淺談影像壓縮（上）

小弟還記得大一的時候（1996年），在宿舍裏用我人生中第一部個人電腦，和室友們連線玩雷神之鎚（Quake）時，當時的螢幕解析度才640×480（VGA），mpeg壓縮的過場影片解析度也才352×288（CIF），但這樣的聲光效果就已經令我深深著迷。曾幾何時，我的電腦螢幕已經是1920×1080（Full HD）的解析度，和12年前相比成長了6.75倍；除此之外，我還可以在YouTube上看1920×1080（1080p）的mp4（H.264/AAC）影片，解析度更是成長了20.45倍多，而且是在線上觀看。由此可見，螢幕和影片的解析度都在快速地成長，為的是滿足人們對影像清晰度的要求。

未來的顯示器會愈趨清晰，愈趨高解析度

【圖片來源：NCTU Multimedia Architecture and Processing Laboratory】

由於面板技術的突飛猛進，面板的解析度愈做愈高，甚至已經可以做到人眼無法分辨單個像素的300ppi以上，也就是大家常說的視網膜顯示器（Retina Display）。在人們追求高畫質的現在，除了有高解析度的顯示器外，如何在相同的網路傳輸速率（bitrate）下，傳輸更高解析度的影像給終端顯示器，就成了一項刻不容緩的議題。

一般顯示器（左）與視網膜顯示器（右）的比較

【圖片來源：Type is Beautiful】

在說明影像壓縮之前，我們要先了解什麼是資料壓縮，資料壓縮的目的是將大量的資料壓縮成少量的資料，以減少儲存所須的空間或傳輸所須的頻寬。而資料壓縮分為兩種-非破壞性資料壓縮（Lossless Compression）和破壞性資料壓縮（Lossy Compression）。

非破壞性資料壓縮指的是壓縮後的資料經過解壓縮後，可以100%恢復成壓縮前的資料，而不會破壞原本檔案的資料，通常是將出現機率越高的位元組，以越短的代碼來代替，進而減少資料量。而解壓縮時只須將代碼所代替的位元組復元回去，即可恢復成原本的資料。它經常是用在壓縮文件檔案，試想如果你把你寫的文章儲存成檔案，經過壓縮後，再解壓縮後竟然和原來的不一樣，這豈不冏很大。

破壞性資料壓縮，顧名思義會破壞原本檔案的資料，但這樣的破壞是扔掉「不重要」的資訊，保留「關鍵」的資訊，進而減少資料量。而解壓縮後，並無法100%恢復成原本的資料，只能恢復「關鍵」的資料。它經常是用在壓縮聲音和影像檔案，以最為人所知的mp3為例，它刻意針對人耳不易察覺的頻率和遮蔽效應不進行編碼，省略「不重要」的資訊，以減少資料量。

相同品質的wav（上）和mp3（下）檔案的頻譜比較

【圖片來源：Why MP3 Is Unacceptable As A Trading Format】

拜影像壓縮之賜，我們能將影片壓縮（encode）成更小的檔案大小後，用網路傳輸給終端裝置，再由終端裝置來做解壓縮（decode）後，播放在顯示器上。理論上壓縮比愈高的壓縮技術，可以把檔案壓縮的愈小，在相同的網路傳輸速率下傳輸，也就是傳輸到終端的資料量是相同的情況下，終端裝置解壓縮後的資料量就會愈大，資料量愈大代表可以顯示解析度愈高的影像（但如果一味追求高壓縮比，反而造成嚴重失真，就會適得其反）。

以上我們可以理解為什麼要做影像壓縮，而又有哪些常見的影像壓縮標準呢?在此容小弟先賣個關子，待下回再為大家介紹。