>>第六章多媒体设备>>第六节视频捕捉卡

视频包括了运动的图像和音效或伴音，它具有信息丰富、表现力强的特点。由于其数据量大和实时性，因而对处理数字视频数据的软、硬件平台要求更高。此外，由于数字视频源主要是模拟视频信号，因此在视频的模/数或数/模的转换过程中，数据的质量不仅取决于MPC的软、硬件平台，还与模拟视频设备以及信号源的性能有关。
　　数字视频的来源主要有三种：一种是利用计算机生成的动画，如把FLC或GIF动画格式转换成AVI等视频格式；另一种是把静态图像或图形文件序列组合成视频文件序列；最后一种，也是最主要的一种是通过视频采集卡把模拟视频转换成数字视频，并按数字视频文件的格式保存下来。从硬件平台的角度分析，数字视频的获取需要三个部分的配合：
　　首先是提供模拟视频输出的设备，如录像机、电视机、电视卡等；然后是可以对模拟视频信号进行采集、量化和编码的设备，这一般都由专门的视频采集卡来完成；最后，由MPC接收和记录编码后的数字视频数据。在这一过程中起主要作用的是视频采集卡，它不仅提供接口以连接模拟视频设备和计算机，而且具有把模拟信号转换成数字数据的功能。

IEEE1394

IEEE 1394，又称为FireWire或iLink，是一种高效的串行接口,目前已经成为数码影象设备的传输标准，它定义了数据的传输协定及连接系统,可以较低的成本达到较高的性能,以增强电脑与外设如硬盘,打印机,扫描仪的连接能力。

S-Video信号

S-Video信号
分离电视信号S-Video(Separated video-VHS)是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。使用S-Video有两个优点：
(1) 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰。
(2) 不须要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮度信号的带宽。
复合电视信号是把亮度信号和色差信号复合在一起，使用一条信号电缆线传输。而S-Video信号则使用单独的两条信号电缆线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号，这两个信号称为Y/C信号。S-Video使用4针连接器，如图所示。

S-Video连接器

6.6.1 视频捕捉卡概述

　　视频捕捉卡（Video Capture）也称作视频采集卡。根据不同的应用、不同的适用环境和不同的技术指标，目前有多种规格的视频采集卡。
　　在PC上通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频序列。大多数视频采集卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后才通过PCI接口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的PC视频采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高档一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG-1/2格式的文件。

1．视频采集卡概述

　　视频采集卡一般分为广播级视频采集卡,专业级视频采集卡,民用级视频采集卡。它们的区别主要是采集的图像指标不同。

　　广播级视频采集卡

广播级视频采集卡的最高采集分辨率一般为768X576(均方根值)PAL制,或720X576(CCIR-601值)PAL制25帧每秒,或640X480/720X480 NTSC制30帧每秒最小压缩比一般在4:1以内.这一类产品的特点是采集的图像分辨率高,视频信噪比高. 缺点是视频文件庞大.每分钟数据量至少为200MB.广播级模拟信号采集卡都带分量输入输出接口,用来连接BetaCam摄/录像机. 此类设备是视频采集卡中最高档的,用于电视台制作节目.

　　专业级视频采集卡

专业级视频采集卡的级别比广播级视频采集卡的性能稍微低一些.分辨率两者是相同的,但压缩比稍微大一些, 其最小压缩比一般在6:1以内.输入输出接口为AV复合端子与S端子.此类产品适用于广告公司,多媒体公司制作节目及多媒体软件.

　　民用级视频采集卡

民用级视频采集卡的动态分辨率一般最大为384X288,PAL制25帧每秒,320X240,30帧每秒,NTSC制. (个别产品的静态捕捉分辨率为768X576),输入端子为AV复合端子与S端子,绝大多数不具有视频输出功能.
另外,有一类视频捕捉卡是比较特殊的,这就是VCD制作卡,从用途上来说它是应该算在专业级, 而从图像指标上来说他只能算做民用级产品.它的分辨率为352X288,25帧每秒,PAL制,320X288,30帧每秒,NTSC制. 它采集的视频文件为MPEG文件,采用MPEG-1压缩算法,所以文件尺寸较小,但视频指标低于AVI文件.

由于采集信号的性质不同，采集卡也有所不同。

　　模拟信号采集卡

模拟信号采集卡（我们一般所指的采集卡就是模拟信号采集卡）主要用来采集模拟视频信号，最主要的就是采集录像带中的视频和音频，也是我们一般所指的视频采集卡，是影视公司、电视台最常见的设备。由于成本的不断降低和应用的越来越广泛现在也逐渐进入普通应用环境。模拟视频信号本身有很多缺点，不容易编辑、难储存等都是他的致命伤，将模拟信号采集存储成数字格式后就轻松避开了上述问题。模拟信号采集卡也分内置和外置两种，内置式使用计算机的PCI接口，外置式一般使用USB接口。

　　数字信号采集卡

数字信号采集卡就是采集数字信号格式数据的接口卡，也叫DV卡（1394卡）。严格的讲，DV卡所遵循的1394总线标准像USB总线标准一样只是通用接口，而不是视频采集卡。只是因为1394卡的绝大多数用途是接数码摄象机，所以，我们通常把它看作采集卡了。 1394卡的功能是把DV格式的数据从录像带上拷贝到硬盘里，1394卡的作用仅仅是像硬盘接口一样做数据传输而已，没有视频压缩的硬件。

视频采集卡从存储的数据格式来讲分为两种。

　　Mpeg1级

Mpeg1级采集卡只能对采集的数据进行Mpeg1编码压缩，采集到的数据可用于后期的VCD光盘制作。

　　Mpeg2级

Mpeg2级采集卡可以对采集的数据进行Mpeg1和Mpeg2两种算法压缩，采集到的数据可以制成VCD也可以制成DVD。由于Mpeg2编码算法的先进性，因此Mpeg2级的采集卡价格要比Mpeg1级的采集卡价格高一些。

2．技术指标

（1）总线接口
　　视频采集卡的接口包括与PC机的接口和与模拟视频设备的接口。目前PC 视频采集卡通常采用32位的PCI总线接口，它插到PC机主板的扩展槽中，以实现采集卡与PC机的通讯与数据传输。DV卡（1394卡）也是通过32位的PCI总线实现与PC的连接。由于USB2.0将外设数据传输速度从USB1.1规范的12Mbps大踏步提高到了480Mbps，超过了IEEE 1394 400Mbps的最高传输速度，因此，外置式的视频采集卡一般采用USB总线接口。

（2）视频采集卡的常用指标

　　画面比例

4:3
宽银幕16:9

　　视频输入制式

NTSC
PAL
SECAM(不常用，以下略讲)

　　视频输入信号

复合输入(CVBS)
S-Video(Y/C亮色分离)输入
SDI串行数字输入（serial digital interface）（常见在高档采集卡上）
模拟全分量输入（YUV分离）（常见在高档采集卡上）
DV (IEEE 1394) 输入

　　视频分辨率

NTSC (720,704,640,544,480,352) x 480 或352 x 240，30/29.97 fps(帧每秒)
PAL (768,704,640,544,480,352) x 576 或352 x 288，25fps(帧每秒)

　　压缩标准

MPEG-1
MPEF-2等

　要求色彩、亮度、对比度、饱和度可调，水平，垂直偏移可调，而且需要数字前置滤波器。

（3）音频指标
　　音频输入：单声道、立体声
　　音频标准：MPEG-1 LAYER1/2、PCM、AC3
　　音频采样率：32、44.1、48KHz 16bit立体声
　　音频压缩位速率：32～384kbits/s

　　特别需要指出的是以上指标并不是每一块视频采集卡都具有的，根据采集卡的用途和档次，指标都是有所不同的。

6.6.2 视频捕捉卡的安装

视频捕捉卡安装过程可分为三部分：

1.硬件安装

(1)首先请关掉电源并卸下主机外壳。
(2)拿取视频捕捉卡之前，请先将双手放在机壳上去除静电。
(3)将视频捕捉卡平放入PCI插槽。
(4)连接视频源与视频捕捉卡的AV或S_Video端子连接。
(5)一切就续后，开启PC机与视频设备的电源开关。

2.软件安装（含Windows driver and utility）

只有把采集卡插入了PC机的主板扩展槽并正确安装了驱动程序以后采集卡才能正常工作。视频采集卡一般都配有硬件驱动程序以实现PC机对采集卡的控制和数据通讯。根据不同的采集卡所要求的操作系统环境，各有不同的驱动程序。
首先，在Windows95环境安装视频捕捉卡：
(1)启动Windows，看到一个发现新硬件的对话框在"PCI Multimedia Video Device"项目中。
(2)插入驱动光/软盘并点取"下一步"键。
(3)"新增硬件即插即用"将导引你一步步的完成新硬件自动侦测过程。

3.应用调试

接下来，开始使用捕捉卡的应用程序：
（1）视频输入源选择：在视频输入源中选择一个与实际的外部输入连接一致。
制式选择NTSC/PAL：选择视频流输入的制式
亮度调整（brighiness）
对比度调整(contrast)
色调(hue)
饱和度(saturation)
（2）基本设置：
音频设置（Audio format ）
视频格式（video format ）
视频源设置（video souse）：视频输入源选择
视频压缩设置(compression)：视频压缩编码选择
视频显示方式：preview(预览)、overlay(叠加)
（3）标题栏设置
（4）使用者手册内容。
通常旧版的VGA驱动程序会导致不正常的图像显示，此时，你必需安装内含光盘中的"DirectX" 来升级你的VGA驱动程序。
注意：
如发现视频卡在有些机器上无法正常采集图像，可将显示属性中的硬件加速性能逐级下调，一般可以解决问题。

6.6.3 视频卡捕捉卡的使用

　　采集卡一般都配有采集应用程序以控制和操作采集过程。也有一些通用的采集程序，数字视频编辑软件如Adobe Premiere等也带有采集功能，但这些应用软件都必须与采集卡硬件配合使用。也即只有采集卡硬件正常安装和驱动以后才能使用。

1.模拟视频信号源及其设备

由于视频采集卡提供复合视频输入和分量视频输入口，因此只要具有复合视频输出或S－Video输出端口的设备都可以为采集卡提供视频信号源。这些设备一般包括磁带录像机（VCR）、摄像机（Video Camera 或Camcorder），甚至激光视盘机（LaserDisc Player）。这些设备至少带有复合视频输出端口（Video Out），有的带有分量视频输出端口（S－Video Out）。把这些输出端口与采集卡相应的视频输入端口相连就可实现信号的连接。当然，使用S－Video端口可以获取更好的图像质量。视频的采集可以按用户的创意及设计捕获图像，但采集的质量在很大程度上取决于视频采集卡的性能以及模拟视频信号源的质量。根据不同的模拟视频信号源应分别选择相应的设备：
(1)磁带录像机及录像带　这是提供模拟视频信号源的最常用设备。不同档次和规格的录像机对使用的磁带有不同的要求，如VHS的磁带仅适用于VHS录像机。
(2)摄像机　通过摄像机可以实时获取动态实景。获取的实景可以记录在与摄像机配套的磁录像带上，也可以直接通过摄像机的输出端口输出，有的摄像机还具有播放功能，可以播放其录像带上的信号并通过输出端口输出。电视信号的采集：这种采集较复杂一些，但也可采用多种方式。

2.模拟设备与PC的连接

准备好了模拟视频信号源及其相应的设备，下一步的工作就是把模拟设备与PC机上的采集卡相连接。需要注意的是由于采集卡一般只具有视频输入端口而没有伴音输入端口，因此如果需要同步采集模拟信号中的伴音，必须使用带声卡的MPC机，采集卡通过MPC上的声卡来采集同步伴音。模拟设备与采集卡的连接包括模拟设备视频输出端口与采集卡视频输入端口的连接，以及模拟设备的音频输出端口与MPC声卡的音频输入端口的连接。　　

视频采集对MPC的要求
　　与其它媒体数据相比，数字视频的数据量是最大的，特别是采集到的原始数字视频数据，在编辑或压缩成可用视频文件之前数据量更是可观。在采集数字视频时，计算机的作用第一是控制采集卡的实时工作，第二是能够把采集卡获取的数据通过扩展槽总线接口实时输送到计算机并记录到硬盘上，因此视频序列的数据率越高，对计算机的数据传输率要求越高。因此，采集卡的性能越好，对计算机的要求也越高，否则采集卡不能发挥其正常的功能。

CPU处理速度和内存容量

由于模拟视频输入端可以提供不间断的信息源，视频采集卡要采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入PC系统。因此，实现实时采集的关键是每一帧所需的处理时间。如果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧之间的相隔时间，则要出现数据的丢失，也即丢帧现象。性能越高的采集卡其处理每一帧所需的时间越短，因此数据率也越高，这要求MPC的CPU处理速度也越高。因此，选用较高的CPU并有效地利用内存是采集视频的基本要求。

硬盘的优化

由于采集的数字视频最终要存入硬盘中，因此足够的硬盘容量是视频采集的基础。此外，在实时采集和硬盘存入的过程中，硬盘的存取速度是数据采集和传输的“瓶颈”。如果采集和处理的数字视频速率高于硬盘的数据传输率，在实时采集的过程中就会出现丢帧现象。视频采集卡需要以非常高的数据率把采集到的视频数据写入到PC机的硬盘中。数字视频的分辨率越高、质量越好，硬盘必须处理的数据传输率越大。因此用于视频采集的硬盘可从多种方面进行优化，以提高实际采集的效果。

显示设置

采集卡配备的采集程序，一般提供采集预览和实时监视视频数据的功能，也即在采集之前可以预览采集的效果以调整采集参数；在采集的时候可以同步监视采集信号源的情况。无论是预览还是采集时同步监视，这个过程都是数字视频的回放。首先把模拟视频信号转换成了数字视频数据，预览时直接把数据送MPC的显示缓存进行屏幕显示，而同步监视是把采集到的数字视频数据保存成文件的同时把数据往显示缓存中送。由于数字视频的回放要占用MPC较多的系统资源，因此如果MPC系统的处理速度不够，采集时同步监视必然要影响到采集的效果，导致采集时丢帧现象。也即采集时监视的效果并不一定是采集后再回放的效果。如果屏幕的显示深度设置很高，如真彩色或64K色，则MPC系统要占用更多的资源来作为显示处理用，当然也会影响采集的效果。如果丢帧现象严重，应该把MPC的屏幕显示色彩设置得低一些，甚至采用关闭采集视频的同步监视，这样可以提高采集的效果，减少丢帧。由于伴音的采集是通过声卡进行的，因此即使关闭了同步视像的监视，通过声卡的输出还是可以同步监视伴音。

　　如果概括的描述一下，采集视频的过程主要包括如下几个步骤：
1、采集卡硬件安装和软件驱动。
2、设置音频和视频源，把视频源外设的视像输出与采集卡相连、音频输出与 MPC声卡相连。
3、准备好MPC系统环境，如硬盘的优化、显示设置、关闭其它进程等。
4、启动采集程序，预览采集信号，设置采集参数。启动信号源，然后进行采集。
5、播放采集的数据，如果丢帧严重可修改采集参数或进一步优化采集环境，然后重新采集。
6、由于信号源是不间断地送往采集卡的视频输入端口的，而且采集的起始和终止又是分别控制的，因此根据需要，可对采集的原始数据进行简单的编辑。如剪切掉起始和结尾处无用的视频序列，剪切掉中间部分无用的视频序列等，以减少数据所占的硬盘空间。