Текст книги "Цифровое видео для начинающих"

В зависимости от применяемой платы видеозахвата поток данных может иметь скорость 2–8 Мбайт/с, и винчестер должен обеспечить запись потока видеоданных без пропусков кадров. Практически все последние модели современных винчестеров обеспечивают выполнение этого условия. Еще одно условие – достаточный объем диска, поскольку:

• одна секунда видео в DV-формате занимает примерно 3,5 Мбайт;

• видеоклип длиной 10 мин занимает объем на винчестере около 2 Гбайт;

• 1 час видеозаписи в DV-формате занимает около 12 Гбайт.

Очевидно, что чем больше будет жесткий диск, тем лучше. Лучше иметь два диска: один – для программных приложений, а другой, более вместительный и быстрый – для видеоданных.

Главное требование к диску, на который будет проводиться запись видео – поддержка постоянной скорости потока данных не ниже 3–4 Мбайт/с при чтении-записи информации. Диски с маркировкой AV (сокращение от слов Audio Video) хорошо подходят для этой цели, но стоят дороже. Вполне приемлемое качество обеспечивают и обычные IDE-диски со скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин, но лучше – 7200 об/мин.

При этом имеются четыре пути ускорения монтажа:

• покупка более быстрого винчестера;

• оптимизация драйверов;

• разделение винчестеров (один – пишет, другой – читает);

• использование RAID-массива, который распараллеливает операции чтения-записи.

Таким образом, для видеомонтажа минимально можно рекомендовать жесткий диск UDMA, 7200 об/мин, емкостью 80-120 Гбайт. Больше – лучше.

Процессор влияет на все операции при видеомонтаже. Особенно важна его производительность при наложении различных фильтров на изображение. Если готовые фильмы планируется хранить в MPEG-форматах, то именно мощность процессора будет определять скорость создания MPEG-файлов. Можно порекомендовать, например, Celeron-2000 для недорогих «домашних» решений и P4-2400 или выше для производительных и полупрофессиональных работ.

В любом случае памяти должно быть не менее 512 Мбайт (больше – лучше). При работе с цифровым видео памяти никогда не бывает достаточно. В идеале желательно, чтобы оперативная память в вашем компьютере была не меньше гигабайта и самой быстрой, какую только поддерживает ваша материнская плата. В частности:

• память типа RIMM не имеет смысла использовать: она является дорогостоящей, а особых преимуществ при видеомонтаже не имеет;

• память типа DDR – имеет смысл брать, если у вас компьютер одной из последних моделей;

• при наличии у вас старого компьютера не обязательно гнаться за новейшим типом памяти: память типа SDRAM PC133 вполне подходит.

Монитор покупается на длительный срок (не менее 5 лет). Апгрейду мониторы практически не поддаются. Для домашнего видеомонтажа подойдет монитор с диагональю 17" (17 дюймов) и разрешением 1024 х 728 точек, хотя, конечно, монитор 19"/1600 х 1200 предпочтительнее, и чувствовать себя на нем вы будете более комфортно. Разумеется, все указанные разрешения монитором должны поддерживаться на частоте регенерации от 85 Гц и более.

Видеокарта подойдет практически любая, соответствующая описанному выше монитору, то есть та, которая на разрешении монитора в 1024 х 728/1600 х 1200 точек поддерживает тактовую частоту не менее 85 Гц. В обычных любительских фильмах продолжительность как титров, так и переходов не очень велика, поэтому не стоит гнаться за очень мощными и дорогими видеокартами, но аппаратная поддержка Direct3D и OpenGL должна присутствовать.

Для простых монтажных операций достаточно обычной 2D-видеоплаты, то есть вполне подойдет, например, ATI RAGE Pro 128 AGP. Для обработки сложных спецэффектов лучше выбрать плату c ускорителем видео nVIDIA GeForce2 MX и 64 (или 128) Мбайт памятью SDRAM.

Очень удобно работать с видеокартой, имеющей видеовыход, т. к. можно подключить телевизор прямо к компьютеру и смотреть видео со звуком прямо на нем.

С точки зрения нелинейного монтажа у Windows 98SE есть существенный недостаток – ограничение размера видеофайла до 4 Гбайт (это примерно 20 мин видео). Полностью решает эту проблему лишь установка Windows 2000/XP. К тому же ОС Windows 2000/XP более надежны и стабильны в работе.

Чтобы внести в свой фильм звуковые эффекты и музыкальное сопровождение, вам потребуется звуковая плата. Нужна как минимум 16-битная карта, способная проигрывать и записывать звук с качеством компакт-диска (частотой сэмплирования 44,1 кГц). Чтобы получить высококачественное звучание, поищите карту со встроенным процессором цифрового сигнала (DSP). С этим процессором получается более чистый и реалистичный звук; с его помощью также можно усилить впечатление, добавив эхо, реверберацию и другие стандартные эффекты, список которых у некоторых карт довольно обширен. Кроме того, удостоверьтесь, что у вашей карты есть полная поддержка дуплекса, то есть что вы можете одновременно проигрывать и записывать звук (это особенно полезно при микшировании). Желательна приличная звуковая карта, например Turtle Beach или SBLive. Простые карты Sound Blaster имеют плохое соотношение сигнал/шум.

Обычный CD имеет объем в 700 Мбайт, и его часто недостаточно для фильмов. DVD способны сохранять 4,7 Гбайт, то есть в семь раз больше, чем CD. Кроме того, вы можете просто хранить в архиве свои видеофайлы на DVD, экономя пространство на жестком диске. Записывающие и перезаписывающие DVD-дисководы постепенно дешевеют. В настоящее время пишущие DVD-приводы, как правило, комплектуются необходимым ПО. Так, в программе SonicMyDVDпредусмотрены все инструменты, необходимые новичку для ввода и монтажа видео, а также для последующей записи его на DVD. Главное преимущество Sonic MyDVD – простота применения. Основной недостаток Sonic MyDVD (версии 3.1) – ограниченность средств монтажа видео и конструирования меню, и если неопытному пользователю их вполне хватит, то продвинутому будет явно маловато.

Другие видеоредакторы теперь также научились записывать DVD, и среди таких программ – PowerDirector 2 компании CyberLink (цена дистрибутива при загрузке его через Интернет – $120). Продукт представляет собой монтажное ПО, нацеленное на рынок домашнего видео и включающее мастер (Disc Making Wizard) создания дисков Video CD и DVD. Приложение способно импортировать видео, аудио, а также неподвижные изображения из различных источников, поддерживает наиболее распространенные файловые форматы (в том числе MPEG-1 и MPEG-2). Программа PowerDirector 2 включает довольно обширный инструментарий для монтажа фильмов. Помимо традиционных для любого видеоредактора средств обрезки клипов и цветового контроля, в ней имеется коллекция более чем из двадцати видеоэффектов и ста десяти переходов.

Пример 1.3. Компьютер для работы с цифровым видео

В качестве системных требований для компьютера, «заточенного» на работу с видео, рассмотрим системные требования современного видеоредактора 2004 года

Ulead VideoStudio 8.0 (рис. 1.11).

Для нормальной работы этой программы требуется:

• процессор Intel® Pentium® III 800 МГц или выше (рекомендуется Pentium 4 с тактовой частотой 2.0 ГГц);

• операционная система Microsoft® Windows® 98 SE, ME, 2000, XP;

• ОЗУ 256 Мбайт (512 Мбайт или более рекомендуется);

• скорость винчестера (IDE hard drive) 7200 об/мин;

• 600 Мбайт свободного пространства на винчестере для инсталляции программы;

• не менее 4 Гбайт на винчестере для видеозахвата и редактирования;

• монитор с разрешением не ниже чем 1024 х 768 точек на дюйм;

• Windows-совместимая звуковая карта;

• CD-ROM, CD-R/RW или DVD-R/RW.

Подведя итог сказанному, можно привести пример конкретной конфигурации компьютера для домашней работы с цифровым видео:

• процессор – AMD Athlon XP 2600+;

• материнская плата – SOYO DRAGON KT400 PE;

• память – 512 Мбайт DDR PC2700;

• звуковая карта – Terratec Aureon Space 7.1;

• ОС – Windows XP Professional.

Рис. 1.11. Логотип программы Ulead VideoStudio

СОВЕТ

В Интернете вы можете найти тесты для описанных выше устройств (сложный монтаж, MPEG-кодирование и т. д.) с выводами о пригодности того или иного оборудования для домашнего видеомонтажа.

Резюме

В этой главе приведены основные рекомендации по выбору оборудования для домашнего нелинейного видеомонтажа. Расширять приведенный здесь список можно и далее, но автор не считает это необходимым.

Глава 2
Теория цифровой обработки видеоизображений

Как устроен телевизионный видеосигнал

При обработке видео на компьютере очень часто возникают вопросы, ответить на которые без знаний о строении телевизионного сигнала и принципов работы телевидения просто невозможно.

Телевизионное изображение воспроизводится путем последовательного сканирования электронными лучами покрытого электролюминесцирующим веществом экрана. Сканирование происходит слева направо вдоль горизонтальных линий (телевизионных строк) и сверху вниз по строкам. Лучи пробегают строку за строкой сверху вниз до самого низа экрана, а затем возвращаются назад, потм опять – слева-направо и сверху-вниз. В результате полный телевизионный кадр представляет собой совокупность последовательно высвечиваемых линий, передающих пространственное распределение изображения. Установлено, что для восприятия человеческим глазом этой совокупности как целого она должна обновляться не реже 50 раз каждую секунду.

В практике телевидения реализован чересстрочный режим развертки, при котором за каждый проход луч пробегает только половину линий кадра – сначала четные, затем нечетные строки. Таким образом, каждый телевизионный кадр оказывается разделенным на два полукадра – их называют полями.

НОВЫЙ ТЕРМИН

На экране телевизора изображение меняется 50 раз в секунду, но не все изображение, а только половина его: сначала рисуется одна половина строк кадра изображения, затем другая. Каждая из половинок называется полем (field). В результате на экране телевизора электронным лучом прорисовывается 50 полей в секунду и при вертикальной частоте 50 Гц, кадров оказывается в два раза меньше – 25.

Человек не замечает «половинчатости» каждого подобного изображения как из-за инерции человеческого зрения, так и из-за послесвечения люминофора электронно-лучевой трубки телевизора.

При передаче изображения по каналу связи его надо разбить на отдельные точки, а информацию о цвете и яркости каждой точки передавать последовательно (и построчно). Также необходимо передавать служебные синхронизирующие импульсы, сигнализирующие приемному устройству о конце строки и всего кадра. Принцип последовательной передачи изображения реализован в двух приборах – передающей и принимающей телевизионных «трубках». Электронный луч в передающей трубке отклоняется магнитным или электрическим полем и скользит по поверхности светочувствительной пластины, на которую объектив проецирует снимаемый объект. В зависимости от освещенности каждой точки пластины меняется сила тока в цепи. При этом мы имеем дело с аналоговыми сигналами. Оцифровку информации о яркости и цветности объекта можно сделать на устройстве, называемом видео-АЦП, или аналогово-цифровой преобразователе (capture board). После оцифровки непрерывные (аналоговые) сигналы станут ступенчатыми. Чем больше ступенек, тем выше качество оцифровки.

Для того, чтобы просмотреть цифровое видеоизображение, необходимо преобразовать цифровую информацию обратно в аналоговую форму. Данную процедуру осуществляет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC – Digital-to-

Analog Converter). ЦАП формирует необходимый аналоговый видеосигнал, который воспринимается видеомонитором или телевизором, что позволяет осуществить просмотр видеофрагмента.

Представим, что некая картинка содержит светлые и темные области. Пример оцифровки такого изображения приведен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Видеофайл 0110 1001 1001 0110

Здесь все изображение поделено на квадраты: светлые области кодируются сигналом 0, а темные – сигналом 1. Оцифровка графики связана с терминами «дискретизация» (разбиение изображения на темные и светлые области) и «кодирование» (представление изображения в виде нулей и единиц). И следовательно, на рис. 2.1. слева представлена дискретизация изображения, а справа – его кодирование.

Видеостандартом называется описание формы кодирования видеоизображения определенным видеосигналом. Такое описание является неизменным и поддерживается различными производителями видеооборудования. В настоящее время в мире существует множество видеостандартов, определяющих различные типы телевизионного вещания.

Исторически сложилось, что видеостандарты варьируются в зависимости от географического расположения той или иной страны. К примеру, NTSC-стандарт используется в Северной Америке, в Центральной Америке, в Японии, на Южном побережье Тихого океана и в некоторых частях Южной Америки. Стандарт PALиспользуется в Англии, Западной Германии и Нидерландах. Стандарт SECAM– во Франции и в ее бывших колониях, в бывшем Восточном блоке и в странах Среднего Востока.

В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимых системы цветного телевидения – NTSC, PAL, SECAM. Основные различия между ними заключаются в конкретных методах кодирования телевизионного сигнала (табл. 2.1.).

Таблица 2.1. Системы цветного телевидения – NTSC, PAL, SECAM

Особо не вникая во все тонкости цифр, кратко остановимся на особенностях этих видеостандартов.

Наиболее старым видеостандартом является стандарт NTSC(National Television Systems Committee) – стандарт телевидения, установленный в 1950 году в США и Японии. Стандарт имеет частоту 30 кадров в секунду (60 Гц) в черететрочном режиме (нечетные строки отображаются за первый проход, четные – за следующий). Вертикальное разрешение NTSC составляет 525 сканирующих строк (но диапазон видимых строк – 484 строки). Обеспечивается поддержка 16 миллионов разных цветов. Одним из основных недостатков данной системы является большая чувствительность к фазовым искажениям сигнала. Кроме того, система подвержена амплитудно-частотным искажениям.

Спецификация NTSC представлена ниже в виде таблицы:

В России принят стандарт PAL(Phase Alternation Line). Стандарт PAL разработан в 1961 году и популярен в большинстве стран Европы. По сравнению с NTSC система PAL использует большую полосу пропускания и, как следствие, обеспечивает лучшее качество изображения и звука. Максимальное количество вертикальных линий, которое можно отобразить на телевизоре – 768. Количество строк в кадре – 625. Следовательно, полный телевизионный кадр получится 768 х 625. После отбрасывания служебных строк и обратного хода кадровой развертки (и с учетом того, что соотношение сторон TV кадра равно 4:3) остается реальное разрешение 720 х 576. Такое разрешение указывается для полноэкранного видео на компьютере во всех программах редактирования видео по видеостандарту PAL – рис. 2.2.

Рис. 2.2. Меню выбора разрешения в видеостандарте PAL для программы создания видеотитров Adobe Title Express

Спецификация PAL представлена ниже в виде таблицы:

Во Франции телевидение использует стандарт SECAM(SEquential Couleur Avec Memoire). Частота кадров в SECAM соответствует частоте кадров в стандарте PAL, то есть 25 череcстрочных кадров в секунду (50 Гц). Система SECAM обладает тем преимуществом, что нечувствительна к фазовым искажениям благодаря частотной модуляции, однако в этой системе снижена вдвое цветовая четкость по вертикали вследствие того, что цветоразностные сигналы передаются по очереди через строку.

Спецификация SECAM представлена ниже в виде таблицы:

Форматы аналогового видео

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал. Поясним о чем идет речь.

Известно, что человеческий глаз суммарно воспринимает красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue) части видимого спектра. Таким образом, цветовое восприятие человека трехкомпонентное. Глаз воспринимает также примерно 16 миллионов цветовых оттенков из комбинации этих трех главных цветов цветовой модели RGB.

Теле-видеокамеры цветных изображений также формируют три сигнала – R, G, B, то есть при передаче цветного изображения картинка, полученная из объектива с помощью системы светофильтров, раскладывается на три составляющих – красную (R), зеленую (G) и синюю (B). Каждый цвет передается своей трубкой. Принимающая трубка имеет три электронных луча, скользящих по поверхности люминофора, дающего точки красного, зеленого и синего цветов, то есть в телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируют три электронных луча, вызывая световые вспышки красного, зеленого и синего цветов. Глаз же при этом воспринимает не отдельные три луча, а результирующее (аддитивное) цветное изображение. Эти цвета, смешиваясь, дают всю палитру цветовых оттенков – рис. 2.3.

Однако для телепереноса цветного изображения через эфир технически эффективнее кодировать цвет иным образом. Дело в том, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета (цветности), чем к изменениям яркости. Поэтому цветовая информация может передаваться с меньшей пространственной четкостью (разрешением). В результате исходные RGB-видеосигналы в телевидении перед передачей преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U и V (цветности). Формулы кодирования при передаче изображений в цветовой модели YUV таковы:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B;

U = R – Y;

V = B – Y.

По этим формулам RGB преобразуется в YUV. Здесь сигнал цветности (U, V) – это синусоидальная волна, моделируемая на сигнал яркости в качестве поднесущей (subcarrier). Сигналы U и V передаются с разрешением в два раза меньшим, чем Y.

Рис. 2.3. Применение цветовой модели RGB в TV

Использование вместо YUV цветовой модели RGB позволяет уменьшить объем передаваемой информации и строить более дешевые видеосистемы.

Таким образом, телевизионный видеосигнал можно представить как композицию трех сигналов Y, U, V и синхроимпульсов. Такой сигнал называют композитным.

НОВЫЙ ТЕРМИН

Совместное использование сигналов яркости (Y) и цветности (U,V) называется композитным видеосигналом (composite signal). Наиболее часто этот видеосигнал используется в аналоговой бытовой видеотехнике формата VHS. Из-за объединения этих элементов в одном сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем неточную передачу цвета, недостаточно «чистую» картинку и другие факторы потери качества.

При приеме в цветном телевизоре осуществляется обратный процесс восстановления исходного (оригинального) изображения и YUV преобразуется в RGB. Формулы декодирования сигнала таковы:

R = Y + U

B = Y + V

G = Y – 0.509 U – 0,194V

ПРИМЕЧАНИЕ

Более детальное изучение терминов аналогового телевещания (например «вид сигнала YUV 4:2:2») выходит за рамки нашей книги, и мы предлагаем вам, при желании, изучить их самостоятельно. Заметим только, что для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксель (это примерно 2 млн цветов в цветовой модели RGB) и 8 бит/пиксель (4:4:4 – это примерно 16 млн цветов в цветовой модели RGB).

Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты (яркость, цветность, синхроимпульсы) представлены как независимые сигналы.

НОВЫЙ ТЕРМИН

Компонентный видеосигнал (component signal) – это способ хранения и обработки видеосигнала, при котором компоненты видеосигнала (сигналы яркости и цветности) хранятся и передаются по каналам связи по отдельности (независимо).

Наиболее популярным вариантом компонентного сигнала является видеосигнал Y/C, состоящий из разделенных сигналов яркости (компонента Y) и цветности (С). Канал цветности содержит в себе информацию об оттенке и насыщенности цвета и называется компонентой C. Сигнал Y/C используется в системах S-VHS и Hi-8.

В профессиональной видеотехнике используется YUV-сигнал. YUV – обозначение аналоговых яркостного и цветоразностных сигналов. Этот сигнал также является компонентным сигналом и позволяет получать максимальное качество изображения, так как требует минимальной обработки при записи и воспроизведении видеоизображения. Данный сигнал обычно используется в видеотехнике форматов U-Matic, Betacam, Betacam SP, M-II и D-3.

Несмотря на широкую популярность аналогового телевидения, такой принцип имеет очевидные недостатки:

• во время передачи видеосигнала возникают различные электромагнитные помехи, ухудшающие изображение;

• запись и копирование аналогового видеосигнала всегда сопровождается некоторой потерей качества.

В связи с этим дальнейшее развитие технологий передачи и обработки видеоизображения пошло по пути использования цифрового видеоизображения.