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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 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 1.5 影像資料表示法 1.6 影像檔案格式
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)
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, …
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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
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)。