Chapter 16 多媒體:視訊

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16.視訊
認識視訊的原理
認識視訊的形式
認識視訊的儲存格式
學習視訊的處理工具
建立視訊處理的能力
16.1視訊的原理
16.1.1視覺暫留的原理
視覺暫留的原理
 人為什麼可以將一張張的影像看成會動
的影片?
 視覺暫留效應
 光對視網膜所產生的視覺效應
 視覺暫留效應在光停止後,會保留約二
十四分之一秒
 一秒鐘影像變換次數達24張以上,人眼
就會視為連續的動態影片
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視覺暫留的原理
 視訊(Video)
 一系列的靜態影像賦予聲音
 加以儲存、傳送與重現的各種技術
 通常視訊所呈現出來的結果就是影片
 是連續的影像加上聲音效果
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16.1.2 類比視訊規格
類比視訊規格
 視訊格式
 分為類比與數位兩種
 傳統電視系統是最具代表性的類比視訊系統
 電視將視訊畫面訊號轉為電子訊號,以很快
的速度連續顯示在螢幕上
 為了讓人眼感覺自然,每秒所顯示的畫面個
數必須夠多(必須高於視覺暫留的需求)
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電視原理
 決定視訊品質好壞的因素
 掃瞄線
 一個畫面的掃瞄線愈多,所顯現的影像就愈清晰細緻
 播放畫面數目
 一秒鐘所播放畫面數目則決定所播放出來的效果是否平
順。
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類比視訊規格
 目前世界上常見的類比視訊規格有以下三種
 NTSC
 SECAM
 PAL
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NTSC
 NTSC
 1952年由美國國家電視標準委員會
(National Television System
Committee,縮寫為NTSC)制定的彩
色電視廣播標準
 NTSC標準規格




水平掃描線525條
交錯式掃描
每秒30個畫面
採用國家:美國、加拿大、墨西哥等
大部分美洲國家以及台灣、日本、韓
國、菲律賓
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SECAM
 1966年由法國研發
 SECAM的特點
 不怕干擾,彩色效果好,但兼容性
差
 SECAM標準規格
 水平掃描線625條
 交錯式掃描
 每秒25個畫面
 採用SECAM制的國家主要為俄羅
斯、法國、埃及以及非洲的一些法
語系國家等
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PAL
 1950年代由西德的德律風根公司設計
 針對美規NTSC的缺點,研究及改進
 PAL標準規格




水平掃描線625條
交錯式掃描
每秒25個畫面
除了北美、東亞部分地區使用NTSC標準,
中東、法國及東歐採用SECAM標準外,世
界上大部份地區都是採用PAL標準
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三大系統的使用國家分布圖
資料來源:Wikipedia
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16.2視訊的數位化與壓縮概念
視訊數位化與壓縮概念
 未經壓縮的影片檔案有多大?
 假設一個大小為352×240的影片,以每秒30張來計算,
一分鐘未經壓縮的影片容量為
 60(秒)×30(張)×352×240×3(RGB三色)435MB




上述是MPEG-1(也就是VCD)的規格
未經壓縮的影片一分鐘要0.4G
一小時就需要60×0.424G
目前一張VCD的容量約為680MB左右
 可知數位影片的壓縮率有多大
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決定壓縮率的因素
 數位視訊是由很多畫格(frame)所組成,其檔案大小
由下列幾個因素決定:
 畫格尺寸
 畫面的長和寬的像素
 影像深度
 常見的樣式是全彩,也就是RGB各8位元,總共24位元
表示一個像素點
 畫格播放率
 每秒鐘要播放多少個畫格
 視訊內容
 每個畫格的內容
 內容簡單的畫格通常會比內容複雜的畫格來得容易壓縮
資料來源:Winzip
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高壓縮率的概念
 要如何達到如此高的壓縮率?
 利用連續畫格的相似性來降低儲存資料量
 不需要將每個畫格都記錄
 從畫格序列中挑出一些關鍵畫格(稱為I-Frame)
 利用影像壓縮的方式加以儲存
 介於關鍵畫格之間的其他畫格
 只需儲存與關鍵畫格影像之間的差異資訊
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影片壓縮
 一段影片依照影片的變化程度分成許多影像群組
(Group of pictures)
 影像群組
 畫格間變化小的影片之影像組合
 一個影像群組的畫格包括




I-Frame(Intra Frame)
P-Frame(Predicted Frame)
B-Frame(Bidirectional Frame)
分別給予不同的壓縮方式
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影片壓縮
 I-Frame
 整個畫格採影像壓縮技術壓縮
 P-Frame
 以I-Frame或其他P-Frame為參考畫格,進行
最近似區塊替代
 B-Frame
 參考鄰近的I-Frame及P-Frame進行最近似區
塊替代
 本身不會再被其他畫格所參考
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影片壓縮
 一個影像群組(GOP)
 前後各一個I-Frame(I)組成
 之間穿插幾個P-Frame(P)
 I-Frame和P-Frame或P-Frame和P-Frame之間
 數個B-Frame(B)所組成
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影片壓縮
 參考方式(以連結線表示)
 第四個畫格的P-Frame
 參考第一個I-Frame
 第七個畫格的P-Frame
 參考第四個P-Frame
 B-Frame
 以鄰近的I-Frame或P-Frame為參考對象
 第二個畫格的B-Frame
 參考第一個I-Frame及第四個P-Frame
 第三畫格的B-Frame
 也是參考第一個I-Frame及第四個P-Frame。
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影片壓縮
 一個畫格如果解碼上有雜訊
 將影響到被參考到的畫格
 第一個畫格I-Frame有雜訊




首先影響第四畫格的P-Frame
第四畫格又影響第七畫格
第二、三畫格被第一及第四畫格所影響
第五、六畫格也被第四及第七畫格所影響
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影片壓縮
 觀看影片的現象
 某一個畫面有雜訊出現
 有時會影響影片一段時間(I或P frame)
 有時卻又一閃即逝(B-Frame)
 影片觀看時,無法以跳躍至任何一個畫格
 大部分的軟體只有I-Frame接受跳躍觀看
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16.3數位視訊規格
數位視訊規格
 MPEG-1、MPEG-2或MPEG-4有甚麼差別
 MPEG影音壓縮技術
 由ISO組織的Motion Picture Expert Group委員會
 1988年起提出,因此簡稱為MPEG
 根據其不同用途,先後提出了MPEG-1、MPEG-2、
MPEG-4、MPEG-7等規格
資料來源:维基百科
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MPEG-1
 最早發表的MPEG規格




採用區塊方式的運動補償
離散餘弦轉換(DCT)
量化等技術
規格要求
 1.2Mbps的傳輸速率
 標準解析度為352×240
 色彩運算採用較符合人類感官知覺的YCbCr色彩模型
 YCbCr是RGB外的一種色彩模型
 MPEG-1對於單一影像採用類似於JPEG的壓縮技術
資料來源:维基百科
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MPEG-1
 VCD
 採用MPEG-1作為核心技術
 解析度為352×240
 使用固定1.15Mbps的位元率,略
低於MPEG-1的需求
 在播放快速動作的視訊時
 由於資料量的不足,使視訊畫面容
易出現模糊的方塊
 VCD很快被隨後的DVD取代
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MPEG-1
 MPEG-1存在的時間不長
 最重要的是它對聲音訊號的壓縮技術
 第三代協定被稱為MPEG-1 Layer 3
 MP3
 MP1
 應用在LD作為記錄數位聲音上
 MP2
 應用於歐洲版的DVD聲音壓縮技術之一
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MPEG-2
 MPEG-2的改進
 標準解析度擴增成720×480
 色彩的儲存較MPEG-1標準豐富
 畫面掃描方式除了原先MPEG-1所
使用的逐列掃描外,也增加了交錯
的掃描方式
 MPEG-2經過少量修改後,成為
DVD產品的核心技術
資料來源:http://product.pcpop.com
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MPEG-4
 用於視訊與音訊的壓縮編碼標準
 目的




將視訊資料壓縮到極低的位元比率
提供使用者與視訊內容間的互動編輯能力
MPEG-4不以畫格影像作為壓縮處理的基本單位
將視訊當中各種不同的資料以「物件」加以表示
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MPEG-4
 對比於MPEG-2的區塊分析比對技術
 MPEG-4不使用區塊做為影像分析的基礎
 記錄影像物件變化
 儘管影像變化速度很快,當顯示速率不足時,也不
會出現區塊效應
資料來源:http://mpeg.chiariglione.org/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm
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MPEG-4
 使用者可藉由「物件」的重組達到視訊編輯的效果
 MPEG-4主要用途在網上串流、光碟、語音傳送(視
訊電話)及電視廣播
 MPEG-4是一個公開的平台
 所以各個公司都可以根據MPEG-4的標準開發不同的規
格,例如WMV 9、Quick Time、DivX、Xvid等
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MP4與MPEG4
 MP4
 音頻、視訊的規範
 特別強調著作權功能
 目前有兩種概念
 MP3的改良版
 支援視訊的撥放規格
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MP5與MPEG的關係
 MP5
 廠商發明的名稱
 可撥放RM、RMVB等
 MP5和MPEG無關
 不是ISO/IEC標準
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AVI
 AVI(Audio Video Interleave)
 副檔名為.avi
 微軟公司所開發的一種視訊與音訊規格
 Windows作業平台上最廣泛的視訊與音訊規格
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Quick Time
 副檔名為.mov
 蘋果電腦所推出的一種多媒體規格
 能處理視訊、音效、文字、動畫及音樂格式等類型
資料
 QuickTime檔案格式是公開
 任何人都可以使用,無須支付權利金
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VCD
 Video Compact Disc
 VCD是常見的光碟影片格式之一
 使用MPEG-1壓縮技術
 影片品質約為VHS錄影帶的影片等級
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SVCD





Super Video CD
VCD的加強版本
採用MPEG-2視訊壓縮技術
常見的SVCD可儲存、播放約30-45分鐘的影片
SVCD未獲世界上主要電影公司的支持,因此市面上
較少見到此規格的產品
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DVD





Digital Video Disc
採用MPEG-2壓縮標準
解析度為720×480
聲音可採PCM、杜比AC3或DTS等格式
影片的錄製以單面或雙面、單層或雙層的方式來燒
錄於DVD光碟片之中
 目前影片製作的主要播放格式
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ITU
 International Telecommunication Union




另建議視訊標準H.26x系列
H.261是第一個實用的數位視訊編碼標準
H.263為視訊會議用的低碼率視訊編碼標準
H.264是高度壓縮數位視訊編解碼器標準
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HDTV
 High Definition Television
 HDTV高畫質電視
 一種新型的電視系統
 ITU給高畫質電視下的定義
 高畫質電視應是一個透明系統,一個正常視力
的觀眾處在距該系統顯示螢幕高度的三倍距離
上所看到的影像品質,應該得到有如觀看原始
景物或表演時所得到的印象
 水平和垂直解析度是一般電視的兩倍左右,
並且配有環繞聲響
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HDTV
 透過數位信號傳送
 早期的歐洲和日本的高畫質電視採類比訊號傳送
 一般的高畫質電視支援1920×1080
 每秒24個畫格
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解析度比較
資料來源:Wikipedia
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 HD (High-definition)
 1280 x 720 (1366 x 768)
 Full HD
 1920 x 1080
 4K
 3840 x 2160
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