16：9视频转成4：3后，上下添加的黑边会占用码率吗？

IsaacZ

IsaacZ一直的观点是黑边不占用码率。而lijianwen兄认为：

每个GOP中至少有一个I帧，而I帧是一副完整的图片，图片上是有黑边的，作为图片的一部分，黑边一定是占用码率的。

我之所以说“不占用码率”，是考虑到黑边区域系纯色，从图形算法来说，纯色区域可以用很少的数据来定义。比如下面一幅 600*450 的图片：



面积可算不小，但是体积只有几KB。

换一幅同样大小的电影画面，却用到30KB以上。如图：





下面研究一幅16:9的电影图片：

576*320（16：9）



上下加黑边变成 576*432（4：3）


鼠标靠到图片上，看看体积增加了多少？


4楼有详细测试。

lijianwen

碟片的数据流有没有记录黑边，这是关键，如果记录了黑边，1K也是占用体积的。而一段视频中，会有太多的图片，那就不是1K的事情了。

zhylove

占用吧，我说不出来理由。。。

IsaacZ

碟片的数据流当然会记录黑边，只不过在初始关键帧处记录后，后面就只记录画面差异，因为后面也是黑边，所以等于不记录。总起来说，黑边不会使体积增大太多。下面做个测试：

源文件：真爱奇迹.avi 576x320(16:9)，截取时长5分钟。
导入小日本。

因为我们只讨论黑边和码率的关系，跟最终渲染画面大小（像素大小）没有关系，所以我统一用1：1正方形像素。音频不在讨论之内，为避免干扰，只用ES（只视频）来输出。

第一次输出参数：MPEG-2 视频, 720x408, 像素比1：1，29.97 fps, VBR (固定画质70), 最大 4000 kbps，最小2kbps。（实际渲染比例是16：9。标准16：9画面本来应该是720*405，但因小日本只支持8的倍数，故被自动改为720*408）

画面效果如下：



第二次输出参数：MPEG-2 视频, 720x544, 像素比1：1，29.97 fps, VBR (固定画质70), 最大 4000 kbps，最小2kbps（实际渲染比例是4：3。本来标准4：3应该是720*540，但因小日本只支持8的倍数，故被自动改为720*544）

画面效果如下：




体积之比较：

无黑边与带黑边截图体积差别：



无黑边与带黑边视频体积差别：



由此可见，黑边尽管占据了较大的画面面积（1/4），却只占据有限的文件体积。


码率之比较：

我们知道，体积和码率成正比关系，下面我们再看看这两个视频的码率。

用 Bitrate Viewer 查看码率，结果如下：

  

可见，有黑边的平均码率比无黑边的平均码率只高出一点点，远远小于黑边所占画面面积的比例（1/4）。（最高码率（峰值码率）和最低码率因程序算法不同而有差别，不作讨论。）

结论：黑边不是不占码率，而是占用码率的很小一部分。

lijianwen

回复 4# IsaacZ
按照最接近于楼主测试情况的视频编码来看，一张碟大概4个多小时，差别不到100M，16：9压缩成4:3也是可取的。市场上有的杂牌DVD机器，遇到16:9的编码，一律上下拉伸成全屏，16:9转换成4:3，可以有效解决这种影碟机存在的问题，值得参考。


今天闲的无事，把估算过程说一下：
先用会声会影生成16:9纯黑的视频，体积3156M，动态编码，最大6000（由此可见，会声会影的编码很浪费），时长4小时，导入小日本软件：



我们经常用下面这个模板来输出4小时左右的DVD，今天也用它，只输出视频：



得到的结果是389M，纯黑的视频，码率平均分布，389/4=97.25，这里的97.25大约就是黑边占去的体积吧。
这里，上下黑边占去了整个画面四分之一的面积，大家可自行推导。

IsaacZ

回复 5# lijianwen

你说：

按照最接近于楼主测试情况的视频编码来看，一张碟大概4个多小时，差别不到100M，16：9压缩成4:3也是可取的。

IsaacZ需要提醒你一句：前面4楼的测试中，720*408 和 720*544 都不是DVD标准分辨率。它们仅仅证实了在1：1像素比的情况下，某视频画面外面加上黑边后，黑边占用码率大小的问题，这种黑边并不等同于实际编码中16：9转成4：3后所带的黑边。

下面仍然通过实例来解释16：9转成4：3的黑边相关问题。

用576*320（16：9）的“真爱奇迹.avi”分别输出为DVD标准分辨率720*576（16：9）和720*576（4：3），得到的两个文件的体积差别如下：



我们看到，4：3带黑边的反而要比不带黑边的16：9体积要小。前面不是说带黑边的比不带黑边的体积略增么？这里怎么矛盾啦？

其实这很正常。表面上看好像是4：3的比16：9的多了点东西（黑边），但实际上，在分辨率一样的情况下，两者所使用的像素数量是一样的。（这时候我们不考虑像素比，只考虑像素数）反而因为画面比4:3的视频把1/4的像素分配给了黑边，造成4:3的视频只占用720*(576*3/4)=720*432个像素来展示画面。而后者因为没有黑边，所有720*576个像素都用来显示画面，因此体积也比前者为大。（720*576）/（720*432）= 4:3，理论上前者的体积应该是后者的3/4。不过，因为我在编码时使用的是VBR(固定画质)，属于动态编码，因此，画面复杂程度的不同会导致输出体积有一定的变化，这绝对正常。

结论：在同样分辨率下，因为4：3比16：9画面比少用了1/4的像素来表示画面，所以体积要更小，但画质要更差。



下面描述另外一个方面的影响：像素比和宽高比

先描述一遍渲染过程：

播放器在播放第一个文件720*576（4:3）时，首先调用两个数值，一个是分辨率中的高度数值576（纵向像素数），一个是画面比4/3，再用高度576乘以画面比4/3得到渲染后的宽度值768（只是占用显示器的画面宽度，不等于视频的横向像素数）。这样就得到渲染后的画面大小768*576。但是，因为上下黑边占去1/4，所以实际画面大小是 768*432=331776。

同理，播放器在播放第二个文件720*576（16:9）时，首先依据分辨率中的高度数值576（纵向像素数），乘以画面比16/9，得到渲染后的宽度值1024*576，因为这个画面是没有黑边的，所以实际画面大小就是 1024*576=589824

把两个数据相除：

589824/331776 = 16:9= 1.7778  

可见，同分辨率下，带黑边的4:3视频的显示画面远远小于16:9视频。

另外，4:3视频在16：9的电视上播放会有一个大麻烦，就是上下硬黑边撑住上下屏幕边缘，导致左右不能满屏，整个画面四周都是黑边。尽管可以通过放大功能达到满屏，其画面的纵向像素少用1/4也是不争的事实，画面细腻程序定然不及原生16:9视频。

总之，IsaacZ的建议是，当源文件是16:9时，输出时尽量还用16:9。

当然，lijianwen兄提到，16:9视频在4:3老电视上播放可能会出现上下拉伸到满屏的尴尬，这种情况下制作4:3视频也纯属无奈之举。

lijianwen

回复 6# IsaacZ
第二种方法：同一个文件，编码后体积相差大，不方便比较黑边对实际观感效果到底有多大程度的影响。比如你家有一台29寸电视机，实际播放碟片，两种编码看到的图像大小是一样的。做压缩碟主要在乎体积，本贴讨论黑边占不占码率也是为节省体积服务，所以，必须编码到同一体积，对比才更有意义。假如编码到相同的体积，播放的时候，4：3上下带黑边的分辨率下降但有效码率上升，实际观感可能相差并不大，黑边到底占多少体积无法确定。我反而觉得楼主的第一种方法比较靠谱。

  楼主的第一种方法，有效图像分辨率是相同的，加了很大的黑边，体积增加却不大，这个其实已经说明：在MPEG编码中，黑边还是需要码率来表达的，但因为MPEG算法是压缩算法，对于黑边这种纯色的图像，只需要用极少的码率即可表达，而讨论的就是这个。

  我在5楼说的拉伸成全屏，是说的碟机，不是说电视。

IsaacZ

回复 7# lijianwen

你提到“必须编码到同一体积，对比才更有意义”。IsaacZ认为，既然有了第一个像素比1:1的测试，证实了黑边占用码率的比例极小，那么再做其他体积上的测试也没有多大意义，因为黑边对体积的影响太小。这个问题实际上已经结论了。


那么我上一次测试的意义在何处呢？——答案是在清晰度上。简述如下：

在4：3电视上看的话，如果碟机能处理好原生16：9视频，那么与4：3视频的观感确实接近（都带上下黑边，画面位置与占用屏幕面积均相同）。唯一的区别，如我前一帖所述，原生16：9的视频的上下是碟机加的软黑边，不占用视频文件的像素，故画面区域是完整的720*576个像素，而4：3视频上下是硬黑边，占去视频文件的1/4像素数，故画面区域只有720*432个像素。

前一帖我的测试都是基于VBR（固定画质），并为之提供极高标准的最大码率限制（9200kb/s），目的是看在尽可能高效地编码（CQ）的情况下，谁的输出体积大。——谁的大谁的质量就好。原理是：如果不限制编码时的码率，则谁的图片更细腻（分辨率较大），谁占用的码率就大。和前面描述的分辨率差别结合起来，显然16：9视频的画面分辨率高，画面也更细腻，码率占用相应也高，最终输出体积也大。反过来说就是，谁的体积大，谁的画质好。

以上是对我上一次测试的思路的重述。这实际上已经超出顶楼话题范围了。


倘若按你说的，编码到同一体积，就应该用CBR或VBR（平均码率）来编码。那么就有一个平均码率的最优化问题。

设4:3带黑边视频的最佳平均码率值是 A ；16：9视频的最佳平均码率值是 B。（根据前面的计算，理论上A是B的3/4左右）

不难想出：
（1）如果自定义的平均码率小于A，因为距A近，距B远，所以转成4:3的话效率更高。
（2）如果自定义的平均码率居于A、B之间，则相对于4:3黑边视频来说码率冗余，相当于16:9无黑边视频来说，码率稍欠。
（3）如果自定义的平均码率大于B，则相对于两种比例的视频，码率都会冗余。

你说“做压缩碟主要在乎体积”，那么平均码率取值通常会小于A，此时当然是4：3输出为宜，黑边的影响仍然会忽略不计。

成都人

IsaacZ在第四楼的分析是比较正确的，结论也应该是正确的。
这个不用质疑，至少我的观点也是如此：“碟片的数据流当然会记录黑边，只不过在初始关键帧处记录后，后面就只记录画面差异，因为后面也是黑边，........黑边不是不占码率，而是占用码率的很小一部分。”
只是我还有一个疑问，这个“碟片的数据流当然会记录黑边，只不过在初始关键帧处记录后，后面就只记录画面差异，”这个处理方式，我仿佛记得好像是跟编码方式不同，有些处理方式不是这样，不知道是不是如此？

IsaacZ

只是我还有一个疑问，这个“碟片的数据流当然会记录黑边，只不过在初始关键帧处记录后，后面就只记录画面差异，”这个处理方式，我仿佛记得好像是跟编码方式不同，有些处理方式不是这样，不知道是不是如此？
成都人 发表于 2010-7-3 01:38

                               
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你可能想起了 VBR 和 CBR 的区别。前者是动态码率分配，后者是恒定码率分配。前者根据画面复杂程度不同，为不同帧分配不同的码率，后者为所有帧分配同样的码率。

IsaacZ认为，这种差别只是“码率控制模式”的区别而已，不是MPEG算法差别。它们的算法都是一样——后帧参照前帧。因此，就一个帧内部来说，码率还是主要用在了有画面的区域，而黑边区域只用很少的码率去表达。

参考：
[生词] GOP和I、B、P帧
在MPEG文件中什么是GOP？GOP的设定对画质影响大吗？