VP9影像編碼格式是什麼？為何能讓YouTube播高畫質影片不需緩衝

在網路上觀賞串流影片時，資料流量是影響使用者體驗相當重要的因素之一，如果影片的資料流量太高，超過網路頻寬所能負荷，那麼就會發生影片播放不順的狀況，另一方面，如果使用非吃到飽的上網方案，還需要考慮觀看影片所產生的上網費用，所以在不影響畫質的前題下降低資料流量，就是影音網站努力的目標。

靠資料壓縮節省流量

對於影音網站的經營者而言，節省資料流量的另一個目的，就是可以降低伺服器的負擔，降低資料流量不但能減少伺服器再傳輸影片時所消耗的網路頻寬，也能降低影片的檔案容量，這些結果都可以進一步降低伺服器建置與營運的成本，也能讓使用者不必等待緩衝時間，就能直接開始觀看影片。YouTube於表示，為了要節省資料流量，它們開始採用VP9這種檔案格式，可以為HD高畫質或是4K超高畫質影片節省一半資料流量。

VP9是目前最有效率的主流影像編碼之一，根據YouTube提供的資料，在2014年間，全體使用者總共在YouTube上觀看長達250億小時的VP9影片，其中也有數10億小時並非觀看高畫質影片。VP9同時也是開源軟體，具有免費與開發彈性更大的優勢。

在部落格中，YouTube也展示了VP9的影像壓縮實力，在分別使用VP9與H.264等2種主流影響編碼格式，製作流量為600kbps的影片（每分鐘影片約占用4.39MB），可以看出VP9的影像更為清析，而H.264的影像不但不夠銳利，畫面上也充滿雜訊。

▲使用VP9壓縮的影像，使用600kbps的流量就有相當不錯的表現。

▲然而一樣使用600kbps流量，使用H.264壓縮的影像就比較模糊。

用運算能力換取空間

影片壓縮的目的就是為了要降低資料流量並節省空間，以目前主流的HD高畫質影片（解析度為1920 x 1080，顏色取樣深度為24bit，每秒幀數為60幀）進行估算，在不進行壓縮的情況流量約為每秒356MB，而YouTube官方為估算4K超高畫質影片的流量更是高達每秒2,250 MB。上述2種影片格式的流量，對伺服器的儲存與串流播放都是極大的負擔，因此為影片進行壓縮是必要手段。

不過壓縮是需要付出代價的，無論是編碼或是解碼，都需要消耗電腦的運算效能來達成。在錄製影片的過程中，需要以編碼器對原始影片進行編碼，不過由於編碼工作不需要與播放速度同步，所以不會有流暢性的問題，舉例來說可以使用2小時來壓縮片長只有1小時的影片。但是在播放的時候，解碼工作需要與播放速度同步，所以需要考慮解碼器的運算效能，使用播放設備可以負荷的壓縮方式，否則在播放影片時就會發生延遲或不流暢的狀況。

至於影片壓縮是用什麼方式來節省空間的呢？VP9承襲了前代規範VP8的許多技術細節，也與許多主流編碼一樣採用動態補嘗做為壓縮的核心技術之一。動態補償的概念就是會比對影片中的前後畫格，只記錄其中的變動，並刪去重複的部分以節省空間。VP9與VP8一樣將畫格分為最後畫格（last frame）、黃金畫格（golden frame）、備用畫格（alternate frame）等3大類。最後畫格會將整個畫面完整地記錄下來，雖然會花費最多儲存空間，但是只要解碼單一畫格，就可以顯示該時間點的完整畫面。黃金畫格則只記錄與上一幀相異的部份，至於相同的部份，則延用上一幀的資料。備用畫格最大的特色就是畫格中的物件不一定要顯示在畫面上，而且可以將其中物件插入不同畫格中，它可以把許多將被用於動態補償的物件，收集在單一畫格中，並且在解碼時分配給多個黃金畫格使用，以增進壓縮的效率。

此外VP9也在畫質上做了許多改善，並將巨區塊（macroblock）的尺寸從16 x 16像素提高到32×32甚至64×64的規格，此外VP9也導入了類似於H.265的樹狀資料結構編碼，提高整體壓縮效率，讓影片能在保持相同畫質的前提下，降低所需的資料流量。

▲圖中I、B、P分別指傳統動態補償所使用的I、P、B frame，L、G、A表示最後、黃金、備用畫格，紅色箭頭表示可以讀取其他畫格資料的方向。

I frame與最後畫格一樣記錄完整畫面，B、P frame與黃金畫格都需要向鄰近畫格調用資料，才能合成畫面。備用畫格則是能提升動態補償資料利用的靈活度。

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