Je sais qu'il y a mencoder (qui fait partie du projet mplayer) et ffmpeg, qui peuvent tous les deux faire ça.
ffmpeg est un excellent programme (open source) pour créer toutes sortes de vidéos et convertir un type de vidéo (une séquence d'images dans ce cas) en d'autres types de vidéo.
Habituellement, il est utilisé à partir de la ligne de commande, mais ce n'est en réalité qu'un wrapper autour de ses bibliothèques internes. Il est expressément disponible pour être utilisé à partir d'un autre programme.
Il existe également des liaisons python qui enveloppent l'API c, bien que ce projet particulier ne semble pas bénéficier du meilleur support (il existe probablement d'autres projets qui font la même chose).
Il y a aussi ce lien où quelqu'un a utilisé ffmpeg pour faire quelque chose de similaire à ce que vous recherchez.
GStreamer est un choix populaire. Il s'agit d'un framework multimédia complet, un peu comme DirectShow ou QuickTime, qui a l'avantage de disposer de codecs sous licence légale et d'excellentes liaisons Python.