Sé que hay mencoder (parte del proyecto mplayer) y ffmpeg, que pueden hacer esto.
ffmpeg es un excelente programa (de código abierto) para crear todo tipo de video y convertir un tipo de video (una secuencia de imágenes en este caso) en otros tipos de video.
Por lo general, se utiliza desde la línea de comandos, pero en realidad es solo un envoltorio alrededor de sus bibliotecas internas. Está expresamente disponible para ser utilizado desde dentro de otro programa.
También hay enlaces de python que envuelven la api de cap, aunque este proyecto en particular no parece estar recibiendo el mejor soporte (probablemente hay otros proyectos que hacen lo mismo).
También hay este enlace donde alguien ha usado ffmpeg para hacer algo similar a lo que estás buscando.
GStreamer es una opción popular. Es un marco multimedia completo muy parecido a DirectShow o QuickTime, tiene la ventaja de tener códecs con licencia legal disponibles y tiene excelentes enlaces de Python.