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

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 5 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 6 視覺暫留的原理

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 ) 8 類比視訊規格

 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。 9 電視原理

 目前世界上常見的類比視訊規格有以下三種  NTSC  SECAM  PAL 10 類比視訊規格

 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 11 NTSC

 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 12 SECAM

 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 13 PAL

14 三大系統的使用國家分布圖 資料來源： Wikipedia

16.2 視訊的數位化與壓縮概念

 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 16 視訊數位化與壓縮概念

 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 17 決定壓縮率的因素 資料來源： Winzip

 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 18 高壓縮率的概念

 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 19 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 20 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 21 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 。 22 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 23 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 24 影片壓縮

16.3 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 26 數位視訊規格 資料來源：维基百科

 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 27 MPEG-1 資料來源：维基百科

 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 28 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 29 MPEG-1

 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 30 MPEG-2 資料來源：

 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 31 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 32 MPEG-4 資料來源：

 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 33 MPEG-4

 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 34 MP4 與 MPEG4

 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 35 MP5 與 MPEG 的關係

 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 36 AVI

 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 37 Quick Time

 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 38 VCD

 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 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 39 SVCD

 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 40 DVD

 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 41 ITU

 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 42 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 43 HDTV

44 解析度比較 資料來源： Wikipedia

 HD (High-definition)  1280 x 720 (1366 x 768)  Full HD  1920 x 1080  4K  3840 x