1 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
多媒體導論與應用
多媒體導論與應用 -第三版 - 第三版
4.1 視訊原理 4.1 視訊原理 4.2 視訊檔案格式 4.2 視訊檔案格式 4.3 視訊播放規格 4.3 4.4 電腦上的視訊播放 4.5 結論
第 第 4 章 4 章 視訊媒體 視訊媒體
4. 4. 1 視訊原理 1
利用人類視覺暫留原理，將靜態畫面以很快的速利用人類視覺暫留原理，將靜態畫面以很快的速 度播放，產生動態的效果度播放，產生動態的效果
電視系統上，類比視訊規格主要分為NTSC 和 PAL 兩種常見系統、以及不太常見的SECAM系 統。
是視訊資料的數位
將視訊資料從傳統的類比式資料來源 經由視訊擷取設 備將它轉換成數位的形式，並加以儲存3 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4. 4. 1 視訊原理 1
NTSC為「美國國家規格委員會」所制定，目前採用此規格的有 北美及台灣、菲律賓、日本等國家，NTSC制每秒的播放速 度是29.97個畫面 (29.97 fps － frames per second)
PAL (Phase Alternation Line 之縮寫) 為歐盟各國所共同制 定，目前採用的國家及地區有歐洲、澳洲、東南亞(菲律賓 除外)、大陸等區域，PAL制每秒的播放速度是25個畫面
SECAM (Sequentiel Colures A Memoire 之縮寫) 由法國所制 定，目前僅用在法國、蘇聯、非洲等國家，SECAM制每秒 的播放速度是25個畫面4.1.1
4.1.1 光電轉換效應 光電轉換效應
視訊的主要來源是攝影機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。
透過電荷耦合器(CCD) 來完成攝像管光線轉換成 電流的動作5 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.1.1
4.1.1 光電轉換效應 光電轉換效應
4.1.2 電荷耦合器 (CCD)
電荷耦合器是利用光電效應 (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，以方便影 像處理及記錄。
電荷耦合器的「視網膜」是一塊感光晶 片，晶片被劃分成很多小方格，稱為像素 (Pixels)
若一部攝影機有一百萬像素，那它的感光
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4.1.2 電荷耦合器 (CCD)
利用電荷耦合器拍照，可分感光及訊號處 理兩個步驟
在感光階段，晶片把入射光轉化為電子，並儲 於每一像素內
感光完畢，這些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。這時每一像素都有一個對應的數值，構成 代表影像的一個矩陣4.1.2 電荷耦合器 (CCD)
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4.1.3 視訊的數位化 (量化)
單一像素的儲存
將紅(R)、綠 (G)、藍 (B) 三個色光的強度從0到 最強各分成255 (2的8次方)個色階，即各用8位 元(bit) 來表示每一種色光的強度
將紅(R)、綠(G)、藍(B) 再合成後就會有2的24次 方種排列組合(即約1677萬色的組合)
將顏色以(R,G,B) 三個座標來表示,則白色為(255,
255,255)、黑色為 (0,0,0)、紅色為 (255,0,0)、綠 色為(0,255,0)、藍色為 (0,0,255)4.1.3 視訊的數位化 (量化)
畫面的儲存
視訊的原理在於利用肉眼的視覺暫留，為求得「連續」的效果，因此影像播放速度需要很快，
如類似NTSC規格，可達到每秒鐘三十張影像
一分鐘的影片就要耗掉1800 × 352 × 240 × 3 (共約 435 Mega) Bytes 的儲存空間
龐大的資料量在儲存及應用上將會造成很大的不 便11 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.1.3 視訊的數位化 (量化)
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
視訊壓縮
減少單一影像的儲存空間
減少儲存的影像張數
因此，不需要將每張影像都記錄下來，只需從影像序 列當中挑出一些關鍵畫格(Key frame)，利用影像壓縮的 方式加以儲存；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的差異資訊即可4.2 視訊檔案格式
MPEG影音壓縮技術是由上述ISO組織的Motion Picture Expert Group委員會於1988年提出，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、MPEG-21 等規格
AVI以及QuickTime，分別由微軟以及Apple 兩家 公司所設計，為其Windows 作業平台的個人電腦 以及麥金塔電腦制定的視訊格式
串流視訊(Streaming Media) 中使用者僅需接收到 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。13 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.2.1 MPEG 系列
MPEG-1
MPEG-1為最早發表的MPEG格式，其標準解析度 (SIF) 為NTSC系統：352 × 240、或PAL 系統：352 × 288、採 樣位元率(bit rate) 可由 90Kbit/sec～5Mbit/sec，也可 選擇1/4解析度 (QSIF) 採樣頻率
MPEG的標準是採用較為符合人類感官知覺的YCrCb 色彩模型，影像的色彩要先從RGB的色彩模型轉換成 利用YCrCb的方式來表示
對於單一影像的壓縮而言，它是採用類似於JPEG的壓 縮方式4.2.1 MPEG 系列
MPEG-1
於影像序列的儲存方面，分別以I 畫格 (Intra Frame) 、P 畫格 (Predicted frame) 以及 B 畫格 (Bi- directional frame)來儲存每一個畫面15 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.2.1 MPEG 系列
MPEG-2
標準解析度(SIF) 擴增成NTSC系統：720 × 480，或 PAL 系統：720 × 576，而其色差比例則由原先的4:2:0 擴增為4:2:2 以及4:4:4兩種模式
除了解析度的增高之外，對於色彩的儲存也將會較 MPEG-1標準來得豐富許多
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4.2.1 MPEG 系列
MPEG-2
MPEG-2 採樣頻率可由2Mbps至15Mbps
HDTV採用的格式雖同為MPEG-2規格，但採樣 頻率要求要高到50Mbps
有Programstream及Transport stream之分
Program Stream 主要應用於電腦多媒體視訊格式及 DVD影音光碟製作
Transport stream則多應用於通訊網路之影音傳輸，如衛星上傳之數位格式即規定需為MPEG-2的 Transport Stream，Transport Stream的資料封包為 TCP/IP的通訊協定
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4.2.1 MPEG 系列
MPEG-4
除了要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
不再以一張一張的畫格影像作為其處理的基本 單位，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)來加以 表示
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
4.2.1 MPEG 系列
MPEG-4
應用主要可以分為視訊傳遞以及編輯兩方面
由於 MPEG-4的標準可應用於頻寬較低的環境之 中。
視訊資料均表示成各式的「物件」，藉由「物 件」的重組可以達到視訊編輯的效果。可依據自 己的需求或是互動而創造出不同的視訊畫面19 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.2.1 MPEG 系列
MPEG-4
除了承襲壓縮率較舊有標準提高的特性外，所適用的 位元率範圍亦可從5Kbps到2Mbps
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，
支援物件型態編碼及合成影像的壓縮，適用於高階互 動功能與特殊視訊製作、容錯性編碼技術
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4.2.1 MPEG 系列
MPEG-7
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(Content-Based Retrieval)
本身的範疇主要是著重在資料的描述以及描述方式之 上，檢索的方式則不包括在其中
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
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
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4.2.1 MPEG 系列
MPEG-7
影像的描述架構影像的描述架構4.2.2 其他視訊檔案格式
AVI (Audio Video Interleave)
微軟公司所開發出來的一種視訊格式
採用RIFF (Resource Interchange File Format) 格式，這使得 它的播放較為容易
可以將各媒體資料以資料流(Data Stream) 的方式儲存
Interleave 意指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
Windows 作業平台上最廣泛被運用的音訊／視訊格式
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23 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.2.2 其他視訊檔案格式
Quick Time
QuickTime 是由Apple公司在 1991 年開發出來的 視訊檔案格式(副檔名為 .mov)
必須要搭配使用QuickTime播放軟體 才可觀看 其內容
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
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4.2.2 其他視訊檔案格式
串流格式媒體
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
使用者不需將檔案完全下載完成就可開始播放
播放中一邊繼續接收未播放的片段
節省等候時間25 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.3 視訊播放規格
Video Compact Disc (VCD)
Super Video CD (SVCD)
Digital Video Disc (DVD-Video)
4.3.1 Video Compact Disc (VCD)
使用MPEG-1視訊壓縮格式的影音光碟
影片品質約為VHS錄影帶影片的等級 (通常會更好 一些)
可利用一般電腦的光碟機、VCD播放機、甚至 DVD播放機來播放其視訊內容
採用一組特殊的MPEG-1壓縮格式，其採樣的解析 度為352 × 240 (NTSC)、位元率是1.15Mbps
MPEG-1的採樣位元率最高可達5Mbps，為何VCD 只採用較低的1.15 Mbps27 F7842A 多媒體導論與應用-第三版
4.3.2 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)，播放時間與畫質 之間可以取得平衡點
常見的SVCD可儲存、播放約30-45 分鐘的影片；雖可延長到70 分鐘，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、裝有DVD/SVCD播放軟體的 電腦光碟機來播放
SVCD 並未獲得全世界主要電影公司的支持，除 了在中國地區以外，並未為其它國家所採用4.3.2 Super Video CD (SVCD)
VCD、SVCD比較表
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4.3.3 Digital Video Disc (DVD-Video)
DVD-Video影像的部分採用MPEG-2的標準
可採用固定採樣率(CBR，Constant Bit Rate) 及變動採樣率 (Variable Bit Rate)，最高可採樣到9Mbps，解析度720 × 480 (NTSC)，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.
目前影片製作的主要播放格式，提供較佳的音訊和視訊品 質
以單面或雙面、單層或雙層的方式來燒錄於DVD 光碟片 之中
可以利用DVD播放機或是電腦的DVD光碟機搭配軟體來 播放其視訊內容4.4 電腦上的視訊播放
一般視訊資料可透過 Windows系統內建的媒 體播放程式Windows Media Player來播放
Microsoft Windows Media 格式 (副檔名為 avi、asf、asx、rmi、wav 、wma、wax 等)
Moving Pictures Experts Group - MPEG 壓縮系列 (副檔名為 mpg 、mpeg、m1v、mp2、mp3、mpa、mpe 等)
Musical Instrument Digital Interface - MIDI 格式
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4.4 電腦上的視訊播放
Windows Media Player 也可以藉由擴充 codec 的方式來播放DivX格式的AVI檔、或是 MPEG-4格式的WMV檔
4.5 結論
介紹視訊媒體的基本原理
特別是數位視訊資料的特性以及處理的重點
不同的視訊壓縮以及視訊檔案格式
說明視訊資料應用到不同的輸出與播放裝置
使用電腦(Windows作業系統) 來觀賞各種數位視 訊媒體，利用系統內建的Windows Media Player，可以播放大部分的視訊格式
