影像・聲音・影片資料量計算工具

計算數位影像、聲音與影片在未壓縮時的資料量。改變解析度、色彩深度、取樣頻率或量化位元數,就能看出資料量如何變化。輸入壓縮率後,也能確認壓縮後的大小與位元率的大致數值。

條件

結果

未壓縮時的資料量
–
壓縮後的資料量
–
位元率(壓縮前 → 壓縮後)
–
以線路傳送的時間(壓縮後)
–

資料量以每級 1000 倍(kB、MB、GB)表示,括號內另附每級 1024 倍(KiB、MiB、GiB)的數值。實際的影像與影片檔案還包含標頭等附加資訊。

影像的資料量

數位影像以像素的排列來記錄。資料量為「水平像素數 × 垂直像素數 × 每像素位元數」。每像素位元數(色彩深度)在紅、綠、藍各用 8 位元表示的全彩時為 24 位元,可表示約 1677 萬色。Full HD(1920 × 1080)的全彩影像在未壓縮時約為 6.2 MB。影像感測器的像素數增加時,每張影像的資料量也會等比例增加。

聲音的資料量:取樣與量化

要把聲音數位化,需要以固定間隔擷取波形的值(取樣),再把該值捨入成固定段數的數值(量化)。資料量為「取樣頻率 × 量化位元數 × 聲道數 × 時間」。CD 為 44.1 kHz、16 位元、立體聲,每秒 1411.2 k 位元,1 分鐘約 10.6 MB。依據取樣定理,只要以高於原始聲音最高頻率 2 倍的頻率取樣,就能重現原本的波形。為了記錄人耳可聽到的約 20 kHz 以內的聲音,CD 採用 44.1 kHz。

影片的資料量與壓縮

影片是每秒切換顯示多張影像,因此資料量為「一張影像的資料量 × 畫面更新率 × 時間」。Full HD、每秒 30 格的影片若不壓縮,位元率高達約 1.5 Gbps,1 分鐘約 11 GB。因此影片會以 H.264、H.265 等方式,省略與前後畫面的差異以及人眼不易察覺的資訊,壓縮為數十分之一到數百分之一後再儲存與傳送。

與 AD 轉換器的關係

聲音的取樣與量化,正是 AD 轉換器把類比訊號轉成數位的機制本身。量化位元數每增加 1 位元,可表示的段數就加倍,理想量化雜訊下的訊雜比約改善 6 dB。影像感測器同樣以 AD 轉換器把各像素的亮度轉成數值,每像素的位元數由其解析度決定。

練習 AD・DA 轉換的題目

音樂CD的取樣頻率為下列何者?

  1. A44.1 kHz
  2. B8 kHz
  3. C1 MHz
查看答案與解析

正確答案:A. 44.1 kHz

音樂CD以44.1 kHz、16位元、2聲道記錄,資料量約為1.4 Mb/s。這個數值略高於可聽範圍上限約20 kHz的2倍,據說是由當時容易記錄在專業錄影設備上的數值決定的。16位元的動態範圍約為96 dB。廣播與影像使用48 kHz,高解析音源使用96 kHz或192 kHz、24位元,電話語音則使用8 kHz。

要對含有最高20 kHz成分的類比訊號取樣而不產生混疊(aliasing),所需的取樣頻率為下列何者?

  1. A10 kHz以上
  2. B剛好20 kHz
  3. C高於40 kHz的頻率
查看答案與解析

正確答案:C. 高於40 kHz的頻率

依據取樣定理,以高於最高頻率2倍的頻率取樣即可還原原訊號,20 kHz則需要高於40 kHz的頻率。實務上無法以濾波器陡峭地截止,因此需保留餘裕,音樂CD以44.1 kHz取樣(將20~22.05 kHz用作濾波器的過渡頻帶)。取樣頻率的一半稱為奈奎斯特頻率。

常見問題

增加量化位元數有什麼好處?

每個取樣值能以更細的段數表示,因此與原始波形的誤差(量化雜訊)會變小。量化位元數每增加 1 位元,段數加倍,資料量則與位元數成正比增加。

256 色的影像每像素是幾位元?

256 = 2⁸,所以是 8 位元。2 色為 1 位元,65536 色為 16 位元,約 1677 萬色(全彩)為 24 位元。

壓縮率 1/100 是什麼意思?

表示壓縮後的資料量變為原本的百分之一。在本工具的「壓縮率」欄位中,請輸入幾分之一的那個數(此例為 100)。

考試會怎麼出題?

在日本的基本資訊技術人員考試等資訊類證照考試中,常出現由影像的解析度與色數求所需記憶容量、由取樣頻率與量化位元數求聲音資料量、或求以線路傳送影片所需位元率的題目。

相關用語

取樣定理 量化誤差 奈奎斯特頻率

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