編碼與封裝

前言

要說到影片的編碼與封裝,就要先聊聊影片是怎麼產生的。相信大家小時後都有看過翻頁動畫吧,就是由很多張圖片組成的書,在快速翻書時就可以看到一幅連續的動畫,如下圖:
翻頁動畫
影片的原理也是如此,一張張的照片,經過快速的連續切換,就成為了動態影片。但是這樣子的原始影片大小非常的可觀,若影像的每個畫素的三個顏色RGB各需要一個位元組儲存,每一個畫素需要3位元組,解析度1280×720的影像的大小為2.76M位元組,若每秒FPS為25偵,所需的位元率會達到553Mb/s。這種大小不論是儲存或用網路傳輸都是有困難的,因此編碼壓縮勢在必行。

資料壓縮的難題

音檔和視訊有著完全不同的編碼方式和壓縮理論,音訊編碼的難點在於延時敏感、卡頓敏感、噪聲抑制(Denoise)、回聲消除(AEC)、靜音檢測(VAD)、混音演算法等…每個項目都有各別的演算法去深究如何優化音訊的擷取。

而視訊壓縮編碼的難點則在於編碼效率和編碼複雜度的平衡。例如H.265較H.264在相同的位元率之下有更好的畫質呈現、更小的檔案大小,但相較起來,編碼的複雜度約增加了近十倍。但在實際的應用當中,大多數狀況的編碼端及解碼端的電腦資源不固定,因此在編碼複雜度和編碼效率中取得平衡則是很重要的事。

H264和H265的比較圖
264vs265
來源: H.264和H.265(HEVC)深度解析及對比

影片壓縮衡量單位

位元速率

網路影音多媒體包括音視頻在單位時間內的資料傳輸率時通常使用碼流位元速率來表示,代表每秒傳輸或處理的位元量(資料流量),單位 Mbps (Mb/s) 。
亦可說是所需的最低下載速度,下載速度越低,需越高的壓縮,尤其是破壞性壓縮,故位元速率會影響到影片品質。

  • 相同解析度下,位元率越高,每秒包含的資訊越多,檔案越大、壓縮比越小,影音品質越佳,越吃頻寬及電腦的運算能力,配備不夠好者可能會很卡。
  • 使用較低的位元速率輸出,在靜止畫面差異較小,動態畫面容易產生色塊,畫質低落,整體較不清晰。

我們可以從位元速率去推算最終整個串流檔案的大小,完整的影片則包括『視頻』及『音頻』兩個軌道,其公式如下:

檔案大小(MB為單位) = (音訊編位元速率(KBit為單位)/8 + 視訊編位元速率(KBit為單位)/8)× 影片總長度(秒為單位

而音檔的位元速率公式如下:

位元速率(Bit Per Second) = 取樣率(Hz) x 採用位數 x 聲道數

通常,影片位元速率會受到FPS(每秒幀數)、解析度(指輸出的影像尺寸)、編碼方式(有VBR、CBR、ABR三種)、壓縮演算法(如:H.264、H.265和VP9)影響,音檔則受到取樣率、採用位數(指單次取樣儲存時所占大小,例如電話就是3kHZ取樣的7位聲音,而CD是44.1kHZ取樣的16位聲音)以及聲道數影響,以上幾項的選擇目標是達到位元速率的最小化播放畫質最佳化之間的理想的平衡。

下面針對上面提到的幾個名詞做解釋:

FPS

FPS是Frames Per Second的縮寫,是指每秒鐘重新整理的圖片的幀數,也可以理解為圖形處理器每秒鐘能夠重新整理幾次。越高的幀速率可以得到更流暢、更逼真的動畫。每秒鐘幀數(FPS)越多,所顯示的動作就會越流暢。

解析度

編碼方式

壓縮演算法

影像壓縮原理

資料壓縮是透過去除資料中的冗餘資訊而達成。就視訊資料而言,資料中的冗餘資訊可以分成四類:

  1. 時間上的冗餘資訊(temporal redundancy)
    在視訊資料中,相鄰的影格(frame)與影格之間通常有很強的關連性,這樣的關連性即為時間上的冗餘資訊。

  2. 空間上的冗餘資訊(spatial redundancy)
    在同一張影格之中,相鄰的像素之間通常有很強的關連性,這樣的關連性即為空間上的冗餘資訊。

  3. 統計上的冗餘資訊(statistical redundancy)
    統計上的冗餘資訊指的是欲編碼的符號(symbol)的機率分布是不均勻(non-uniform)的。

  4. 感知上的冗餘資訊(perceptual redundancy)
    感知上的冗餘資訊是指在人在觀看視訊時,人眼無法察覺的資訊。

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