视频的像素、分辨率及应用

乐活   2025-02-04 00:00   山东  

一、像素:

像素是构成数码影像的基本单元,通常以像素每英寸PPI(pixels per inch)为单位来表示影像分辨率的大小。因此,像素指的是摄像头的分辨率,像素越大,意味着光敏元件越多,相应的成本就越大。

数码影像具有连续性的浓淡阶调,若把影像放大数倍,会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成,这些小方点就是构成影像的最小单元——像素。这种最小的图形单元在屏幕上显示通常是单个的染色点。越高位的像素,其拥有的色板

也就越丰富,也就越能表达颜色的真实感。

二、分辨率:

像素也是构成数码影像的基本单元,通常以像素每英寸PPI为单位来表示影像分辨率的大小。因此,像素指的是摄像头的分辨率,像素越大,意味着光敏元件越多,相应的成本就越大。例如300x300PPI分辨率,即表示水平方向与垂直方向上每英寸长度上的像素数都是300,也可表示为一平方英寸内有9万(300x300)像素。

数码影像具有连续性的浓淡阶调,若把影像放大数倍,会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成,这些小方点就是构成影像的最小单元——像素。这种最小的图形单元在屏幕上显示通常是单个的染色点。越高位的像素,其拥有的色板也就越丰富,也就越能表达颜色的真实感。

(一)常见的分辨率:

1.720P:分辨率1280×720像素。是是美国电影电视工程师协会(SMPTE)制定的高等级高清数字电视的格式标准,有效显示格式为:1280×720.SMPTE(美国电影电视工程协会)将数字高清信号数字电视扫描线的不同分为1080p、1080i、720P(i是interlace,隔行的意思,p是Progressive,逐行的意思)。

1080 和 720 其实是指垂直像素数,分辨率除去垂直像素,还需要考虑到水平像素数。

按照 16:9 (宽 : 高) 的比例计算,

720p 的水平像素数为 720 ÷ 9 × 16 = 1280,总计像素为921600像素即大约为 92 万像素。

2.1080p:分辨率1920x1080 像素。分辨率具有1920个水平像素,总计2073600像素即约200万像素,是720p的两倍多。而像素越多视频就越清晰,所以1080p比720p的视频更加清晰。

3.1080i:分辨率1920 x 1080像素 。隔行扫描模式下的高清图像是隔行显示的。每一个奇数行图像都在每一偶数行图像后面显示出来。比如将 60 帧分成两部分,奇数帧只扫描 1,3,5,7,9… 行,偶数帧只扫描 2,4,6,8,10… 行。理论上人眼是察觉不出来画面不连续,反而是由于视觉残留,能自动将两帧叠加在一起。

 1080i 的区别就在于1080p不是隔行扫描,是逐行扫描。每一线都同时表现在画面上,因此比隔行扫描电视更加的平滑。

1080p 是当中清晰度最好的。有人可能会说那以后看视频就盲选最高分辨率,一定可以看到最清晰最好的视频。虽然这样操作是可行的,但想要看到最好的视觉效果,并不是单独依靠分辨率的,还和视频帧率和码率有关。

4.2K:水平分辨率达到约2000像素,最标准的2k分辨率为2048×1024,常见的2k分辨率为2560×1440(16:9)。

5.4k:UHDTV1由SMPTE ST 2036-1标准定义的VHD超高清系统,其分辨率为3840×2160(16:9)。

4K分辨率并不特指某个特定数值,它指的是水平方向约有4000个像素点左右,根据不同的应用领域而存在细微差距。

4K分辨率是发展的趋势即4096×2160的像素分辨率,它是2K投影机和高清电视分辨率的4倍,属于超高清分辨率。在此分辨率下,观众将可以看清画面中的每一个细节,每一个特写。

比如常说的4K电影,其影片分辨率4096×2160,是由4K摄像机的成像格式决定。而在人们讨论的电视领域,由于屏幕16:9已成主流,因此电视屏的4K指的是3840×2160的物理分辨率,相当于给1920×1080(1080P)在横向和竖向上各翻了一番,仍然是标准的16:9规格。

在数字技术领域,通常采用二进制运算,而且用构成图像的像素数来描述数字图像的大小。由于构成数字图像的像素数量巨大,通常以K来表示210即1024,因此:1K=210=1024,2K=211=2048,4K=212=4096。

在数字电影应用中,通常2K图像是由2048×1080个像素构成的,其中2048表示水平方向的像素数,1080表示垂直方向的像素数;4K图像是由4096×2160个像素构成的,其中4096表示水平方向的像素数,2160表示垂直方向的像素数。在实际的数字母版制作和数字放映中,还需根据不同的画幅宽高比来对图像水平方向或垂直方向的像素数进行调整。

4K分辨率相当于给1920×1080在横向和竖向上各翻了一番,达到了4倍于1080P的标准。4K电视像素达到800多万,已经接近主流数码相机千万像素的标准,对于图像显示的精细度有非常大幅度的提升。

6.8k:UHDTV2同样由SMPTE ST 2036-1标准定义的VHD超高清系统,分辨率达到7680×4320。

(二)分辨率、帧率、码率之间的关系:

帧率:FPS(frame per second 每秒钟要多少帧画面)
GOP(表示多少秒一个I帧)
码率:编码器每秒编出的数据大小,单位是kbps,比如800kbps代表编码器每秒产生800kb(或100KB)的数据。
分辨率:单位英寸中所包含的像素点数;
VGA:Video Graphics Array(视频图像分辨率)

1.三者的对应直播质量的影响因素。

(1)帧率:

影响画面流畅度,与画面流畅度成正比:

①帧率越大,画面越流畅;

②帧率越小,画面越有跳动感。

如果码率为变量,则帧率也会影响体积,帧率越高,每秒钟经过的画面越多,需要的码率也越高,体积也越大。帧率就是在1秒钟时间里传输的图片的帧数,也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。

(2)分辨率:

影响图像大小,与图像大小成正比:分辨率越高,图像越大;分辨率越低,图像越小。

(3)清晰度:

①在码率一定的情况下,分辨率与清晰度成反比关系:分辨率越高,图像越不清晰,分辨率越低,图像越清晰。

②在分辨率一定的情况下,码率与清晰度成正比关系,码率越高,图像越清晰;码率越低,图像越不清晰。

2.关于一个视频流的数据量:

码率如果为10Mb/s,代表1秒钟有10M bit的视频数据,对于YUV422格式的1080P视频而言,一帧图像是1920x1080x2x8/1024/1024 = 31.64Mbit,1秒钟30帧图像的话,则有949.2Mb/s,可见其数据量之大,不压缩根本无法网上传播。不要以为1080P的视频就一定是高清的,清晰度还跟视频码率密切相关,对于1080P的视频而言,蓝光视频的码率是20Mb/s,一般下载的视频码率大都是10Mb/s,一些IPCamera/无人机的码率是2~8Mb/s,而很多视频网站的码率甚至低于5M/s,其实有时还不如高码率的720P清晰。

好的画质是分辨率、帧率和码率三者之间的平衡:

3.码率不是越大越好:

如果不做码率大小上的限制,那么分辨率越高,画质越细腻;帧率越高,视频也越流畅,但相应的码率也会很大,因为每秒钟需要用更多的数据来承载较高的清晰度和流畅度。这对云服务厂商而言这是好事(收入跟流量呈正比),但对您可能意味着更多的费用开支。

4.帧率不要超过24:

如果限定一个码率,比如800kbps,那么帧率越高,编码器就必须加大对单帧画面的压缩比,也就是通过降低画质来承载足够多的帧数。如果视频源来自摄像头,24FPS已经是肉眼极限,所以一般20帧的FPS就已经可以达到很好的用户体验了。有些玩过3D游戏的朋友可能会说,游戏的帧率越高越流畅。这里要注意一定不要混淆场景:游戏追求高帧率的目的是为了尽可能让3D模型渲染出来的运动效果更加接近真实运动轨迹,所以帧率越高越好。但对摄像头而言,它要采集的目标是真实世界的物体,真实世界本来就没有刷新率的说法,所以这个理论不适用。

5.分辨率不盲目攀高:

如果限定一个码率,比如800kbps,那么分辨率越高就会让编码器越 “为难" ,可以想象,它必须拆东墙补西墙,通过减少色彩信息或者引入马赛克这种“鱼目混珠”的手段来承载足够多的像素点。所以,同样的是2G的一个电影文件,1080p画质的版本可能不如720p画质的版本看起来更清晰。

三、H.265 视频编码,降低50%视频体积。

作为新一代视频编解码格式,H.265得到越来越广泛的应用。不久之前,苹果公司在翘首期盼中发布了iPhone6,该款手机较之以往的iPhone,不仅仅只是简单地增大了屏幕,其采用了H.265视频编码解码技术,可达到在有限带宽下传输更高质量的网络视频。虽然对于大部分人来讲,H.265还有点陌生,然而早在两年前,爱立信就已经推出了首款H.265编解码器。使用H.265编解码的一个巨大优势是仅需目前主流编码视频H.264一半的比特率,就可提供同等质量的视频。

从介绍上我们可以看到 H.265 的作用是视频压缩,它可以减少视频的体积,同时还可以提升画面质量,可谓一举多得,是视频处理的好帮手。

目前市面上的大多数视频处理软件,如格式工厂或者ffmpeg等都可以对视频进行H.265编码处理。但是这些软件只能对单个视频进行处理,如果视频数量特别多,你就需要一个一个的处理,不但处理时间长,而且也很麻烦。

四、标清、高清、全高清、超清(超高清)。

480x320, 640x480 标清

1024x720p 高清

1920x1080i (隔行扫描) 也属于高清

1920x1080p 全高清

3840x2160,7680x4320 超(高)清

美国消费电子协会(CEA)将4K的分辨率正式命名为Ultra HD(Ultra High-Definition)

目前视频行业里的视频分辨率的规范:

(一)高清(High Definition),是目前相对比较熟悉的一个词语。高清是在广播电视领域首先被提出的,最早是由美国电影电视工程师协会(SMPTE)等权威机构制定相关标准,视频监控领域同样也广泛沿用了广播电视的标准。将“高清”定义为720p、1080i与1080p三种标准形式,而1080P又有另外一种称呼--全高清(Full High Definition)。关于高清标准,国际上公认的有两条: 视频垂直分辨率超过720p或1080i; 视频宽纵比为16:9。

(二)标清(Standard Definition),是物理分辨率在720p以下的一种视频格式。 

(三)超高清(Ultra High-Definition),这是今天的重点内容。来自国际电信联盟 (International Telecommunication Union)最新批准的信息显示,“4K分辨率(3840×2160 像素)”的正式名称被定为“超高清 Ultra HD(Ultra High-Definition)”。同时,这个名称也适用于“8K分辨率 (7680×4320像素)”。

五、手机和相机的区别:
(一)现在的手机分辨率普遍都要比相机的高,动不动就是几千万甚至上亿的像素,但是拍出来的效果却总是比不上分辨率低的相机。这是什么原因呢?其实很简单,就是因为手机与相机是两种不同的拍摄体系。手机是算法拍摄,相机是光学拍摄,手机的那些像素不是基于真正意义上的像素点,而是通过软件算出来的像素,而相机则是通过感光元件感光得到的具有真正效果像素的画面。
(二)用手机拍视频时,使用1080P拍的画质与4K拍的差不多,这是因为,手机是算法拍摄。用1080P拍摄,手机会把更多的算力用在画质的提升上,而用4K拍摄,手机就会把更多的算力用在像素的计算上。这样就导致两者之间拍出来的效果就差不多了。同样,有时候用相机拍出的4K画面,上传至各网站平台,发现画质也达不到4K,这是因为目前大部分网站平台主要还是支持1080P的,4K画质上传上去,网站会在后台自动压缩,这样自然就会导致画质下降了。分辨率是保证画面清晰度一个重要指标,了解了它后,还要在拍摄中合理设置才能得到理想的效果。
参阅:《图像的像素、分辨率及应用

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