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视频码率、帧率和分辨率对电影清晰度的影响及关系分析

时间:2024-06-22

为什么会有这样的关系呢?请看下面的分析:(可以直接跳到文章末尾看原因)

视频比特率、帧率、分辨率哪个影响电影的清晰度?

比特率

影响音量,与音量成正比:比特率越高,音量越大;比特率越低,音量越小。

比特率是数据传输时,单位时间内传输的数据位数,一般我们用kbps,即每秒千比特。也就是采样率(和采样率不一样,采样率的单位是Hz,表示每秒采样的次数)。单位时间内采样率越高,精度越高,处理出来的文件也越接近原文件。但是文件大小是和采样率成正比的,所以几乎所有的编码格式都围绕着如何用最低的比特率,达到最少的失真。CBR(固定比特率)和VBR(可变比特率)都是围绕这个核心衍生出来的。“比特率”就是失真程度,比特率越高,图像越清晰,反之,图像就会粗糙,有马赛克的感觉。

比特率是指单位时间内视频的数据量,单位是bps(比特每秒),常用的单位是Kbps(千比特每秒)或Mbps(百万比特每秒)。

无压缩视频码率的计算公式为:

分辨率 × 位深度 × 帧速率 ÷ 1024 ÷ 1024

单位:Mbps

例如,对于分辨率为 1920 x 1080、位深度为 8 位、帧速率为 25 fps 的视频,未压缩的比特率应为 1186 Mbps,或大约 1.2 Gbps。

(1920×1080)×(8×3)×25帧/秒÷1024÷1024

当然,以现在电子设备的性能,所有的视频在编码的时候都必须经过压缩,否则无法存储和传输,更别说录制了。

当分辨率、位深度、帧率等参数相同时,不同的码率决定了编码器对视频的压缩程度,是决定视频最终质量和文件大小的关键因素。

一般来说,码率越低,压缩程度越高,画质越差;码率越高,视频质量越高,但视频文件越大。

码率继续讲解(引用自另一篇文章):

数据率(Data Rate)是指单位时间内视频文件使用或传输的数据流量,也叫码率或码流率。通俗的说就是采样率,是视频编码中画质控制最重要的一个部分,一般我们使用的单位是kb/s或者Mb/s。一般来说,在同样的分辨率下,视频文件的码率越大,压缩比越小,画质越高。码率越大,单位时间内的采样率越大,数据流量越大,精度越高,处理后的文件越接近原始文件,画质越好,画质越清晰,对播放设备的解码能力要求也越高。

当然,码率越大文件体积也会越大,计算公式为文件大小=时间x码率/8。比如网上常见的90分钟720P、1Mbps码率的RMVB文件,大小=5400秒x1Mb/8=675MB。

码率计算公式(视频以M为单位需要乘以1024才能转化为kb):

[比特率] (kbps) = [文件大小] x 8 x 1024 / [时间] (秒)

码率计算公式(以G单位计算的视频需要乘以1024x1024才能换算成kb,以kb单位计算的视频无需乘以1024):

[比特率](kbps)=文件大小(KB)* 8/时间(秒)

例如:视频文件容量为3.446G,视频时长为100分钟(6000秒),计算结果为:

码率约等于:3.446*1024*1024*8/6000=4817.857

大约:4818kbps

一般来说,一个视频文件既包含图像,又包含声音。例如,一个 RMVB 视频文件就同时包含视频和音频信息。音频和视频的采样方式和码率不同,也就是说同一个视频文件中音频和视频的码率并不相同。我们说的视频文件的码率,一般是指视频文件中音频和视频信息的码率之和。

比特率的作用

码率越高,单位时间内的采样率越高,数据流精度越高,从而可以得到更清晰、画质更高的视频。视频在编码压缩时可能会降低码率,过低的码率会导致画面出现马赛克,即画面中某些区域的色彩层次变差,造成色彩混乱、细节不清晰(比如新闻里的犯罪嫌疑人头像)。因为每个像素都需要保留相应的信息,而降低码率也会相应的减少其保留的信息,没有信息的像素只能与周围的像素共享信息,就会出现色彩混乱,画面惨不忍睹。但在码率一定的情况下,我们可以通过降低分辨率,也就是每帧像素数量来避免马赛克,因为像素越少,需要共享进行渲染的像素就越少。

选中视频文件,右键属性-详细信息,可以查看视频码率,这是我录制的1920*1080分辨率视频的信息:

视频大小为28M,时长为8分23秒,其码率为:

28x1024x8/(8x60+23)=457kbps

约460kbps

DCI数字影院计划规定,DCP数字影​​院包的码率上限为250Mbps,流媒体的码率要求比这个要低得多。

音频比特率

音频也有比特率,但是音频的数据量相对要小很多,单位通常为kbps(千比特每秒)。

音频比特率 = 采样率 x 位深度 x 通道数

录屏视频码率是什么_视频录制码率是什么_录制视频中的码率是什么

一般来说,一个视频文件既包含图像,又包含声音。例如,一个 RMVB 视频文件就同时包含视频和音频信息。音频和视频的采样方式和码率不同,也就是说同一个视频文件中音频和视频的码率并不相同。我们说的视频文件的码率,一般是指视频文件中音频和视频信息的码率之和。

以国内最流行、最熟悉的RMVB视频文件为例,RMVB中的VB指的是VBR,是Variable BitRate的缩写,中文意思就是可变比特率,意思是RMVB采用动态编码方式,对于复杂的动态画面(歌舞、赛车、战争、动作等)采用较高的采样率,对于静态画面则采用较低的采样率,从而合理利用资源,达到画质与体积兼顾的效果。

位深度:每个像素在计算机中的存储方式

对于 RGB 图像,如果我们用 8 位(1 字节)来存储颜色空间的各个通道分量,RGB 表示红、绿、蓝三原色,而每种颜色代表一个通道分量,也就是三个通道,那么一个完整的 RGB 像素将占用 3*8 = 24 位空间(3 个字节)。此时,我们称其为:

通道位深度:8位,即需要8位空间来存储颜色空间的一个分量(通道);

像素位深度:24位,即需要24位空间来存储一个RGB像素。

在本文中,除非另有说明,我们所指的图像位深均指像素位深。

需要补充的是,24bit 图像位深和 8bit 通道位深都是比较标准的位深配置,大家可能还会碰到 32bit、16bit、8bit 等图像位深,这些位深不是 3 的倍数,无法均匀分布在 RGB 或 YUV 三个通道上,这些“不规则”的图像位深该如何理解呢?

其实我们只要确认具体的通道深度,就可以更清楚的了解,如下:

32位图像位深:在24位RGB图像基础上,增加了8位透明通道A。比如我们之前推文中提到的RGBA、BGRA等,可以称之为RGBA32、BGRA32;

16位图像位深:R、G、B通道分量分别采用5位、6位、5位通道位深,可以称为RGB565;

8位图像位深:R、G、B通道分量分别使用2位、3位、3位通道位深,可以称为RGB233。

除了以上的例子之外,还有RGBA4444,RGB555等等情况。当你超出本文讨论范围,在实际应用中接触到图像位深时,还是需要明确它的具体含义,是像素位深还是通道位深,各个通道是如何分配的,以免造成混淆。

现在,我们回到 24 位图像位深和 8 位通道位深的配置。在这种配置下,RGB 的每个通道分量可以表示 2^8 = 256 个值。这意味着,如果我们只考虑 R 分量,那么红色就有 256 种不同的色调。同样,将三个通道组合起来,我们可以得到 (28)3 = 16,777,216 种不同的组合,每种组合代表一种不同的颜色。这就是为什么我们在上一条推文中说“RGB 颜色空间可以表示大约 1677 万种颜色”。

显然,图像位深越大,其像素能够表现的颜色就越多,视频图像的色彩就会越丰富细腻,色彩渐变也会越平滑。还有一个更极端的比喻可以帮助理解:想象一下我们要绘制一幅包含彩虹七种颜色的图画,那么拥有七种不同颜色的画笔(高位深)和只有单一颜色的画笔(低位深)自然会呈现出巨大的绘制效果差异。

分辨率是指图像在水平和垂直方向上每行和每列的像素数量。

宽度:每水平行的像素数,等于图像分辨率的宽度

高度:垂直方向每列的像素数,等于图像分辨率的高度

如下图所示,对于分辨率为 540x960(宽 x 高)的 RGB 图像,水平方向每行有 540 个 RGB 像素,垂直方向每列有 960 个 RGB 像素。

上图显示了像素布局,分辨率 540x960,宽 x 高

不难发现,分辨率宽高相乘得到的值=图像总像素数。一幅540 x 960的RGB图像,包含518400个像素,分辨率越高,像素越多。但这518400个像素的色彩信息会被计算机保存下来吗?答案是否定的。受压缩算法的影响,空间冗余、时间冗余等,会丢弃大量像素信息。这会导致视频解压还原时失真。

今天你只需要了解分辨率、图像宽度、高度和像素数之间的关系。

现在我们通过分辨率信息确定了图像每行的像素数,就可以试着计算每行数据的长度(字节数)。因为视频图像通常是逐行处理的,所以计算机更关心每行有多少数据,对于具体的行数(高度)并没有太多的要求。

以24位RGB图像为例,假设分辨率为538 x 960,由于每个像素的R、G、B分量是连续存储在同一平面上的(详情可参见上一篇文章-颜色与色彩空间-第2部分),我们可以通过以下步骤计算出每行像素的字节长度:

每行像素数 = 图像分辨率宽度 = 538

每行像素的字节长度=像素位深x每行像素数=24位x538=1614字节(注:1字节=8位)

本帧所有像素信息的字节大小=像素位深x每行像素数x像素行数

上述该帧大小的公式为:像素深度 x 分辨率

以上就是一帧画面上所有像素信息数据的大小。那么对于每秒24帧的视频来说,1秒钟传输的视频数据大小的计算公式就是码率的公式:

分辨率 × 位深度 × 帧速率 ÷ 1024 ÷ 1024

单位:Mbps(要将每秒字节数转换为每秒千字节数,请除以 1024。要将每秒兆字节数转换为每秒兆字节数,请除以 1024 两次。)

帧速率 (FPS)

它影响画面的流畅度,与画面的流畅度成正比:帧率越高,画面越流畅;帧率越低,画面越抖动。如果比特率是一个变量,那么帧率也会影响体积。帧率越高,每秒通过的画面越多,所需的比特率就越高,体积也就越大。

帧率就是1秒钟传输的图像帧数,也可以理解为图形处理器每秒能够刷新的次数。每秒显示的图像数量影响着画面的流畅度,与画面的流畅度成正比:帧率越高,画面越流畅;帧率越低,画面越跳跃。由于人眼特殊的生理结构,如果你正在观看的画面帧率高于16,就会被认为是连贯的,这种现象叫做视觉暂留。而且当帧率达到一定值之后,如果再提高,人眼就不容易察觉到流畅度的明显提升。

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。

带宽、帧速率(FPS)

录屏视频码率是什么_视频录制码率是什么_录制视频中的码率是什么

例如在ADSL线路上传输图像,上行带宽只有512Kbps,但需要传输4路CIF分辨率图像。按照惯例,CIF分辨率的建议码率为512Kbps,那么按照这个计算,只能传输一路,而降低码率必然会影响画质。为了保证画质,就必须降低帧率。这样,即使降低码率,也不会影响画质,只是会影响图像的连续性。

组图GOP

关键帧I帧(IDR帧)的周期,即从一个关键帧开始到下一个关键帧结束的帧数,也就是两个IDR帧之间的距离,一个帧组中的最大帧数。一般来说,每秒的视频至少需要1个关键帧。增加关键帧的数量可以提高质量,但同时也会增加带宽和网络负载。

需要注意的是,通过增加 GOP 值来提高画质是有限制的,当场景切换时,H.264 编码器会自动插入 I 帧,实际的 GOP 值会缩短。另一方面,在一个 GOP 中,P 帧和 B 帧都是由 I 帧预测的,当 I 帧的画质较差时,会影响一个 GOP 中后续 P 帧和 B 帧的画质,并且可能要等到下一个 GOP 开始时才能恢复。因此,GOP 值不宜设置过大。

同时由于P、B帧的复杂度大于I帧,过多的P、B帧会影响编码效率,降低编码效率。另外过长的GOP还会影响Seek操作的响应速度。由于P、B帧是通过前面的I或P帧预测的,因此Seek操作需要直接定位,在解码某个P或B帧时,需要先解码GOP中的I帧以及前面的N个预测帧。GOP值越长,需要解码的预测帧就越多,Seek响应时间越长。

常见的编码模式:

VBR(Variable Bitrate)动态比特率,即没有固定的比特率,压缩软件在压缩时会根据音频数据实时确定要使用的比特率,这是一种兼顾质量和文件大小的方法,是推荐的编码模式。

ABR(Average Bitrate)是VBR的一个插值参数,LAME为了解决CBR文件大小比不佳和VBR产生的文件大小不确定的问题,创造了这种编码方式。在规定的文件大小范围内,ABR对低频和不敏感的频率使用相对较低的流率,对高频和动态性能较大的频率使用较高的流率。可以作为VBR和CBR之间的一种折衷。

CBR(Constant Bitrate)是指文件从头到尾都是相同的比特率,相对于VBR、ABR来说,压缩后的文件体积非常大,而且音质相对于VBR、ABR来说不会有明显的提升。

高清视频

目前720P、1080P采用的编码方式有很多,主流的有MPEG2、VC-1、H.264,也有Divx、Xvid等,封装格式就更离谱了,有ts、mkv、wmv、蓝光等等。

720和1080代表视频流的分辨率,前者是1280*720,后者是1920*1080。不同的编码需要的系统资源不同。可以粗略的认为H.264>VC-1>MPEG2。

VC-1是最后被认可的高清编码格式,但因为有微软的后台,这个编码格式不容小觑。与MPEG2相比,VC-1压缩比更高,但与H.264相比,编码和解码计算略小。目前来看,VC-1可能均衡性更好,加上微软的支持,应该是一股不可忽视的力量。一般来说,VC-1多以“.wmv”为后缀,但也不绝对,具体编码格式还是需要通过软件来查询。

总体来说,从压缩比来看,H.264的压缩比更高,也就是说,同样的视频,经过H.264编码算法压缩后的视频容量要小于VC-1,但是VC-1格式视频的解码计算量较小,一般高性能的CPU就可以流畅的观看高清视频,相信这也是目前NVIDIA Geforce 8系列显卡无法完整解码VC-1视频的主要原因。

PS & TS 是两种视频或电影封装格式,常用于高清电影。扩展名有 VOB/EVO、TS 等;其文件编码一般为 MPEG2/VC-1/H.264

High Definition 的意思是“高分辨率”。高清电视(HDTV)是美国电影电视工程师协会制定的高清电视标准格式。现在的大屏幕液晶电视一般都支持 1080P、720P,而一些所谓的“全高清”则是指支持 1080P 输出的电视。

目前的高清视频编码格式主要有H.264、VC-1、MPEG-2、MPEG-4、DivX、XviD、WMA-HD、X264等。其实目前网络上流传的高清视频主要以两种文件形式存在:一种是经过MPEG-2标准压缩的以tp、ts为后缀的视频流文件;另一种是经过WMV-HD(Windows Media Video High Definition)标准压缩的wmv文件,还有少数文件后缀为avi或者mpg,和wmv一样。真正好的高清视频更多时候是以H.264和VC-1两种主流编码格式流传的。

一般来说,H.264格式常见的封装格式有“.avi”、“.mkv”、“.ts”。

明晰

当码率一定时,分辨率和清晰度成反比:分辨率越高,图像越不清晰,分辨率越低,图像越清晰。

在分辨率一定的情况下,码率和清晰度成正比,码率越高,图像越清晰;码率越低,图像越不清晰。

当码率一定时,在一定范围内,分辨率就会比较清晰;同理,当分辨率一定时,码率在一定范围内,也会比较清晰。

在视频压缩过程中,I帧是用于帧内图像数据压缩的独立帧,P帧是参照I帧用于帧间图像数据压缩的独立帧。大部分压缩视频都是P帧,因此视频质量主要由P帧来体现。由于P帧并不是独立帧,而只是保存了与相邻I帧的差值,因此其实没有分辨率的概念,应该看成是一个二进制的差值序列。在使用熵编码压缩技术时,该二进制序列会利用量化参数进行有损压缩,视频的质量直接由量化参数决定,而量化参数会直接影响压缩比和码率。

视频质量有主观和客观两个表现形式,主观就是人们通常所说的视频清晰度,客观参数则是量化参数、压缩比或者码率。在同样的视频源和压缩算法的前提下,量化参数、压缩比、码率三者之间存在着正比关系。

重采样

分辨率的改变也叫重采样,从高分辨率变成低分辨率叫下采样,由于采样前数据已经足够,只需要保留尽可能多的信息,一般就能得到比较好的结果。从低分辨率变成高分辨率叫上采样,由于需要插值等方式来补充(猜测)缺失的像素,势必会有所失真,也就是视频质量(清晰度)的损失。

关于视频流的数据量:

如果码率为10Mb/s,就意味着1秒钟内有10Mbit的视频数据。对于YUV422格式的1080P视频来说,一帧图像就是1920x1080x2x8/1024/1024=31.64Mbit,如果1秒钟有30帧图像的话,就有949.2Mb/s。可见数据量如此之大,不经过压缩是无法在网上传输的,所以视频必须经过压缩。不要以为1080P的视频就一定是高清的,清晰度也和视频码率息息相关,对于1080P的视频来说,蓝光视频的码率为20Mb/s,一般下载的视频码率大多为10Mb/s。 部分IPCamera/drone的码率在2-8Mb/s,很多视频网站码率甚至低于5M/s,实际上有时候还不如高码率的720P清晰。

良好的图像质量是分辨率、帧速率和比特率之间的平衡:

比特率并不是越高越好

如果不限制码率,分辨率越高,画质越细腻;帧率越高,视频越流畅,但对应的码率也会很大,因为每秒需要更多的数据来承载更高的清晰度和流畅度。这对于云服务商来说是好事(收入和流量成正比),但对你来说可能意味着更多的开支。

帧率不应超过 24

如果码率有限制,比如800kbps,帧率越高,编码器对单帧的压缩就越多,也就是降低画质来承载足够多的帧数。如果视频源是摄像头,24FPS已经是肉眼的极限了,所以一般20FPS就能提供不错的用户体验。

有些玩过 3D 游戏的朋友可能会说,帧率越高游戏就越流畅。这里注意不要搞混了:游戏追求高帧率的目的是为了让 3D 模型渲染出来的运动效果尽可能接近真实的运动轨迹,所以帧率当然是越高越好。但对于相机来说,它要捕捉的目标是现实世界中的物体,现实世界中不存在刷新率,所以这个理论并不适用。

不要盲目提高分辨率(为什么,在码率一定的情况下,分辨率越高,清晰度越低)

如果码率受限,比如800kbps,那么分辨率越高,编码器就越“难”,可以想象必须拆东墙补西墙,通过减少色彩信息或者引入马赛克等“假象”来承载足够多的像素。码率固定时,分辨率在一定范围内会比较清晰;同样,分辨率固定时,码率在一定范围内会比较清晰。因此,同样是2G的电影文件,1080p版本可能看起来不如720p版本清晰。

转载自:码率(kbps)、帧率(FPS)、分辨率、清晰度的关系与区别_码率与帧率_一点一点进步的博客-CSDN博客

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