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1、四、視訊媒體學習目標 l了解視訊的原理與數位化l認識視訊檔案的格式l認識視訊播放的格式l認識視訊串流格式l學會電腦上播放視訊的方式視訊原理電影的英文叫 “Motion Picture”，字面上為 動畫的意思。其原理就是當我們快速翻閱一 張張記錄連續場景的圖片時，由於人眼有視覺 暫留的特性，會將這些獨立的圖片感覺成連續 、活動的影片，也因此才會將連續播放的圖片稱 為動畫。視訊原理l電視系統的類比視訊規格美規：NTSC ，為美國國家規格委員會 所制定，每秒29.97個畫面；北美、台灣、菲 律賓、日本.等國採用歐規：PAL，為歐盟各國所共同制定，每 秒25個畫面；歐洲、澳洲、東南亞(菲律賓除外) 、
2、大陸等國採用其它：SECAM，由法國所制定，每秒25 個畫面；法國、蘇聯、非洲等國採用光電轉換效應視訊的主要來源是攝影機，攝影機是利用三 菱鏡的分色原理，先將被攝物體的光線經由透鏡 分解成紅 (R)、綠 (G)、藍 (B) 三種色光，再由 攝像管將光線依其強度的不同轉換成強弱不等的 電流，再利用電磁的轉換效應將光的信號記錄到 錄影帶中儲存。攝像管將光線轉換成電流的動作 ，是透過電荷耦合器 (CCD) 來完成，這個過程 借助的是光電轉換效應 光電轉換效應電荷耦合器(CCD)l是一塊感光晶片，類似人的視網膜，利用光電 轉換效應將光轉化為電流訊號的元件。l在特定的光強度範圍內，每一像素產生的電子數目
3、 正比於光的強度，因此電荷耦合器是一個線性 (linear) 的光度量器。 l利用電荷耦合器拍照感光步驟 晶片將入射光線轉化為電子，儲存於每一像素內訊號處理步驟 將電流數位化，構成代表影像之矩陣電荷耦合器構造利用電荷耦合器拍照，可分感光及訊號處理兩個 步驟(1) 在感光階段 ，晶片把入射光 轉化為電子，並 儲於每一像素內 。(2) 感光完畢，光電子被 送到電荷耦合器的腦部 即負責處理訊號的處理器 上，把電流數位化。 視訊數位化 (量化)l單一像素儲存將R、G、B 三原色光分別以8位元表示、儲 存合成後共使用24位元，可有1677萬種顏色 組合；這個組合幾乎可將大自然的所有顏色以數 字化方式加以
4、有效的表達。 l畫面儲存每個畫面的大小(如352x240個點)每秒儲存的畫面數(如每秒30張)一分鐘的資料量為 1800x352x240x3 (共約 435MB) 龐大的資料量單一像素的儲存視訊資料壓縮l數位化視訊資料處理的重要課題l目標有效減少視訊資料的儲存空間又能同時保留視訊資料的內涵l影響視訊資料儲存空間的主要因素單一影像畫格 (Frame) 的儲存空間儲存影像的張數 視訊資料壓縮l作法減少單一影像的儲存空間：套用影像壓縮 的部分，利用影像壓縮技術以比較簡潔的方式來 儲存每一張單一的影像減少儲存的影像張數：視訊資料具連續性 與相似性l記錄關鍵畫格 (key frame)l而介於關鍵畫格之
5、間的其他畫格， 只需儲存與關鍵畫格影像之間的差異資訊視訊檔案格式lMotion JPEG以JPEG影像壓縮為基礎，常見的 AVI 檔案即為此種 格式HD (High Definition) 格式lJPEG 影像 (Frame) 都是未經進一步壓縮 l所需資料容量大，電腦需有運算快速之CPUl但其畫質極佳，目前仍運用於電視台及電影 製片公司之數位剪接及數位特效之製作SD (Standard Definition)格式l 所需的資料量依選取的壓縮比不同而異l壓縮比越大，檔案越小，但影像畫質將變差l高壓縮比的SD 則可用於電腦直接播放、或 網際網路的應用 視訊檔案格式lMPEG影音壓縮技術ISO組織
6、的Motion Picture Expert Group委 員會於1988年提出，簡稱為 MPEG 根據其不同用途，先後提出的相關標準有lMPEG-1lMPEG-2lMPEG-4lMPEG-7lMPEG-21視訊檔案格式lMPEG影音壓縮技術減低Motion JPEG巨大的資料量所帶來的 不方便性MPEG的主要觀念l利用視訊每兩張相鄰畫面之間的物 體移動變化並不會太大的特性l只從影像序列當中挑出一些關鍵畫 格 (keyframe) 來儲存，而介於關鍵畫格之間 的其他畫格，則只需儲存與關鍵畫格影像之 間變化的資訊即可 視訊檔案格式l串流視訊 (Streaming Media) 技術當前在網際網路
7、應用上最主要的一種多媒 體傳遞與播放方式藉由串流視訊技術，視訊資料可以在網際 網路上進行傳輸，而使用者僅需接收到部分的多 媒體資料之後便可以開始播放，不用苦等完整檔 案下載成功目前較常見的格式有RealVideo、WMV、 MPEG4、H.264 等格式 MPEG-1 lMPEG-1為最早發表的MPEG格式l標準解析度NTSC系統：352x240PAL 系統：352x288l採樣位元率 (bit rate)可由 90Kbit/sec5Mbit/secMPEG-1中的影像序列儲存 lI、P、B畫格格式I 畫格 (Intra Frame) ：畫格的內容採用影像壓縮方 式加以儲存 P 畫格是利用前一
8、個 I 畫格再加上位移向量 (Motion Vector) 來加以所得的內容 B 畫格是利用前後的 I 畫格以及 P 畫格，以內插法 的方式加以產生 lP 畫格以及 B 畫格不需要記錄畫格內的全部資訊， 只需記錄與前後 I 畫格或 P 畫格內容的差異性MPEG-1中的影像序列儲存l一段播放的影像序列GOP (Group of Picture) 可以表示成類似 IBBPBBPBBPBBPBBI 這樣的畫 格順序 l在每12到15張影像之中插入一張 I 畫格l只有這張畫格需要針對其內容進行影像壓縮儲 存l其餘的畫格 (B 或 P) 都可以利用預測或是內插 的方式加以產生l因此可以保持很高的壓縮比率
9、 MPEG-1中的影像序列儲存與播放MPEG-1應用lVCD光碟製作 位元率約為1.15 Mbps一個小時的視訊資料大約只需要600MB的 儲存空間lInternet、Intranet之影音串流T1頻寬的通信位元率為1.5 MbpsMPEG-2 MPEG-2沿用了MPEG-1的標準，並且加以擴充：l標準解析度NTSC系統：720 480PAL 系統：720 576l色差比例由MPEG-1的4:2:0 擴增為4:2:2 以及4:4:4兩種模式l畫面掃描方式除了原先MPEG-1所使用的逐列掃描之外，也增加了 交錯式 (Interlace) 的掃描方式l採樣位元率可由2Mbps至15MbpsMPEG
10、-2 Program stream及Transport streamlProgram Stream應用於電腦多媒體視訊格式及DVD影音光碟 製作lTransport stream應用於通訊網路之影音傳輸，如衛星上傳之 數位格式Transport Stream的資料封包與TCP/IP的通 訊協定一致，有利於傳輸的穩定性有線電視台其播放的視訊是MPEG-2，4 6 Mbps的Transport Stream；中華電信MOD服務目 前採用位元率為3MbpsMPEG-4lMPEG-4 標準除了將視訊資料壓縮到極低的 位元比率之外，它還提供了使用者與視訊內涵之 間的互動編輯能力l將視訊當中各種不同的資料
11、以各式各樣的 視訊物件 (VOP，Video Object Plane) 表示， 而所有的壓縮以及資料傳遞過程都是以物件 作為基本的單位來加以處理l適用的位元率範圍亦可從5Kbps到2MbpsMPEG-4l擷取早期標準ITU-T H.261/263 (低位元率編碼) 與 ISO/IEC MPEG-1/2 (高位元率編碼) 的優點，加上支援 物件型態編碼及合成影像壓縮l適用於高階互動功能與特殊視訊製作、容錯性編碼 技術 (error-resilient) 及細微式可調適性編碼技術，更可 適用於頻寬變化劇烈的網路環境lISO所給MPEG-4的正式規格編號為14496，其中有 關視訊編解碼技術則分別
12、規範在文件的第二部分 (14496 -2：Visual Part) 及第十部分 (14496-10：Advanced Video Coding)。 MPEG-7l主要是制訂出一套多媒體內容描述介面 (Multimedia Content Description Interface)，藉 由這個描述介面可以做到依內容來檢索多媒體資 料的功能l資料的描述以及描述方式可以透過描述定義 語言 (description definition language) 來加以定 義MPEG-7lMPEG-7中，每一份多媒體資料的描述都是 利用描述元 (D：descriptor) 以及描述結構 (DS ：sesc
13、ription scheme) 來組成描述結構主要是用結構化的方式來說明如 何描述多媒體資料，包括與其他描述結構或是描 述元之間的關係描述元則是實際用來描述多媒體資料的內 容 AVI格式l微軟公司所開發出來的一種視訊格式l可以將各媒體資料以資料流 (data stream) 的方式儲 存並將音訊資料是與視訊資料一起交錯安排，使得它們 可以天衣無縫的一起播放l由於 Windows 作業系統的普及，連帶的也使得它 成為目前在 Windows 作業平台上最廣泛被運用的音訊 視訊格式lAVI 的格式中只描述了音訊以及視訊資料流儲存在 檔案之中的結構，並未特別指定它編碼的方式，因此它 可以透過許多不同的
14、編碼方式加以儲存l壓縮編碼的種類繁多，目前較常被使用的有Motion- JPEG、DivX以及MPEG-4等QuickTime 格式lApple公司在 1991 年開發出來的視訊檔案格式 l必須要搭配使用QuickTime播放軟體觀看其內 容l如AVI一樣，QuickTime並沒有限定視訊資料 必須使用何種壓縮格式，它只定義了視訊的結構l現階段QuickTime多半還是使用Apple本身的視 訊編碼技術，具備有串流的效果，類似於 RealVideo的格式 串流視訊 l串流媒體指的是透過通信網路，由伺服器將影音檔案傳送並分 解成許多小封包(Packets)，產生連續不間斷的訊號流；訊號流到用 戶
15、端之後，再利用媒體播放程式將這些封包一一重組與呈現，藉由 不斷由伺服器往客戶端傳送視訊的小封包，產生一個連續且持續不 斷的訊號流，故名為串流媒體l常見的串流視訊格式包括了有前述需要較高頻寬的MPEG-1、 MPEG-2外，另有在網際網路上常見的RealVideo、QuickTime、 WMV、MPEG4及H.264等視訊格式l串流媒體最大的功用是在於即時的將壓縮後的視訊與音訊資料 傳遞到客戶端，讓客戶端可以在尚未完全接收到全部的資料內容之 前便開始透過用戶端的程式加以解壓縮，並且將視訊與音訊內容加 以播放 視訊播放規格lVideo Compact Disc (VCD)使用MPEG-1視訊壓縮格
16、式的影音光碟輸出的影片品質約為VHS錄影帶影片等級 (通常會更好一些)可用一般電腦的光碟機、VCD播放機、甚 至DVD播放機來播放採用特殊的MPEG-1壓縮格式，其採樣的 解析度為352X240 (NTSC)、位元率是 1.15Mbps視訊播放規格lSuper Video CD (SVCD)增強的VCD版本採用了MPEG-2視訊壓縮技術，支援變動位元速率 (VBR)一般常見的SVCD大約可儲存、播放約30-45 分鐘的 影片；雖然時間可延長到 70 分鐘，不過此時聲音和影像的 品質將會降低SVCD 可以利用一般的VCD/SVCD播放機、大多數 的 DVD 播放機、以及裝有DVD/SVCD播放軟體的電腦光碟 機來播放除了在中國地區以外，並未為其它國家所採用，隨 著DVD的發展，SVCD已逐漸被市場所淘汰視訊播放規格lDigital Video Disc (DVD-Video)DVD-Video影像的部分採用的是MPEG-2的標準
