陳政雄
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視訊媒體簡介 PowerPoint PPT Presentation


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陳政雄 師資培育中心. 視訊媒體簡介. 大綱. 了解視訊的原理與數位化 認識視訊檔案的格式 認識視訊播放的格式 認識視訊串流格式 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. 電視系統的類比視訊規格

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視訊媒體簡介

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Presentation Transcript


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陳政雄

師資培育中心

視訊媒體簡介


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大綱

了解視訊的原理與數位化

認識視訊檔案的格式

認識視訊播放的格式

認識視訊串流格式

學會電腦上播放視訊的方式


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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。


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視訊原理

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(fps, frames per second);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) 、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


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光電轉換效應

視訊的主要來源是攝影機,它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


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光電轉換效應


Ccd 1 2

電荷耦合器(CCD)-1/2

電荷耦合器(Charge Coupled Device, CCD)為二十世紀八0年代「攝影技術」的革命性的突破

現在流行的數位照相機與攝影機,多是應用CCD的產品

CCD是利用光電效應(photo-electronic effect)把光轉化成強弱不等的電流,再把這些電流訊號數位化,以便影像處理與記錄


Ccd 2 2

電荷耦合器(CCD)-2/2

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。

在特定的光強度範圍內,每一像素產生的電子數目正比於光的強度,因此電荷耦合器是一個線性 (linear) 的光度量器。

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


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電荷耦合器構造

(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。

利用電荷耦合器拍照,可分感光及訊號處理兩個步驟

(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。


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視訊數位化 (量化)

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224=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有效的表達

畫面儲存(以NTSC標準計算,29.97fps)

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 352x240x30x60x3 (共約435MB) 龐大的資料量


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單一像素的儲存


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視訊資料壓縮

數位化視訊資料處理的重要課題

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

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


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視訊資料壓縮

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

記錄關鍵畫格 (key frame)

而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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視訊檔案格式(1/5)

NTSC制訂的影片是由每秒30(29.97)張圖片所構成

單張圖片壓縮的方式有很多種,目前最被廣泛採用的:由JPEG國際組織所訂的標準

JPEG是1982年國際標準組織ISO (International Standard Organization)為了制訂圖形資料壓縮標準所成立的一個委員會,全名為 Joint Photographic Expert Group,由JPEG規範所產生的數位圖形檔,稱為JPEG檔

JPEG採用「離散餘弦轉換」(Discrete Cosine Transform, DCT) 的數學演算公式來採樣影像

早期以JPEG為單張圖片的壓縮基礎,比照動畫(Motion JPEG)的原理,以每秒固定的張數來播放JPEG圖像,又稱為Motion JPEG,動態的JPEG


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視訊檔案格式(2/5)

Motion 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

JPEG 影像 (Frame) 都是未經進一步壓縮

所需資料容量大,電腦需有運算快速之CPU

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

所需的資料量依選取的壓縮比不同而異

壓縮比越大,檔案越小,但影像畫質將變差

高壓縮比的SD 則可用於電腦直接播放、或網際網路的應用


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視訊檔案格式(3/5)

MPEG影音壓縮技術

ISO組織的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

MPEG-1

MPEG-2

MPEG-4

MPEG-7

MPEG-21


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視訊檔案格式(4/5)

MPEG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

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

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


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視訊檔案格式(5/5)

串流視訊 (Streaming Media) 技術

當前在網際網路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

MPEG-1

MPEG-1為最早發表的MPEG格式

標準解析度

NTSC系統:352x240

PAL 系統:352x288

採樣位元率 (bit rate)

可由 90Kbit/sec~5Mbit/sec


Mpeg 11

MPEG-1中的影像序列儲存

I、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

P 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 12

MPEG-1中的影像序列儲存

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

在每12到15張影像之中插入一張 I 畫格,只有這張I畫格需要針對其內容進行影像壓縮儲存

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

因此可以保持很高的壓縮比率


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動態補償

  • 是消除出影片中「畫面間冗餘」(interframe redundancy)的重要方式。

  • 在影片的畫面中有許多區塊是不會產生變動的,因此影片編碼器會對畫面實施動態預測(motion estimation),分析並記錄鄰近畫格間產生變動與沒有變動的區塊,在播放時再透過動態補償結合上述資訊拼湊出完整的畫面,如此一來就可以不用記錄沒有變動的部分,節省儲存空間。


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動態補償

  • 編碼器將畫格分為:

    • I‑frame(Intra-coded picture)I‑frame的會完整地記錄整個畫面,在解碼時並不會施行動態補償

    • P‑frame(Predicted picture)P‑frame則是單向性的預測畫格,它可以尋找前1個畫格中的資訊進行動態補償

    • B‑frame(Bi-predictive picture)B‑frame則是雙向預測畫格,它可以取用前後1個畫格中的資訊


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動態補償

  • 由I、P、B‑frame組成的畫格群組稱為GOP(Group of Pictures)

  • 使用B‑frame的好處它可以向後面的畫格擷取資料,因此遇到「無變動區塊」的機會比P‑frame還要高,可以進一步刪除更多的冗餘資訊

  • 缺點:但是相對而言它的分析工作更加複雜,因此會加重編碼及解碼的運算負擔。


Mpeg 13

MPEG-1中的影像序列儲存與播放


Mpeg 14

MPEG-1應用

VCD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

Internet、Intranet之影音串流

T1頻寬的通信

位元率為1.5 Mbps


Mpeg 2

MPEG-2

MPEG-2沿用了MPEG-1的標準,並且加以擴充:

標準解析度

NTSC系統:720 × 480

PAL 系統:720 × 576

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,色彩儲存較MPEG-1豐富

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

採樣位元率

可由2Mbps至15Mbps


Mpeg 1 mpeg 2

MPEG-1 與 MPEG-2 部分差異

解析度:(NTSC) 352x240 vs. 720x480 MPEG-2的解析度比較高

色差比例:4:2:0 vs. 4:2:2 或 4:4:4MPEG-2的色彩儲存比較豐富

畫面掃瞄方式:MPEG-1 逐列掃瞄 vs. (MPEG-2)逐列掃瞄+交錯式(Interlace)


Mpeg 2 program stream transport stream

MPEG-2 Program stream及Transport stream

Program Stream

應用於電腦多媒體視訊格式及DVD影音光碟製作

軟體播放程式有MPEG-2的Codec就可以收看

Transport 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3Mbps

需要特殊的軟體播放程式或硬體解壓縮設備才可播放


Mpeg 4

MPEG-4

MPEG-4 標準

將視訊資料壓縮到極低的位元比率

提供了使用者與視訊內涵之間的互動編輯能力

將視訊當中各種不同的資料以各式各樣的「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

適用的位元率範圍亦可從5Kbps到2Mbps

主要應用:視訊傳遞、編輯


Mpeg 41

MPEG-4

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

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

ISO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 7

MPEG-7

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

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 71

MPEG-7

MPEG-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:description 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


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AVI格式

微軟公司(Microsoft)所開發出來的一種視訊格式

將各種媒體資料以資料流 (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

由於 Windows 作業系統的普及目前在 Windows 作業平台上最廣泛被運用的音訊/視訊格式

AVI 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編碼方式加以儲存

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

QuickTime 格式

Apple公司在 1991 年開發出來的視訊檔案格式

必須要搭配使用QuickTime播放軟體觀看其內容

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

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


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MKV 格式

Matroska(俄語:матроска)是一種新的多媒體封裝格式

可把多種不同編碼的視頻及16條或以上不同格式的音訊和語言不同的字幕封裝到一個Matroska Media檔內。

是其中一種開放原始碼的多媒體封裝格式。

mkv只是Matroska媒體系列的其中一種檔案格式。


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MKV 格式

Matroska媒體定義了三種類型的檔:

MKV (Matroska Video File):視訊檔,可以包含音訊和字幕;

MKA (Matroska Audio File):單一的音訊檔,可以有多條及多種類型的音軌;

MKS (Matroska Subtitles):字幕檔案。

這三種檔案中以MKV最為常見。


Mkv vs avi

MKV vs. AVI


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串流視訊

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

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

串流媒體最大的功用: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


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視訊播放規格

Video Compact Disc (VCD)

使用MPEG-1視訊壓縮格式的影音光碟

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


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視訊播放規格

Super 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


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視訊播放規格

Digital Video Disc (DVD-Video)

DVD-Video影像的部分採用的是MPEG-2的標準

可採用固定採樣率及變動採樣率

最高可採樣到9Mbps,解析度也由VCD的352 × 240 (NTSC) 提昇到720 × 480,因此在畫質上穫得了很大的改善

聲音部分可採用PCM、杜比AC3及DTS等格式。可達到家庭電影院的影音效果

是目前影片製作的主要播放格式

藉由 DVD 光碟片較大的儲存空間,可以將視訊資料以單面或雙面、單層或雙層的方式來燒錄於 DVD 光碟片之中

可以用DVD播放機或是電腦的DVD光碟機搭配軟體來播放


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電腦上的視訊播放

一般的視訊資料,可以透過Windows系統內建的媒體播放程式Windows Media Player來播放

以Windows XP為例,內建Windows Media Player 8.0版 (目前已可上網更新到11.0版)

可播放檔案格式

Microsoft Windows Media 格式 (副檔名為 avi、asf、asx、rmi、wav 、wma、wax 等)

MPEG 系列 (副檔名為 mpg 、mpeg、m1v、mp2、mp3、mpa、mpe 等)

MIDI 格式 (副檔名為 mid、rmi 等)


Windows media player

Windows media player的執行與調整


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結論

藉由視訊檔案的原理以及格式的介紹,配合視訊播放的說明,我們可以熟悉並且了解到視訊資料的特色,對於進一步處理與編輯製作視訊媒體將會有所助益。


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