Текст книги "Видео на вашем компьютере: ТВ тюнеры, захват кадра, видеомонтаж, DVD"

В настоящее время используются три основных стандарта цветного телевидения: американский NTSC (National Television Standard Committee – Комитет национальных телевизионных стандартов), немецкий PAL (Phase Alternation Line – строки с переменной фазой) и французский SECAM. На территории России принят стандарт SECAM, но большинство моделей бытовых видеокамер и видеомагнитофонов работают в стандарте PAL. Стандарт NTSC действует в Америке и Японии, и российский пользователь сталкивается с ним довольно редко. Тем не менее на нем придется остановиться отдельно, поскольку NTSC – первый из внедренных в широкое вещание стандартов цветного телевидения.

Для кодирования сигналов цветности используется сочетание амплитудной и фазовой модуляций, называемое квадратурной балансной модуляцией с подавленной несущей, частота и фаза которой восстанавливается на стороне приема из сигналов цветовой синхронизации (впышек). Используется одна поднесущая частота, равная 3,5579545 МГц (есть поднесущая 4,433619 МГц, которая используется американскими войсками в Германии – так называемый NTSC 4,43). Оба цветоразностных сигнала сдвинуты по фазе один относительно другого на 90° (то есть находятся в квадратуре). При этом фаза определяет цветовой тон, а амплитуда – насыщенность. К сожалению, этот стандарт наименее защищен от помех, в частности, от искажений цветового тона, называемых дифференциальными фазовыми искажениями. Именно поэтому в телевизорах NTSC необходима независимая регулировка цветового тона (Hue control – контроль оттенка), которая выводится на переднюю панель вместе с яркостью и контрастом. Дешевые телевизоры NTSC имеют достаточно слабое подавление сигналов яркости в канале цветности, поэтому на очень светлых участках изображения возможен сдвиг цветового тона в сторону зеленого, а в темных областях появляются красноватые оттенки.

Стандарт PAL, предложенный фирмой Telefunken, явился усовершенствованием NTSC. Принцип формирования сигнала цветности тот же, но через строку производится изменение фазы цветоразностного сигнала R – Y. При декодировании цветоразностные сигналы выделяются путем сложения/вычитания сигналов цветности соседних строк. Сложение поступившего сигнала с задержанным дает удвоенное значение цветоразностного сигнала B – Y, вычитание – сигнала R – Y. В результате цветоразностные сигналы меньше подвержены фазовым искажениям канала передачи, легче отделяются от шумов и помех, а также от остатков сигнала яркости. Фаза сигнала по-прежнему задает цветовой тон, а амплитуда – насыщенность, но к дифференциальным фазовым искажениям система нечувствительна, поэтому основную проблему составляют как раз остатки сигнала яркости, приводящие к некоторым искажениям насыщенности цвета. К сожалению, при таком способе в два раза снижается цветовая четкость по вертикали (по сравнению с NTSC). Но при этом число строк в кадре не 525, а 625, из которых видимых 576 (против 480 для NTSC).

Стандарт SECAM, наиболее актуальный для нас, также имеет 576 видимых строк в кадре, частота кадровой развертки (то есть обновления изображения) равна 25 Гц. Для передачи цветоразностных сигналов используются частотная модуляция и две разных поднесущих частоты – для сигналов R – Y используется частота 4,416 МГц, и увеличение до 4,68 МГц, для сигналов R – Y – частота 4,25 МГц, и уменьшение до 3,95 МГц. При этом если сигнал яркости в канале цветности подавлен согласно стандарту, насыщенность и цветовой тон изображения не искажаются при любых величинах яркости, хотя при резких перепадах возможно появление артефактов: синяя окантовка очень светлых областей изображения; желтая – вокруг очень темных. Цветоразностные сигналы передаются поочередно (Sequentiel – последовательный, поочередный) через строку (то есть, например, в первой строке – красный, во второй – синий и т. д.) и восстанавливаются для каждой строки с помощью блока памяти (Memoire), в которой запоминается предыдущая строка. Естественно, такой способ в два раза снижает цветовую четкость изображения по вертикали.

Конкретные реализации стандартов в разных странах могут значительно отличаться способом модуляции звукового сигнала, шириной спектра видеосигнала и некоторыми другими характеристиками. Всего существует 13 вариантов, от A до N (табл. 2.1). Однако стандарты А (Англия), С (Бельгия и Люксембург), F и Е (Франция) устарели и в настоящее время не используются.

В России принят SECAM D/K (первая буква – стандарт для передачи в метровых волнах, вторая – в дециметровых).

Таблица 2.1. Телевизионные стандарты

В связи со все более широким выходом на рынок телевизоров с большими и сверхбольшими экранами появилась потребность в разработке новых телевизионных стандартов с большим размером кадра и более высоким разрешением. Если в традиционном телевидении принято соотношение сторон кадра 4:3, то для широкоформатного телевидения используется соотношение 16:9. Кроме того, практически отпала необходимость сохранять совместимость со стандартами черно-белого телевизионного вещания, а следовательно, можно отказаться от совместной передачи яркостной и цветоразностной информации. Это позволяетсущественно повысить качество изображения, поскольку полностью снимаются проблемы, связанные с неполным разделением цветовой и яркостной информации. Подобный подход реализован, в частности, в формате D2 MAC, применяющемся в кабельном и спутниковом телевидении. В этом стандарте информация о яркости и цветоразностных сигналах передается (раздельно во времени) во время прямого хода луча по строке, во время обратного хода в цифровом виде передаются звук и телетекст.

В ряде стран существуют проекты перехода на широкоэкранное цифровое телевещание (наибольшую активность в этом отношении проявляют США). Консорциум компаний (U.S. Grand Alliance) разрабатывает новый стандарт HDTV (High Definition TV – телевидение высокого разрешения). В нем используется сжатие сигнала MPEG 2 с разрешением 1440x960 для 50 Гц и 1280x720 для 60 Гц.

Аналоговые видеоформаты

Кроме теоретического интереса, вопрос о видеоформатах имеет для занимающихся компьютерным видео очень важное практическое значение, поскольку видеоустройства разных форматов требуют подключения к различным разъемам, далеко не все из которых могут присутствовать на вашей плате видеоввода.

Как ни странно, видеомагнитофоны – практически ровесники цветного телевидения: формат NTSC был принят в 1953 г., а первый видеомагнитофон появился в 1956 г. Первые видеомагнитофоны весили около тонны и работали на ленте шириной в 2 дюйма. Хотя специалисты и считают, что кое-где такие аппараты еще продолжают использоваться, в рассмотрение включены только современные форматы.

Основные видеоформаты связаны с наиболее известными фирмами-производителями видеотехники. Таких фирм на сегодняшний день три. Это JVC, где разработаны форматы VHS (Video Home System – домашняя видеосистема) и Super VHS (или S-VHS); Sony – профессиональные форматы Betacam, форматы Video-8 и Hi-8, цифровые форматы D1, D2, DVCAM; и Panasonic – формат MII, цифровые форматы D3, D5, DVCPRO.

В среднем качество изображения бытовых видеозаписей уступает качеству телевещания. Например, разрешение по горизонтали в форматах, использующихся в недорогой технике, составляет всего 240 линий, а в полупрофессиональной – 400 линий.

Качество изображения в зависимости от используемых форматов может отличаться весьма значительно, поэтому, если вы собираетесь использовать в качестве источника сигнала бытовой видеомагнитофон или видеокамеру, необходимо заранее решить, устраивает ли вас среднее качество изображения. Устройства видеозаписи могут работать с сигналами трех типов: обычный композитный видеосигнал (ПЦТС), S-video (Separate video – раздельные видеосигналы, другое обозначение Y/C) и компонентный (подробности ниже, при рассмотрении соответствующих форматов). Для работы с каждым из этих сигналов необходим свой разъем. Поэтому, приобретая устройство компьютерного видеоввода, вы должны точно знать, с какого типа видеомагнитофона или камеры будете использовать сигнал.

Видеозаписывающая аппаратура, как и телевидение, использует палитру YUV. В предыдущем разделе описано формирование низкочастотного видеосигнала, включающего яркостную составляющую Y, два цветоразностных сигнала (U и V) и импульсы синхронизации. Он используется в наиболее дешевой и доступной потребителю аппаратуре. Кроме того, принцип магнитной записи изображения сам по себе создает и более серьезную проблему – ухудшение качества изображения при многократной перезаписи. Наверное, каждому из нас не раз и не два приходилось испытывать сомнительное удовольствие от просмотра так называемых вторых и третьих копий (размножаемых любителями) с недоступных по тем или иным причинам видеокассет. Тем не менее низкая цена оказывается решающим фактором, и устройства, работающие с композитным видеосигналом, до сих пор наиболее распространены на российском рынке.

Этот тип используется в наиболее распространенной бытовой видеоаппаратуре класса VHS. Само название – домашняя видеосистема – дает понять, что устройства этого класса не предназначены для профессиональной работы. На такой аппаратуре невозможно достичь разрешения более 240 линий. Для сравнения вспомним, что телевизионные стандарты SECAM и PAL обеспечивают разрешение не менее 350 линий. То есть качество изображения, достигаемое на аппаратуре класса VHS, существенно уступает вещательному телевидению. Однако компактность и низкая цена привлекают покупателей к технике формата VHS. Как ни странно, большинство непрофессиональных пользователей удовлетворены качеством изображения видеомагнитофонов и видеокамер формата VHS. Поэтому эту технику можно использовать в качестве источника изображения при подготовке видеороликов, если в дальнейшем вы не предполагаете демонстрировать их на большом экране и вообще как-либо увеличивать изображение. Но, если вы планируете работать с отдельными захваченными кадрами, в особенности, если они будут использоваться для полиграфии, стоит поискать оборудование более высокого качества или ограничиться съемкой только крупных планов. Ведь то, что не заметно при быстрой смене мелких деталей на экране, наверняка бросится в глаза на отдельной картинке.

Этот формат явился дальнейшим развитием VHS. Здесь используется сигнал, называемый S-Video. Палитра остается прежней (YUV), но сигналы яркости (Y) и цветности (C) подаются раздельно. Это позволяет более четко выделить информацию о цвете и, следовательно, уменьшить искажения цветового тона и насыщенности под влиянием яркостной составляющей. Разрешающая способность почти в два раза выше, чем у VHS (за счет увеличения полосы частот канала яркости), и равна 400 линиям. Существенно выше контрастность и отношение сигнал/шум в канале изображения. Эта аппаратура позиционируется как полупрофессиональная, хотя нередко используется и в быту, особенно в сочетании со стереозвуком и системами домашнего театра. S-VHS – нижний предел качества для репортажной, медицинской и научной видеосъемок. Почти все современные устройства компьютерного видеоввода имеют разъем для приема сигнала S-Video.

Video-8 – формат сверхминиатюрной техники бытового класса. Хотя здесь используется принцип S-Video, из-за узкой полосы частот разрешение составляет всего 250 линий. Качество изображения выше, чем в формате VHS (из-за применения металлопорошковой магнитной ленты с повышенной отдачей), но из-за низкого разрешения не дотягивает до полупрофессионального уровня. Аппаратура сверхлегкая (за счет миниатюрных кассет и пленки шириной 8 мм) и недорогая.

Hi-8 – формат полупрофессионального класса, являющийся усовершенствованным вариантом формата Video-8. Используется тот же принцип записи, кассета тех же размеров, но металлопорошковая лента более высокого качества. Разрешение – до 400 линий. Плотность записи очень высокая, поэтому вероятны выпадения строк в записи.

В нашей стране оба формата не получили широкого распространения.

Betacam – первый из профессиональных форматов записи на полдюймовую оксидную ленту, использующий компонентный сигнал, то есть принимающий каждую из трех составляющих RGB или YUV по отдельному каналу. Запись яркостного и цветоразностных сигналов ведется раздельно и без переноса спектра (гетеродинирования) сигналов цветности, что исключает искажение цвета за счет перекрестных помех. Несмотря на высокое качество цветопередачи, стандарт уже устарел и не обеспечивает необходимую для современной видеозаписи профессионального класса полосу частот из-за применения феррооксидной ленты и дискретно-аналоговых устройств для временной компрессии сигналов. Разрешение – меньше 500 линий.

Этот и ряд других недостатков исправлен в формате Betacam SP. Тип сигнала не изменился. Полоса частот яркостного сигнала расширена до 6,7 МГц, улучшены соотношение сигнал/шум и качество звукозаписи за счет использования высококачественной металлопорошковой ленты, аналоговых и цифровых микросхем высокой степени интеграции.

Betacam SP является неформальным стандартом техники студийного класса и до сих пор не уступает по качеству записи известным цифровым форматам. Этот формат имеет самое высокое разрешение – до 650 линий, 4 звуковых канала (два продольных и два высококачественных ЧМ канала), выдающуюся точность монтажа (возможна покадровая запись). Техника Betacam SP весьма дорога и довольно громоздка. Существуют упрощенные и более дешевые версии Betacam SP: 2000 PRO (могут воспроизводить кассеты Betacam) и Betacam SP1000 PRO, где отсутствует высококачественная звукозапись и применены компромиссные технические решения. Эти версии можно с успехом использовать при создании компьютерного видео.

Существуют также цифровые версии формата Betacam (студийный Digital Betacam и репортажный Betacam SX), также использующие полдюймовую металлопорошковую ленту, но разные принципы компрессии видеосигнала.

На компонентном сигнале основан и предложенный фирмой Panasonic стандарт MII, отличающийся повышенной плотностью записи. В России аппаратура этого стандарта практически не встречается.

Если вы планируете работать с аппаратурой, использующей компонентные сигналы, ваше устройство видеоввода должно иметь специальный разъем для подключения этой аппаратуры. На дешевых платах захвата кадра и ТВ тюнерах этого разъема наверняка не будет и, скорее всего, на недорогих платах нелинейного монтажа тоже. Основные параметры распространенных видеоформатов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Форматы аналоговой записи

Глава III
Цифровое видео

• Принципы цифрового описания

• Цифровые видеоформаты

• Наконец о компьютерном видео

• Компьютерный видеомонтаж

Цифровое видео – это не обязательно и далеко не всегда компьютер. Первый цифровой видеомагнитофон появился в 1986 г., когда до начала эры компьютерного мультимедиа было еще далеко. К настоящему времени число цифровых форматов перевалило за десяток.

Стало общим местом утверждение, что цифровая запись всегда превосходит по качеству аналоговую. Цифровое описание считают одним из величайших достижений цивилизации. Как ни забавно, но принципы цифрового кодирования не чужды и природе. Везде, где речь идет о стабильных структурах, начиная от атомов и кончая клетками живых существ, обнаруживается дискретность. Это и понятно: дискретные системы гораздо более помехоустойчивы. Искажения непрерывного сигнала уловить сложно. Малые отклонения вообще незаметны. Однако через несколько актов передачи эти исходно незначительные ошибки могут заметно исказить первоначальную информацию. В своей деятельности человек, как это часто бывает, лишь по-своему реализовал присущие природе принципы.

При этом, однако, следует учитывать, что данные, которые мы оцифровываем, носят аналоговый характер. Поэтому возникает задача не потерять, не исказить информацию при преобразовании непрерывного сигнала в цифровые форматы. Не вдаваясь в технические детали, постараемся выяснить, как это делается.

Принципы цифрового описания

Этот раздел посвящен описанию процессов, происходящих при преобразовании непрерывного сигнала в цифровую форму. Автор постаралась избежать сложных формул и подробностей, касающихся аппаратной реализации преобразований. Заинтересованный читатель без труда найдет эти сведения в специальной литературе, где рассматриваются вопросы теории дискретизации и аналого-цифровые/ цифроаналоговые преобразователи (АЦП/ЦАП).

Принципы и проблемы цифрового описания мало зависят от носителя информации, поэтому изложенные здесь сведения с небольшими оговорками применимы и для компьютерных цифровых изображений.

В работе аналоговых устройств мы обычно имеем дело с непрерывным сигналом, изменяющимся по тому или иному закону. В процессе оцифровки с определенной частотой (называемой частотой дискретизации) (рис. 3.1) происходят измерения значений необходимых параметров.

Рис. 3.1. Частота дискретизации и глубина квантования сигнала

Необходимая для качественной оцифровки частота дискретизации непосредственно зависит от полосы частот самого сигнала. При слишком низкой для данного сигнала частоте дискретизации информация о высокочастотных компонентах сигнала будет искажена или утеряна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Искажения высокочастотной компоненты при низкой частоте дискретизации

Поскольку в цифровом описании мы имеем дело с двоичным представлением, полученные значения необходимо воспроизвести в виде двоичного кода. При этом происходит усечение значений параметра до ближайшего допустимого значения (рис. 3.1). Степень числа «два», при которой мы получим нужное число допустимых значений параметра, называется глубиной, или уровнем квантования, или разрядностью слова данных. Уважаемый читатель, не спешите пугаться обилию незнакомых терминов. Разберем несколько примеров. Крайним может быть случай, когда для описания выделен один бит. Тогда параметр может принимать 2¹ = 2 значения: 0 и 1. Изображение, описанное подобным образом, будет состоять из черных и белых точек. Если, допустим, уровень квантования равен 8, то для описания выделено 8 бит (1 байт), и параметр может принимать 2⁸ = 256 значений, при уровне квантования 10 получим 1024 допустимых значения и т. д. На рис 3.1 имеем 8 допустимых значений (от 0 до 7), соответственно, уровень квантования равен трем.

Параметры одного и того же видеоматериала могут оцифровываться с различной частотой и глубиной. Чем выше частота и глубина оцифровки, тем более качественным будет описание, но тем больше и объем данных.

Рис. 3.3 иллюстрирует двоичное представление сигнала, показанного на рис 3.1. Уровень квантования, как уже было сказано, равен трем. Сигнал принимает значения 3, 4, 5, 6, затем снижается до 5. Первое значение в двоичной форме примет вид 011. Значение 4 – 100 и т. д.

Рис. 3.3. Цифровое представление данных, показанных на рис. 3.1

Возможны два способа передачи оцифрованных данных: параллельный, когда каждый из разрядов передается по отдельной линии, и последовательный, когда данные передаются по одной линии с помощью определенной комбинации импульсов. Параллельная передача обычно быстрее, она используется, например, на шине SCSI.

Естественно, при последовательном кодировании и передаче возникают дополнительные проблемы: как обозначить переход к следующему слову, как своевременно обнаружить ошибку при передаче (ведь ошибка в старшем разряде может полностью исказить данные). Поэтому реально комбинация импульсов может быть достаточно сложной.

Процесс оцифровки – лишь одна из возможностей цифро-аналоговых преобразований. В цифровом виде хорошо хранить, модифицировать и копировать информацию. Но воспринимаем-то мы непрерывные, аналоговые процессы, следовательно, для вывода изображения на экран его необходимо перевести в прежний – аналоговый – формат. При этом в идеальном случае исходный сигнал должен был бы восстановиться в полном объеме. Понятно, что такого не бывает. Во-первых, глубина квантования не бесконечна, поэтому всегда происходит округление значений параметра, и при обратном преобразовании исходные значения уже не восстанавливаются в прежнем виде. Такие искажения называют шумом квантования. Во-вторых, невозможно производить замеры не только с бесконечной глубиной, но и с неограниченной частотой. А если частота дискретизации менее чем в два раза превосходит максимальную частоту в спектре сигнала, высокочастотная компонента не восстановится. Характеристики низкочастотных фильтров, используемых при цифро-аналоговых преобразованиях для сглаживания сигнала, также далеки от идеальных. Поэтому потери информации в процессе аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразований неизбежны.

Однако при хороших параметрах оцифровки данных их искажения становятся практически незаметными и на первый план выступают достоинства цифрового описания. Это, прежде всего, возможность многократного копирования без искажений информации. Даже для формата Betacam SP число последовательных копий без ухудшения качества не превышает четырех. Для цифрового видео (если не применять многократную компрессию/декомпрессию) оно не ограничено. Цифровому видео присуща гораздо большая помехоустойчивость. В большинстве форматов существуют механизмы автоматического обнаружения и коррекции ошибок. Кроме того, появляются колоссальные возможности для преобразований изображения (например, для создания эффектов).

Итак, у цифрового описания масса преимуществ, поэтому оно стало популярным задолго до начала эры компьютерного мультимедиа.