Цифровое видео для начинающих

Молочков Владимир Петрович

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.

Коэффициент сжатия

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)

Форматы сжатого цифрового видео

Остановимся на наиболее распространенных форматах сжатия видеофайлов.

QuickTime

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.

AVI

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.