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初探視訊影像壓縮技術概念-洋洋得意報NO.37

 日期:4/21/2019 12:04:21 PM

初探視訊影像壓縮技術概念-洋洋得意報NO.37

洋洋實業團隊 撰 2009/2/20

       1988年,由迪德‧拉葛(Dider LaGall)領導;結合ISO(International Standard Organization)與IEC(International Electronic Committee)於1988年聯合成立了MPEG組織。「MPEG」(Motion Pictures Expert Group,動畫專家組織)是專門定義壓縮規格的世界性組織,至此開始MPEG隨即一系列視訊及音訊壓縮標準的制定工作。有了MPEG-1、MPEG-2、MPEG3與後來MPEG-4、MPEG-7的出現,也代表MPEG組織發展階段的里程碑,不同版本表示了不同規範與應用。MPEG壓縮標準是針對運動圖像而設計的,基本方法是在單位時間內採集並保存第一圖場資訊,然後就只存儲其餘圖場相對第一圖場發生變化的部分,以達到壓縮的目的。MPEG的壓縮規格,使我們在一片薄薄的光碟片上儲存長時間的影片或以低頻寬的播出網路,傳送高品質的影像訊號。

        壓縮技術的成果,對廣播、電視、網路、儲存媒體與通訊的發展,將啟動了革命性的作用。目前數位電視是以MPEG-2做為壓縮技術的標準,未來將可同時採用以物件(Object)觀念壓縮與封包的MPEG-4技術作更有效率的影音資訊傳輸。數位視訊可以解決類比視訊彩色暈開、低清晰度、每複製一次即失真一次的問題,但它必須經過壓縮才能降低對通訊頻寬及儲存媒體容量之需求,又因為視訊必須交換,所以必須訂定各種應用所需的壓縮標準,來達到影像資料傳輸與儲存,常用的數位視訊壓縮規格有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4及M-JPEG四種,可應用在數位壓縮技術,整理如下:

  1.  M-JPEG:M-JPEG 於1992年制定,JPEG壓縮解壓縮技術適用於靜態影像的壓縮,同樣地,動態影像也需要壓縮技術,因此,M-PEG(Motion JPEG 之意)就是為了解決動態影像的壓縮發展而成的。目前,這種M-JPEG壓縮解壓縮技術普遍被使用在監視器、動畫編輯、數位錄影機…等方面。M-JPEG 是一種視訊硬體所用的壓縮技術,動態影像的每一個Frame皆應用JPEG的壓縮技術,而每一個Frame依動作變化的程度,經過程度不一的資料壓縮過程來減低其資料量,以降低對通訊頻寬及儲存媒體容量之需求。

  2. MPEG-1:1992年底,MPEG-1正式被批准成為國際標準。MPEG-1演算法當中,每一個畫面的資料大小都必須相同,所以在壓縮每個畫面時,演算法本身會動態的變化壓縮程度,不過在畫面與畫面之間還有額外的壓縮動作。這個接下來的動作稱之為「畫面間壓縮」(Interframe Compression)。Video CD與PC系統MPEG解碼硬體,是現階段MPEG-1的主要應用,MPEG-1 VCD規格(也稱作白皮書規格)中規定MPEG資料流必須持續1.15 Mbps的速率來傳送。為了能夠在播放時維持這樣固定的傳輸率,對每個畫面的壓縮程度會一直改變。隨著數位化的影音系統需求日益昇高,MPEG-1的解碼IC也日益多樣化,與提高整合度。

  3. MPEG-2:MPEG-2於1994年發佈,是視頻和音頻壓縮國際標準。MPEG-2為更先進的演算法,在編碼時採用可變的資料速率。MPEG-2規格使用的就是這種技術,如果場景快速改變,或是影像不容易壓縮的時候,會特別注意並處理這些畫面。MPEG-2則由4 Mbps~9.8M bps左右(大約是40:1的壓縮比)。目前MPEG-2是被廣泛應用的視訊壓縮標準,MPEG-2是被定義用來提供給傳輸工具與高容量的儲存媒體、傳輸及儲存數位影音資料之用,例如多頻道衛星節目的傳送與接收、數位攝錄影機、數位電視…等功能,MPEG-2技術也應用在了HDTV傳輸系統中。適用於720:480的影像解析度與YUV「4:2:0」或「4:2:2」的色彩解析度,技術的主要基礎是「影像比對」(Motion Estimation),它能找出前後兩張影像間的位移量,如此便可由前一張畫面來預測下一張畫面,達到減少資料量的效果,此外它也使用到JPEG的技術來進一步減少畫面中的資料量。

  4. MPEG-4:MPEG-4於1999年1月發表,成為新一代的媒體資料壓縮標準,訂定的目的之一,是為了提供窄頻傳輸所需,如無線通訊的行動電話,不只可雙向傳輸語音,更可以傳遞視訊。網路資訊的傳輸,常會因所使用的通訊設備的頻寬不同而有不同的品質,MPEG-4的規格可做到內容調變(Scalable Content)的功能,以適合多樣化影音串流(Streaming)的環境。由於這種可調變的特性。MPEG-4一個畫面將可視為是由多個視訊物件所組成,如此可提供很高的使用者互動性,可以開發更多的應用。使用者透過家電產品可以自由地存取操作這些視訊物件,而組成自己想要的畫面,因此,觀眾可以有很高的娛樂性與互動性。未來的電視內容可以接受來自廣播和具互動的數位資料,MPEG-4成了最佳的整合的方法。未來MPEG-4正一步步拉近其他數位化的媒體,隨著H.264壓縮方式的發表,同時被MPEG組織納入MPEG-4 Part-10稱為MPEG-4 「AVC」(Advanced Video Codec)後,似乎已經結束了這十幾年來影音壓縮檔案格式百家爭鳴的戰爭了。數位電視也因為MPEG-4的整合而成為多媒體家族的一員,透過新一代壓縮技術的應用,為科技匯流(Convergence)盛事將「再添一樁」。

       綜合以上的壓縮技術而論,視訊壓縮的兩個最重要的標準是MPEG-1與MPEG-2,其中MPEG-1最重要的應用在Video CD;而MPEG-2是娛樂用高品質視訊與音訊使用的格式,DVD和數位電視廣播(Digital Video Broadcasting)之數位無線電視、數位有線電視、數位直播衛星電視…等,就是使用這種格式儲存及傳輸數位影音資訊。


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