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16. 視訊

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. 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

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 16.1視訊的原理

  3. 16.1.1視覺暫留的原理

  4. 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. 16.1.2 類比視訊規格

  7. 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. 電視原理 • 映像管的電子束撞擊螢幕產生色彩 • 電子束一次只能撞擊一個點 • 電子束須以極高的速度移動 • 掃瞄 • 在很短的時間內將螢幕上的每一個點都撞擊過一遍 資料來源： http://www.khjh.kh.edu.tw/1223/b1.htm

  9. 電視原理 • 電子束以水平方向掃描進行 • 螢幕畫面由一條條水平掃瞄線構成 • 兩種掃瞄做法 • 逐條掃描 • 適用於掃描速度較高的設備 • 交錯式掃瞄 • 水平掃瞄線分為奇數與偶數兩組 • 依序先掃描所有奇數線，再掃描所有偶數線 • 其作用在使畫面看起來更為平順 • 此方法適用掃描速度不高的設備 資料來源：http://www.synnex.com.tw

  10. 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。

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. NTSC與PAL的檢驗畫面 NTSC PAL

  16. 檢驗畫面 • 背景白線條方格 • 底部畫面有1317個方格、1418條垂直及水平白線 • 每個方格都是正方形 • 檢查4：3的失真度 • 線直不直 • 螢幕的聚焦功能 • 線清不清楚 • 聚光效果 • 線白不白 • 色彩純度 • 灰色是否含其他色彩

  17. 檢驗畫面 • 電子圓圖案 • 電子圓是一個正圓形 • 直徑為12個方格 • 圓心是測試圖的中心 • 檢查螢幕的幾何失真 • 寬高比是否正確 • 圓是否很圓 • 交錯式掃描品質如何 • 圓周是否平滑，圓周如呈現鋸齒狀，表示分別掃描奇偶線的品質不佳

  18. 檢驗畫面 • 電子圓內部 • 中間偏下柵狀圖案 • 五組粗細不同的黑白垂直柵狀線條組成 • 檢查影像的清晰度 • 顯示的分隔條紋越細，電視機的清晰度越高

  19. 檢驗畫面 • 下半中央的灰度階梯 • 0%、20%、40%、60%、80%、100%等六種不同明亮程度的灰色組成， • 檢查信號傳輸通道線性 • 相等間隔的灰色區塊並具有相等對比度變化，表示傳輸效果優良

  20. 三大系統的使用國家分布圖 資料來源：Wikipedia

  21. 16.2視訊的數位化與壓縮概念

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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。

  29. 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

  30. 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

  31. 16.3數位視訊規格

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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 • MPEG 4 第14部份規格

  41. 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

  42. MPEG-7 • MPEG-7規格的目標 • 建立對多媒體內容的描述標準 • 滿足視訊、影像、語音的多媒體應用要求 • MPEG-7與之前MPEG-1,2,4的最大區別 • MPEG-1,2,4重點是高效率的視訊壓縮編碼法 • MPEG-7目的是更有效地描述多媒體資料的特徵 • MPEG-7視頻描述包括基本的結構和顏色及紋理等幾種明顯的視覺描述 • 有助於將來對多媒體資料的管理

  43. 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

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. 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

  48. 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

  49. 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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