Текст книги "Цифровое видео для начинающих"

Цифровое видео

Недостатки, присущие аналоговому способу воспроизведения видео, привели к разработке цифрового видеоформата – на смену аналоговому видео пришло цифровое.

НОВЫЙ ТЕРМИН

Цифровое видео (Digital Video) – термин, обозначающий группу устройств, в которых видеосигнал записывается и обрабатывается в цифровой форме. Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук, то есть мультимедиа.

Для цифровых видеокамер был разработан специальный цифровой формат записи на магнитную ленту – DV(Digital Video). Это компонентный формат представления сигнала, который обеспечивает разрешение по горизонтали 500 линий. Оцифровка осуществляется с разрешением 720 х 576 согласно схеме 4:2:0 (каждый кадр содержит 720 х 576 значений яркости Y и по 360 х 288 значений цвето-разностных сигналов U и V). Благодаря раздельной записи видео и звука формат DV позволяет добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук.

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами:

• частотой кадров (Frame Rate);

• глубиной цвета (Color Resolution);

• экранным разрешением (Spatial Resolution);

• качеством изображения (Image Quality).

Рассмотрим эти характеристики более подробно.

Как мы писали выше, в аналоговых телевизионных системах стандартная скорость воспроизведения видеосигнала – 25 (PAL/SECAM) или 30 кадров/с (NTSC), а для кино этот показатель составляет 24 кадра/с. При этом каждый кадр состоит из определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через одну, в результате чего получается два полукадра, или так называемых поля. Поэтому каждая секунда аналогового видеосигнала состоит из 50 или 60 полей (полукадров). Такой процесс называется interlaced видео (чересстрочная развертка).

Монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод прогрессивного сканирования (progressive scan), при котором строки кадра формируются последовательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз каждую секунду (при частоте обновления экрана 60 Гц). Посмотреть установленную на вашей видеокарте частоту обновления экрана можно, щелкнув на рабочем столе правой кнопкой мыши и выполнив команду Свойства ► Параметры ► Дополнительно ► Адаптер – рис. 2.4.

Рис. 2.4. Пример прорисовки кадра на экране ПК с частотой кадров (Frame Rate) 50 раз в секунду (частоте регенерации монитора 100 Гц)

Подобный метод формирования изображения на экране получил название noninterlaced видео (прогресссивная развертка). В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-фор-мате (красный-зеленый-синий), в то время как видео использует и другие методы. Как уже упоминалось, одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов – YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).

Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы качества цветопередачи (глубины) цвета: 8 бит/пиксель (256 цветов), 16 бит/пиксель (65 535 цветов), 24 бит/пиксель (16,7 млн цветов) и 32 бит/пиксель (True Color – 16,7 млн цветов + альфа-канал). Посмотреть заданную на вашей видеокарте глубину цвета можно, щелкнув на рабочем столе правой кнопкой мыши и выполнив команду Свойства ► Параметры – рис. 2.5.

Рис. 2.5. Пример настройки монитора ПК на глубину цвета 32 бит

Экранное разрешение монитора компьютера – это количество точек, из которых состоит изображение на экране. Сегодня мониторы с диагональю 17 дюймов обычно используются с разрешением в 1024 х 768 точек, поэтому можно предположить, что это и есть компьютерный видеостандарт.

Однако, к сожалению, прямой связи между разрешением цифрового видео и компьютерного дисплея нет. Напомним, что стандарт PAL, распространенный в Европе и России, имеет разрешение – 720 на 576 точек. Среди стандартных для компьютерной видеокарты разрешений экрана разрешение 720 х 576 не значится, поэтому на экране компьютера такой видеокадр будет окружен бордюром до ближайшего стандартного разрешения видеокарты в 800 х 600 или 1024 х 768 точек – рис. 2.6.

Рис. 2.6. Бордюр при размещении изображения 720 х 576 точек на экране монитора с разрешением 1024 х 768 точек

В случае выбора режима полноэкранного просмотра изображение будет масштабироваться так, как видеокарта и ее драйвер посчитают нужным, и разложение изображения по полям для вывода по TV-выходу видеокарта будет делать без всякой связи с оригинальным видеоизображением.

Из сказанного следует, что поскольку разрешение аналогового и компьютерного видеосигналов различается, то при преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда масштабировать изображение, а это приводит к некоторой потере качества видеоизображения.

Разрешающую способность видеокамеры обычно измеряют в ТВЛ (Телевизионных линиях). У большинства современных цифровых видеокамер значение этого параметра достигает 500 и более телевизионных линий (ТВЛ). Возникает вопрос:

почему у камеры только 500 линий, а в телевизионной картинке (по стандарту PAL) должно быть 625 линий? На самом деле это совершенно разные понятия – строки, на которые раскладывается телевизионное изображение (их действительно 625), и линии, характеризующие качество изображения. Для понимания того, что есть ТВЛ, посмотрите на телевизионную испытательную таблицу – рис. 2.7.

Рис. 2.7. Телевизионная испытательная таблица

Цифры, стоящие рядом с линиями, как раз характеризуют разрешающую способность. Например, если на изображении испытательной таблицы, снятой видеокамерой, можно различить линии рядом с цифрой 500, то разрешение такой видеокамеры не хуже 500 ТВЛ.

Наиболее важная характеристика цифрового видеосигнала – это качество видеоизображения.

Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана с палитрой из 256-ти цветов (8 бит) при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других случаях требуется полноэкранное видео (768 на 576) с палитрой в 16,7 млн цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой (25 или 30 кадров/с).

Очевидно, что чем выше частота кадров, глубина цвета и разрешение, тем качество цифрового изображения лучше – рис. 2.8.

На этой иллюстрации под битностью изображения следует понимать то, сколько оттенков цвета используется для хранения изображения. Разные графические форматы имеют для этого разные возможности (табл. 2.2.).

Рис. 2.8. Пример зависимости качества изображения от глубины цвета (слева режим 4:2:2 (7 бит/пиксель – 2 млн цветов), а справа режим 4:4:4 (8 бит/пиксель – 16 млн цветов)

Таблица 2.2. Возможности различных графических форматов для передачи качества изображения за счет глубины цвета

Вы, возможно, удивлены, почему в файлах с цветовой глубиной 32 бит такое же количество цветовых оттенков, как и при 24 бит. Дело в том, что остальные 8 бит используются для хранения альфа-канала, который будет определять прозрачность нашей картинки. Из этого следует, что для видеомонтажа можно использовать далеко не все графические форматы файлов.

Говоря о качестве изображения, следует заметить, что в бытовых видеомагнитофонах для простоты декодирования сигналов объем информации в них ограничивается, что ведет к уменьшению четкости изображения и снижению числа строк до 240. Такое решение используется в аналоговых форматах VHS и Video8. Более качественный результат получается при передаче двух композитных сигналов: яркости вместе с синхроимпульсами (Y) и модулированных цветовых сигналов (C). При этом обеспечивается разрешение в 400 линий. Такому решению соответствуют аналоговые форматы записи S-VHS и Hi8. Только при переходе к компонентному сигналу, в котором все три составляющих – Y, U и V – передаются отдельно, можно достичь наиболее высокого качества. Такой сигнал используется в профессиональной аппаратуре формата Betacam, что позволяет получить разрешение до 650 линий.

Сжатие видео

Большой объем видеофайлов – одна из серьезных проблем в видеомонтаже. Для наглядности приводим расчет: 640 х 480 х 3 х 25 = 23 040 000. То есть, если 640 – горизонтальное разрешение видеокадра, 480 – вертикальное разрешение, то имеем 307 200 точек на кадр. При трех байтах цвета на каждую точку (пиксель) получим 921 600 байт на кадр. И, наконец, при потоке 25 кадров в секунду имеем 23 040 000 байт в секунду. То есть 24-битное цветное видео, при экранном разрешении 640 х 480 и частоте 25 кадров/с, потребует передачи 23 Мбайт данных в секунду. Такой поток информации не только выходит за рамки пропускной способности шины компьютера, но и моментально съест любое дисковое пространство.

ПРИМЕЧАНИЕ

Для сравнения: 50-скоростной CD-ROM воспроизводит цифровой видеофильм со скоростью 50 х 150 Кбайт/с = 7,5 Мбайт/с.

Иногда для уменьшения этого огромного объема данных до разумного уровня достаточно оптимизировать один из трех вышеперечисленных параметров видеосигнала. Так, например, современные приложения (игры, компьютерные мультимедийные обучающие программы и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для них не требуется оцифровывать целый (полноэкранный) кадр.

В частности, если мы изменим параметры видеосигнала и сделаем новый расчет для разрешения 320 на 240 и частоте 15 кадров/с, то получим новые цифры: 320 х х 240 х 3 х 15 = 3,4 Мбайт/с.

Как видите, уменьшив размер изображения, можно добиться весьма существенного уменьшения объема данных, передаваемых в единицу времени. Но 3 Мбайт занимает всего лишь одна секунда видео. Для двухчасового фильма потребуется 24 Гбайт дискового пространства, а это примерно 25 лазерных дисков. Отсюда вытекает необходимость сжатия видеоизображений. Только тогда один видеофильм можно будет записать на один лазерный диск 700 Мбайт.

Программы для сжатия видео (и аудио) называют кодеками. Кодек (Codec) – сокращение от слов «кодер-декодер». Примером такой программы сжатия может служить, например, программа-кодек для сжатия видео и аудио DivX. Очевидно, что при сжатии видео кодеками не только нужно уменьшить объем цифровых видеофайлов, но и при этом желательно максимально сохранить качество оригинала.

НОВЫЙ ТЕРМИН

CODEC = COder + DECoder (кодек = кодер + декодер) – программные или аппаратные средства, преобразующие видеоинформацию в поток уплотненных данных, и наоборот. Для воспроизведения цифрового видео система должна иметь тот же самый тип кодека, который используется для кодирования видео.

Следует исходить из разумной достаточности при определении необходимой степени сжатия. При этом необходимо учитывать, как характеристики (частота кадра, экранное разрешение, глубина цвета) влияют на объем и качество видео. Вы должны ясно себе представлять, какую цену придется заплатить за качественное изображение. Чем больше глубина цвета, выше разрешение, лучше качество, тем большая производительность компьютера вам потребуется, не говоря уж о громадных объемах дискового пространства, необходимого под такое цифровое видео. Надо отметить, что в профессиональном видео действует простое правило – чем ниже коэффициент сжатия, тем лучше.

НОВЫЙ ТЕРМИН

Коэффициент сжатия – это цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного видеоматериала. Для примера, коэффициент 200:1 означает, что если принять объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал занимал объем в 200 раз больший. Обычно, чем выше коэффициент сжатия, тем хуже качество видео. Но многое, конечно, зависит от используемого алгоритма.

Различные варианты сжатия по алгоритму Motion-JPEG работают с коэффициентами сжатия от 5:1 до 100:1, хотя уже при уровне 20:1 трудно добиться нормального качества изображения. Для сжатия по алгоритму MPEG стандартным считается коэффициент сжатия 200:1. И чем больше степень сжатия (компрессия), тем хуже качество – рис. 2.9. Как правило, приходится искать компромисс между объемом файла и допустимой потерей качества изображения.

Рис. 2.9. Изменение качества видеофайлов в зависимости от степени их сжатия (а – исходный файл без компрессии, б – сжатие 5:1)

Остановимся на наиболее распространенных форматах сжатия видеофайлов.

QuickTime – технология для воспроизведения видео на компьютере, разработанная фирмой Apple для Mac. Начиная с версии 3 она работает под Windows и использует для вывода на экран технологию DirectDraw, обеспечивая поддержку графических ускорителей. Для воспроизведения звука используются возможности DirectSound.

QuickTime поддерживает широкий набор типов мультимедиа-данных (видео, аудио, текст, временной код, музыкальный MIDI-интерфейс, анимацию и др.). Формат файлов QuickTime имеет расширение MOV. Преимущество видеоформата в том, что он платформенно независим, открыт для расширения, а поэтому поддерживается многими производителями. Используя QuickTime, программные приложения могут легко работать с широким кругом форматов файлов и кодеков.

Формат AVI – технология фирмы Microsoft, самый распространенный и наименее сжатый из файлов. При создании AVI-файлов, включающих звуковое сопровождение, важным является правильная синхронизация звука с видеоизображением. Для этого используется технология чередования видеокадров и звука, которой, собственно, и определяется аббревиатура AVI (Audio Video Interleaved). Говоря упрощенно, в AVI-файл записываются не все кадры целиком, а только отличия последующих кадров от ключевого. Более того, кадр разбивается на множество квадратов, в которых уменьшается количество цветов, что позволяет сократить количество байтов, занимаемых под запись информации о цвете точек. Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение AVI. В среднем одна секунда цифруемого AVI-изображения занимает примерно 2 Mбайт на жестком диске.

НОВЫЙ ТЕРМИН

MPEG – сокращение названия экспертной группы ISO (Moving Picture Expert Group), которая занимается разработкой стандартов кодирования и сжатия видео– и аудиоданных. Технология MPEG использует поточное сжатие видео, при котором обрабатывается не каждый кадр по отдельности (как это происходит при сжатии видео с помощью алгоритмов Motion-JPEG), а анализируется динамика изменений видеофрагментов и устраняются избыточные данные. Стандарт компрессии Motion-JPEG (динамический JPEG) был разработан объединенной группой экспертов по фотографии (JPEG – Joint Photographic Expert Group) международной организации стандартов (ISO). Как ясно уже из названия, схема компрессии была разработана для неподвижных изображений. Так как телевидение, в сущности, и есть последовательность неподвижных изображений, то JPEG-кодирование может применяться и для компрессии видеоизображений.

MPEG является достаточно универсальным методом сжатия и может использоваться в видеозаписи, телевещании, домашнем видеомонтаже, мультимедийных обучающих и игровых программах, создании видеороликов для презентаций в Интернете. С помощью MPEG-сжатия объем видеоинформации можно значительно уменьшить без заметного ухудшения качества видеоизображения. Фильмы, записанные в формате MPEG-4, завоевали популярность среди широкой аудитории рядовых пользователей ПК. Такие фильмы обычно умещаются на одном компакт-диске в 700 Мбайт, а по качеству изображения могут успешно конкурировать с видеокассетами. В отличии от AVI-формата, MPEG-файлы занимают значительно меньше места.

Форматы MPEG различаются по качеству результатов и скорости передачи данных. На сегодняшний день известно несколько видов формата MPEG.

Формат для хранения и воспроизведения видео– и аудиоданных на мультимедиа-носителях данных. Потенциально поддерживает телевизионное качество видео. Поддерживает передачу высококачественного видео по высокоскоростным цифровым каналам. Интенсивность потока данных от 2 до 10 Мбайт/с. MPEG-1 применяют для записи синхронизированных видеоизображения и звукового сопровождения на CD-ROM. Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1, во многом аналогичны обычному VHS-видео, поэтому такой формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители. Существует множество программ для кодирования видео в формат MPEG-1. Это кодеки Xing MPEG1 Encoder, Panasonic MPEG-1 Encoder, MPEG Power Professional, DVMPEG, MegaPEG, LSX MPEG, bbMPEG и другие.

Этот стандарт разработан как дополнение к предыдущему стандарту. Спецификации MPEG-2 подразумевают использование высоких разрешений для достижения максимального качества изображения, поэтому этот формат применяется в первую очередь в профессиональных сферах. MPEG-2 применяется для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с телевизионным, при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 15 Мбит/с. На технологиях, основанных на MPEG-2, работают многие телеканалы; сигнал, сжатый в соответствии с этим стандартом, транслируется через телевизионные спутники и используется для архивации больших объемов видеоматериала.

MPEG-1 и MPEG-2 различаются степенью сжатия видео и, как следствие, качеством получаемого изображения. Не вдаваясь глубоко в теорию, можно исходить из следующего: чтобы качество, полученное после компрессии, было на уровне домашнего видео – форматов VHS или Video8, достаточно применить MPEG-1. Для более качественных видеоматериалов форматов S-VHS, Hi8 и DV используется MPEG-2. (Кстати, столь активно продвигаемые в последнее время фильмы на DVD-ROM как раз и закодированы MPEG-2.)

Этот стандарт предназначен для передачи видео– и аудиоданных по низкоскоростным линиям и рассчитан для применения в системах видеотелефонии, мультимедийной электронной почте, электронных информационных изданиях и т. п. Стандарт ориентирован на разрешение 174 х 144 пикселя при 10 кадрах в секунду и позволяет передавать данные со скоростью от 4800 до 64 000 бит/с. MPEG-4 нужен для работы с цифровым представлением медиа-данных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая продукты, распространяемые на оптических дисках и через Сеть), графических приложений (синтетического контента) и цифрового телевидения.

Пример 2.1. Программный кодер Canopus Pro Coder 1.01

Эта небольшая программа представляет собой быстрый и качественный транскодер видео, работающий с форматами MPEG-^ 2, QuickTime и другими. Логотип программы приведен на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Canopus ProCoder – логотип программы

После запуска программа предлагает указать файл, подлежащий кодированию, рис. 2.11.

Рис. 2.11. Выбор файла для кодирования

После выбора входного файла запускается Wizard (мастер), облегчающий вашу дальнейшую работу, – рис. 2.12.

Рис. 2.12. Мастер – шаг 1 (Video File – Preview)

После нажатия в данном окне кнопки Next(Следующий) программа предлагает следующий шаг – выбор формата для кодирования – рис. 2.13.

Рис. 2.13. Выбор формата для кодирования видео

После нажатия в данном окне кнопки Next(Следующий) программа предлагает указать место для хранения выходного файла – рис. 2.14.

Рис. 2.14. Окно задания места хранения выходного файла

Последний шаг мастера – кодирование, осуществляется нажатием кнопки LaunchProCoder(Запустить ProCoder) – рис. 2.15.

Рис. 2.15. Окно начала кодирования видеофайла

При установке флажка Preview (Предпросмотр) вы сможете наблюдать процесс кодирования в специальном окне программы – рис. 2.16.

Рис. 2.16. Функция Preview (Предпросмотр) включена

Для воспроизведения (декодирования) полученного MPEG-фильма можете воспользоваться этой же программой – ProCoder любезно «прокрутит» упакованные им кадры.

Конверторы видеоформатов

Существует класс программ-утилит, позволяющих преобразовывать видеофайл из одного формата в другой. Это так называемые конверторы (Converters). Вот краткая характеристика нескольких таких программ: