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何謂先進的壓縮格式~H.264 *
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影音傳輸蓬勃發展 視訊壓縮標準與時並進 ( 第一篇 1/3 終 ) 分類：工作相關資料
2008/03/04 20:40影音傳輸蓬勃發展 視訊壓縮標準與時並進 新電子 2008 年 1 月號 262 期 文．Marco Jacobs 
現 在的生活中幾乎每個人每天都會使用很多次視訊壓縮，不論是看電視上的歐普拉脫口秀、YouTube的爆笑影片、迪士尼DVD或自製的家庭影片，所有的視訊 儲存和傳播機制都與壓縮技術息息相關。早在1929年，Ray Davis Kell就發明一種視訊壓縮格式並取得專利，他曾寫道，過去大家都認為必須完整傳送影片當中的每一個影格，但是透過這項發明，只要傳送接續影像之間的差異 資訊就可以了。 雖然這項技術經過許多年後才真正實現，但其仍為現今許多視訊壓縮規格奠定基礎。本文將簡單介紹電視訊號之後的視訊壓縮標準發展，接著探討支援這些標準之視訊子系統設計挑戰。 CRT/交錯掃描打造早期視訊系統
第一種視訊系統是從示波器演進而來，其本質上仍是一台示波器，但能在螢幕上顯示多重線條，這些系統屬於類比式，並採用俗稱映像管的陰極射線管 (Cathode Ray Tube, CRT)。採用CRT的顯示器可用來呈現一個在射頻載波之上調變的訊號，這就是電視機的誕生。
彩色電視機是由RCA公司在1940年代後期率先開發，之後相當長的一段時間大多數消費者家中仍然只有黑白電視機，因此技術的向下相容性就變得很重要。彩 色資訊是在相同的訊號上聰明的進行調變，讓黑白電視機能從一個包含彩色資訊的視訊訊號呈現明暸的黑白影像。1935年，英國政府定義的高畫質電視 (HDTV)至少必須具備兩百四十條掃描線，時至今日，高畫質電視的實質標準至少需七百二十條掃描線。
早期著名的壓縮格式其實就是交錯掃描(Interlacing)，也就是交替傳輸偶數和奇數掃描線，交錯掃描的兩項優點在於其可減少一半頻寬需求或加倍垂 直解析度。早期CRT的磷輝光持續的時間不夠長，因此無法在較低訊框速率(Frame Rate)顯示清晰影像，交錯掃描技術藉由傳送間隔的掃描線，讓螢幕能在可用的時間內達到部分更新。這種方法其實是利用人類視覺系統中傾向將部分影像整合 成一個一致整體影像的原理，交錯掃描也從那時成為一項實質標準，並沿用迄今，雖然主要是基於既有的老舊系統應用理由。
第一代保存視訊媒體--盤式磁帶
視訊最初於1955年由BBC利用盤式磁帶做為收錄保存的媒體，易於使用的卡式磁帶於1970年代標準化，並於1980年代獲得家庭娛樂裝置採納，掀起第 一場由消費者的需求解決錄影帶(VHS)和Beta兩種標準的爭議。1970年代，廣播業者控告錄影機製造商，因為錄影機讓消費者不經授權就能收錄廣播內 容，結果，美國最高法院判決內容錄製能力屬於合理的使用並且合法。
數位視訊壓縮標準多元化
開發數位視訊處理技術是為處理包括廣播、交錯掃描、視訊收錄及Kell的預測壓縮(Predictive Compression)等技術，由於現今存在各式各樣的數位視訊壓縮標準，因此電視和數位視訊裝置製造商發現，在設計內使用ARC視訊子系統的可程式數 位視訊處理器較符合他們的需求。以下將簡單介紹數種知名的壓縮標準和技術：
H.120採混合視訊編碼
1984年國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)通過H.120標準提案，成為第一個數位視訊編碼標準。H.120採用差分脈波編碼調變(Differential Pulse Code Modulation, DPCM)、數值量化(Scalar Quantization)和可變長度編碼技術，在專用的點對點資料通訊線路之上傳輸NTSC或PAL視訊。當時及之後所有ITU H.xxx標準的目標應用為視訊會議，但H.120現在已經過時。
第一個數位視訊編碼標準--H.261
實用的數位視訊壓縮起源於1990年的ITU H.261標準，目標是要在ISDN線路上傳輸視訊，提供以64kbit/s為單位的倍數資料傳輸率和352×288畫素的CIF或176×144畫素的 QCIF解析度，H.261在當時是一項先進的標準，採用混合的視訊編碼體系，迄今仍是許多視訊編碼標準的基礎。
混合視訊編碼結合兩種方法(圖1)，第一是估算訊框與訊框之間的移動，並根據先前編碼的訊框預測資料然後進行補償。第二種為預測後的殘餘差異性，其透過轉 換至2D頻率域(Frequency Domain)影像以解除空間域(Spatial Domain)影像資料關聯，然後進行編碼。轉換後的資料將接受量化，這個階段會讓資訊流失，之後利用一種不失真的壓縮法，例如霍夫曼編碼 (Huffman Coding)或算數編碼器進行資料編碼。
圖1 混合視訊編碼器
H.261使用4：2：0資料取樣，其中亮度(Luminance)樣本數量為色差(Chrominance)樣本的兩倍，相對於色差，人類眼睛對於亮度 變化比較敏感。H.261使用16×16畫素巨區塊(Macro Block)移動補償(Motion Compensation)、8×8畫素離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform, DCT)、數值量化、鋸齒掃描(Zigzag Scanning)和Huffman-based可變長度一致性編碼(Entropy Coding)，標準作業速率為64k～2,048kbit/s。H.261仍在使用中，不過大致上已被H.263取代。 H.261國際委員會在標準發展上所建立的組織結構和程序，已成為後續標準化工作的基本作業程序。
Motion JPEG採靜態影像壓縮法
JPEG是一種廣泛使用的靜態影像/相片壓縮方法，於1992年達成標準化。JPEG全名為聯合影像專家組織(Joint Photographic Experts Group)，其廣泛使用於數位靜態相機、行動電話和網頁圖形。Motion JPEG將視訊資料編碼成一系列獨立編碼的JPEG影像。由於其沒有提供移動補償，不涉及視訊本質上的時間冗餘性(Temporal Redundancy)，因此壓縮比低於採用畫面間預測(Interframe-predicted)與移動補償的編碼方式。
Motion JPEG通常用於支援數位靜態相機補捉視訊序列，而數位電影和視訊編輯系統也經常使用Motion JPEG。由於Motion JPEG視訊系統的視訊框採用個別編碼，因此可以編輯而不須解壓縮和再壓縮，大幅加速編輯程序，同時也加速一些功能的執行，例如將影片一格一格倒轉播放。
雖然JPEG達到完善的標準化，不過Motion JPEG並未獲得任何業界組織予以標準化。目前並無文件描述Motion JPEG編碼位元流應該遵循何種確切的格式。
MPEG-1支援非交錯式訊號
1992年制定的MPEG-1標準是為以1.5Mbit/s傳輸率達到可接受視訊品質，提供352×288/352×240畫素解析度。MPEG-1幾乎 可以在所有PC、VCD播放機和DVD播放機之上播放，但是MPEG-1只能支援非交錯式的循序掃描影像，偏偏目前廣泛使用中的NTSC和PAL視訊格式 都屬於交錯式，該功能的缺失便促成MPEG-2的發展以支援交錯式訊號。
MPEG-2/H.262可補MPEG-1不足
MPEG-2/H.262標準由ISO和ITU標準組織聯合開發，並於1993年通過，該標準支援720×576/720×480畫素的標準解析度和1920×1080畫素的高畫質視訊訊號，也由於其能支援高畫質影像，所以MPEG-3標準即中止發展。
MPEG-2/H.262是現在使用最普及的視訊壓縮標準。DVD播放機、個人錄影機、攝影機、視訊網路、接收DVB-T/S/C訊號的視訊轉換器和美國數位電視標準ATSC等，都採用MPEG-2/H.262。
MPEG-2/H.262標準在品質和複雜性之間採取折衷設計，以3M～10Mbit/s速率為標準解析度(D1 Pixel Rate)視訊提供專業品質的數位視訊。MPEG-2解碼器向下相容於MPEG-1標準。
Digital Video可達36Mbit/s資料傳輸率
DV視訊編碼標準是由IEC開發並於1994年達到標準化，主要目標是採用磁帶儲存視訊位元資料的攝影機。DV並沒有使用移動補償，而是以固定的25Mbit/s位元速率為個別的訊框編碼，其結合音頻和錯誤偵測暨修正資料可以達到非常高的36Mbit/s資料傳輸率。
DV效率比Motion JPEG高，和I-frame-only MPEG-2/H.262效率相當。採用I-frame-only的目的是簡化視訊資料編輯，該標準也提供方法讓磁帶媒體能高效率的快速前進和快速倒帶播放。
H.263支援視訊會議/行動無線通訊
1995年由ITU制定的H.263標準帶領視訊編碼往前跨出一大步，並成為現在主要的視訊會議和行動電話編解碼標準。主要設計目標是低位元速率的視訊會 議應用，支援行動無線通訊。H.263特別針對漸進式視訊(Progressive Video)而開發，在所有位元速率中的品質皆高過先前所有標準，在極低位元速率下視訊品質可以比MPEG-2/H.262標準高兩倍。H.263有不同 的版本，彼此之間存在許多功能整合，H.263和MPEG-4之間有著某種程度的複雜關係，因為這二項標準有些部分是同時發展的。
H.263使用於H.324、H.323和H.320視訊會議標準，採納Macromedia Flash 7 Player，例如YouTube或Google Video播放的Web視訊內容。第三代夥伴計畫(3GPP)行動電話標準化計畫也包括H.263視訊編解碼，支援行動電話視訊收發。
RealVideo以H.263為基礎作延伸
RealNetworks是率先成功在Internet上銷售串流數位影音工具的商業公司之一，該公司於1997年推出RealVideo第一個版本，該 版本是以H.263為基礎，不過Versions 8及後繼版本則採用專屬的視訊編解碼技術。Version 10於2004年推出並使用迄今。
MPEG-4 SP/ASP提高壓縮速率
MPEG-4於1995展開標準化，並持續透過新的技術進行強化，包括許多創新的編碼概念，如互動式圖形、物件與形狀編碼、Wavelet-based靜 態影像編碼、人臉模型編碼(Face Modeling)、可延展編碼(Scalable Coding)和3D圖形等，這些技術極少投入商品化。其後的標準化工作則將重心縮小至一般視訊序列之壓縮技術。
MPEG-4視訊標準的設計目的是在壓縮品質和位元速率之間提供更多的折衷選擇。MPEG-4簡單類別(Simple Profile)非常類似於H.263，而先進簡單類別(Advanced Simple Profile, ASP)則增加支援SD Video、交錯式工具及其他額外工具以進一步提高壓縮效率，例如四分之一點移動估測(Quarter-pel Motion Estimation)和整體移動補償等。
DivX/XviD採用MPEG-4 ASP技術
普及化的專屬性DivX編碼標準和檔案格式是採用MPEG-4 ASP技術，它們和DivX視訊光碟租賃服務的欠缺知名度和不成功的商業化不相關。DivX編碼器和解碼器已開放至公共領域，並由DivX和Xvid計畫組織負責開發與支援。
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