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數位影像與視訊簡介

數位影像與視訊簡介. 靜宜大學資訊管理學系 胡育誠 教授 ychu@pu.edu.tw Office: 主顧 667. 什麼是數位資料？. 數位化資料 利用二進制表示法來表示日常生活會遇到的各種類型的資料 數位與類比的差別 時間軸的連續性 量值大小的連續性 常見的數位化資料 文數資料 (Alphanumerical Data) 影像資料 (Images) 視訊資料 (Video) 音訊資料 (Audio). 1. 數位影像. 1.1 影像資料相關名詞 1.2 影像類型 1.3 彩色影像量化 1.4 影像類型轉換介紹

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數位影像與視訊簡介

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Presentation Transcript

  1. 數位影像與視訊簡介 靜宜大學資訊管理學系 胡育誠 教授 ychu@pu.edu.tw Office: 主顧 667

  2. 什麼是數位資料？ • 數位化資料 • 利用二進制表示法來表示日常生活會遇到的各種類型的資料 • 數位與類比的差別 • 時間軸的連續性 • 量值大小的連續性 • 常見的數位化資料 • 文數資料 (Alphanumerical Data) • 影像資料 (Images) • 視訊資料 (Video) • 音訊資料 (Audio)

  3. 1. 數位影像 1.1 影像資料相關名詞 1.2 影像類型 1.3 彩色影像量化 1.4 影像類型轉換介紹 1.5 影像資料表示法 1.6 影像檔案格式

  4. 1.1 影像資料相關名詞 • 像素 (pixel) • pixel 是picture element 的縮寫 • 一張 640*480 的圖代表寬有640 個像素,高有480個像素,整張圖所有的像素總數為 640*480=307200 個點 • 影像尺寸 (size) • 像素尺寸：描述一張圖的大小 W*H pixels • 列印尺寸：圖片實際列印出來的結果 • 影像解析度 (resolution) • 數位影像儲存時，每一英吋儲存多少個像素 • 單位： pixel per inch (ppi)

  5. 1.1 影像資料相關名詞 • 影像類型 (image types) • 全彩 (true color) • 索引色 (indexed color) • 灰階 (grayscale image) • 黑白或是二元(bi-level, binary) • 影像檔案格式 (file format) • 原始檔 (raw file), BMP, GIF, JPG, PNG, …

  6. 1.2 影像類型 • 全彩： • 每個像素的紅色(Red)，綠色(Green)與藍色(Blue)分量個別用 8 bits 來表示。 • 一個彩色像素需要24 bits（也就是3 bytes）的儲存空間， • 可表示的色彩共有 224種 影像尺寸: 340x200 影像類型: RGB 全彩

  7. 1.2 影像類型 • 索引色：視調色盤 (palette) 的大小 • RGB彩色影像每個像素需要24 bits的儲存空間，若影像尺寸極大影像所需的儲存空間會很大。 • 利用從彩色影像中產生一個具有代表性的彩色像素集合（調色盤）來壓縮RGB彩色影像。 • 壓縮程序：將每一個RGB彩色像素利用調色盤中最近似的顏色替代，記錄該顏色的編號（索引）。 • 解壓縮程序：利用每個接收到的索引值取出調色盤中對應的顏色來重建彩色像素。 • 使用 256 色的調色盤，每個像素需 8 bits • 使用 64 色的調色盤，每個像素需 6 bits

  8. 1.3 影像類型轉換範例 影像尺寸: 340x200 影像類型: 索引256色 影像尺寸: 340x200 影像類型: 索引16色

  9. 1.2 影像類型 • 灰階： • 灰階影像不包含彩色的資訊 • 紀錄從最亮到最暗灰度的變化 • 常見的灰階影像可分成兩類：8 bits灰階與16 bits灰階 • 8 bits灰階影像灰度變化總共有 256 種 影像尺寸: 340x200 影像類型: 8 bits 灰階

  10. 1.2 影像類型 • 黑白：1 bits • 黑白影像又被稱為二元影像 • 每個像素需要 1 bit 的空間來儲存，因為一個位元可以表示兩種變化 • 通常黑色以 0表示 ；白色以 1表示

  11. 1.3 彩色影像量化 • 彩色影像量化 (color image quantization) • 三個主要部份 • 調色盤設計 (palette design) • 影像壓縮 (像素對應 pixel mapping) • 影像解壓縮 • 觀察 • 人眼對色彩的鑑別度不高 • RGB image (24 bit/pixel)  a total of 224 possible colors • 一張彩色影像中, 不是所有可能的顏色都會出現 • 彩色像素出現的次數與影像內容有關 • 常出現的像素不多 • 概念 • 利用具有代表性的子集合取代所有的像素

  12. 1.3 彩色影像量化 • 調色盤設計程序 • 產生具有代表性的調色盤, 其中有 k 個彩色像素, 每個像素皆為24 bits. • 影像壓縮程序 • 將給定彩色影像中的每一個像素以調色盤中最近似的顏色取代 • 利用最近似顏色的索引值來表示原本的彩色像素 • 壓縮碼: 調色盤與所有的索引值 (indices) • 索引值的長度與調色盤的大小有關 (log2k) • 影像解壓縮程序 • 利用調色盤與索引值, 將索引值對應的最近似顏色取出來重建壓縮過後的像素 • 需使用與壓縮程序相同的調色盤

  13. 1.3 彩色影像量化

  14. 1.4.1 全彩影像轉換成索引色影像

  15. 1.4.1 全彩影像轉換成索引色影像

  16. 1.4.2 全彩影像轉換成灰階影像 • 輸入: 一個彩色像素 x = (r,g,b) • 輸出: 一個灰階像素 y • 公式一 • y = (r+g+b)/3 • 公式二 • y = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b • 分析 • 公式一假設一個彩色像素的三個頻譜分量是相等重要的 • 公式二利用到人類視覺的特性: 人眼對綠色光較為敏感. 相同的概念用在YIQ色彩模型中

  17. 1.4.2 全彩影像轉換成灰階影像

  18. 1.4.2 全彩影像轉換成灰階影像

  19. 1.4.3 灰階影像轉換成黑白影像 • 輸入: 一個灰階像素 y （假設為 8 bit/pixel） • 輸出: 一個黑白影像 z (1 bit/pixel) • 二值化的處理 • 挑選一個門檻植 TH if y >= TH then z =1 else z = 0

  20. 1.4.3 灰階影像轉換成黑白影像

  21. 1.5 影像資料表示法 • 數位影像的儲存空間計算(未壓縮格式) • Space = W*H*m • W: 影像寬度, 單位為像素 (pixel) • H: 影像高度, 單位為像素 (pixel) • m: 影像顏色數(color depth), 單位為位元 (bit) • Example: 儲存一張 640*480 的全彩RGB影像 • W=640 • H=480 • m=24 (store RBG component using 24 bits) • Space = 640*480*24 bits = 640*480*3 bytes = 900 KB

  22. 1.6 影像檔案格式 • BMP 圖檔格式 • 這是微軟公司所提出的點陣圖格式，原本是專門用在Windows作業系統上，讓各軟體的圖形能彼此相容。 • BMP檔雖然普遍，但有個壞處是無法壓縮全彩圖形，所以存檔後會變的很大（影像佔用多大資料量，存檔後就有多大）。 • 16色，256色和灰階圖片則可以使用RLE技術壓縮，壓縮後的圖形不會失真，但儲存和開啟的速度會較慢。 • BMP格式支援RGB全彩，索引色，灰階及黑白等色彩類型，也就是說，這幾類的圖片都可以存成BMP檔。 • CMYK或36 bit全彩的圖片無法存成BMP檔。 • 如果在存檔時發現少了一些格式可選擇，便是因為目前的圖片類型無法存成那些格式。

  23. 1.6 影像檔案格式 • GIF圖檔格式 • GIF是網頁上最常用的圖形格式了，原因是它可以存成透明圖（把其中的一種顏色變透明），交錯圖（在瀏覽器中慢慢顯現），和動畫（把許多GIF圖片連續重疊成一個檔案），而且提供『非破壞性壓縮』，存檔後的體積比原來小很多，圖片也不會失真。 • GIF最多只能儲存256色的顏色數目，所以在儲存之前，必須將圖片轉為 256色，16色，灰階或黑白模式，才能存成GIF檔。

  24. 1.6 影像檔案格式 • JPEG圖檔格式 • JPG也是網頁常用的圖形格式，他的壓縮率相當驚人，原本1MB的圖片存成JPG檔後可能只剩下幾十K而以（視影像的複雜度及所設定的壓縮層級而定）。 • 由於JPG格式屬於破壞性壓縮，存檔時會捨棄一些不需要的像素（捨棄後就再也就不回來了），因此可能造成圖片失真，不過對一般而言，在正常的壓縮情形下，肉眼是很難看得出壓縮前後的品質差異。 • 儲存JPG檔時可以選擇壓縮的層級，若選擇高壓縮的方式，則影像的品質會降低; 若選擇高品質的壓縮方式，影像會較接近原來的品質，但檔案也會相對的較大。 • JPG格式支援RGB全彩，灰階，CMYK模式，但是16色，256色和黑白圖片都無法存成JPG檔。

  25. 1.6 影像檔案格式 • PNG圖檔格式 • 近年來由於GIF格式所引發的權利金問題，所以PNG格式就成為免費的GIF替代品，在全球網際網路上作為非破壞性壓縮和顯示影像的格式。 • 與GIF的差異在於PNG支援全彩影像，可製作透明度的Alpha Channel，但目前尚無法儲存動畫。 • PNG支援的色彩類型有：RGB全彩，索引色，灰階與黑白模式。 • PNG格式是W3C Recommendation的網路圖檔格式，目前IE 5.0和Netscape 5.0也都有支援部分PNG格式。 • PNG格式所包含的規格很多，例如Alpha Channel，Gamma等，若想知道自己的流覽器是否有支援可以連上http://www.w3.org/Graphics/PNG 作個測試就可知道了。

  26. 1.6 影像檔案格式 • TIF圖檔格式 • TIF是影像處理界最普遍之源的檔案格式，因為它可以跨平台，提供非破壞性壓縮，十分適合印刷輸出（因為品質好），所以大多數的影像處理軟體及排版軟體都會支援TIF圖檔。 • 在一般較為專業的圖庫光碟中，圖檔也都存成TIF格式，以符合排版，印刷的功能。 • TIF支援RGB全彩，CMYK，索引色彩，灰階和黑白模式。目前也唯有TIF檔能存成48bit的全彩類型，如果有圖片要作為印刷用途，那麼存成TIF檔是最好的方式。

  27. 1.6 影像檔案格式 • UFO圖檔格式 • UFO是PhotoImapct專用的檔案格式。在PhotoImapct中，影像可以包含許多物件，路徑，選取區，只有存成UFO檔時，這些資料才能保留下來，方便使用者下次開啟檔案時繼續為完成的工作，或隨時修改做好的成品。 • 不過其他的影像處理軟體並不支援UFO格式，如果要用別的軟體來開啟此圖形，必須先將其中的物件全部合併，存成一般類型的圖檔（如上述幾種格式）才行。 • UFO支援各種色彩類型，也提供非破壞性壓縮，適合用來儲存為完成的影像工作，或使當成已經完成的作品備份。

  28. 1.6 影像檔案格式

  29. 2. 視訊資料表示法 • 視訊資料 • 視訊資料是由多幅連續的影像序列與連續的音訊資料構成的。 • 由於人眼視覺暫留的特性，在亮度訊號消失後亮度仍能保持1/20~1/10秒。 • 視訊資料具有時間連續性。 • 視訊資料所需的儲存空間相當的大，通常需要採用合適的壓縮法來降低其儲存需求。 • 視訊的像恇（frame）與像恇間的相關性非常的高。 • 基本上，動態視訊可分為兩類： • 影像視訊（Video）：自然景物 • 動畫 (Animation)：由電腦合成

  30. 2. 視訊資料表示法 • 常見的視訊檔案格式 • AVI （Audio Video Interleave） • 由Microsoft所開發，只要使用Windows系列的作業系統，在正常狀況下，都可以開啟該檔案格式。 • 微軟由 WIN3.1 時代就發表的視訊檔案格式。 • AVI格式的優點為兼容好、使用方便、影像質量好，但缺點為其大量的儲存空間需求！ • Quick Time Movie • 由APPLE所研發的Mac視訊檔案格式， 副檔名為 mov，以軟體技術在蘋果電腦上使用 • 這是最早發展出來的視訊檔案格式 • 如果PC個人電腦欲觀看或輸出成此檔案格式，必須安裝「QuickTime」程式。

  31. 2. 視訊資料表示法 • MPEG（Motion Pictures Expert Group） • 是一個組織的名稱，也是一種視訊檔案格式。此視訊檔案格式可將原有視訊以壓縮的方式減少所需的儲存空間。 • 使用 MPEG-1 的壓縮算法，可以把一部 120 分鐘長的電影壓縮到 1.2 GB 左右大小。 • MPEG-2 除了應用在 DVD 的制作（壓縮）方面，同時在一些 HDTV和一些高要求視訊編輯、處理上面也有相當的應用面。使用 MPEG-2 的壓縮算法壓縮一部 120 分鐘長的電影可壓縮到 4 到 8 GB 的大小（當然，其圖象質量等性能方面的指標 MPEG-1 是沒得比的）。 • MPEG-4 是一種新的壓縮算法，使用這種算法的 ASF 格式可以把一部 120 分鐘長的電影（未視頻文件）壓縮到 300M 左右的視頻流，可供在網上觀看。

  32. 2. 視訊資料表示法 • Px64 CCITT 標準 • 這是由國際電話電報委員會(International Telegraph and Telephone Consultative Committee) 所制定，專用於視訊會議的壓縮標準 • 壓縮比可達100:1至200:1 • 視訊會議的要求必須能夠快速壓縮視訊資料，並傳輸到接收端去，故 MPEG 不適合用於視訊會議 • Advanced Streaming Format (ASF) • 由Microsoft所研發的串流視訊檔案格式， 副檔名為 asf，為了和 Real player 競爭而發展出來的一種可以直接在網上觀看視頻節目的壓縮格式 • ASF使用 MPEG4 的壓縮算法，所以壓縮率和圖像的質量都很不錯。比同是串流視訊檔案格式的 RAM 格式要好。

  33. 2. 視訊資料表示法 • REAL VIDEO • REAL VIDEO （RA、RAM）格式由一開始就是定位就是在視頻流應用方面的，也可以說是視頻流技朮的始創者。 • 它可以在用 56K MODEM 撥號上網的條件實現不間斷的視頻播放，當然，其圖象質量和 MPEG2、DIVX 等比是不敢恭維的啦。因為要在網路上傳輸不間斷的視訊資料是需要很大的頻寬 • DIV X • DIVX 視頻編碼技術是由 Microsoft mpeg4v3 修改而來，它使用 MPEG4 壓縮算法。同時它也可以說是為了打破 ASF 的種種協定而發展出來的。 • 使用 DIV X 的編碼技術 --- MPEG4 來壓縮一部 DVD 的視訊資料只需要 2 張 CDROM！這樣就意味著，你不需要買 DVD ROM 也可以得到和它差不多的視頻質量了， • DIV X 的撥放對機器的等級要求也不高，CPU 只要是 300MHZ 以上搭配普通的螢幕顯示卡就可以流暢的播放了。

  34. 種類 / 特徵 VHS V8 Hi8 D8 DV 資料型態 類比 類比 類比 數位 數位 儲存媒體 1/2英吋VHS帶 8mm V8帶 8mm Hi8帶 8mm Hi8帶 6mmDV帶 水平解析度 240條 240條 400條 500條 500條以上 連接端子 AV、S AV、S AV、S AV、SIEEE1394 AV、SIEEE1394 2. 視訊資料表示法

  35. 視訊檔案類型 壓縮標準 解析度 燒錄媒體 NTSC  DVD MPEG 2 720*480 DVD燒錄片 NTSC  VCD MPEG 1 352*240 CD燒錄片 NTSC  SVCD MPEG 2 480*480 CD燒錄片 2. 視訊資料表示法

  36. 2. 視訊資料表示法 • 串流概念介紹 • 所謂的“串流”(Streaming)是指將一連串的影像壓縮後，經過網際網路分段傳送資料，在網路上即時傳輸影音以供觀賞的一種技術與過程。 • 串流傳輸可傳送現場影音或預存於伺服器上的影片，當觀看者在收看這些影音檔時，影音資料在送達觀賞者的電腦後立即由特定播放軟體播放 (如 Windows Media Player, Real Player, 或 QuickTime Player)。

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