Некоторые вопросы мультимедиа технологий

Некоторые вопросы мультимедиа технологий

Форматы графических данных мультимедиа технологий

BMP (Windows Device Independent Bitmap)

Формат ВМР является родным форматом Windows, он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под ее управлением. Применяется для хранения растровых изображений, предназначенных для использования в Windows. Способен хранить как индексированный (до 256 цветов), так и RGB-цвет (16 млн. оттенков). Возможно, применение сжатия по принципу RLE (они могут иметь расширение. rle).

 WMF (Windows Metafile)

Еще один родной формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена (Clipboard). Понимается практически всеми программами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. Однако, несмотря на кажущуюся простоту и универсальность, пользоваться форматом WMF стоит только в крайних случаях для передачи "голых" векторов. WMF искажает (!) цвет, не может сохранять ряд параметров, которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах.

 GIF (CompuServe Graphics Interchange Format)

Разработан фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. Он использует LZW-компрессию, что позволяет хорошо сжимать файлы, в которых много однородных заливок (логотипы, надписи, схемы). GIF-формат позволяет записывать изображение "через строчку" (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернете. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. В GIF'e можно назначить один или более цветов прозрачными, они станут невидимыми в интернетовских браузерах и некоторых других программах. Прозрачность обеспечивается за счет дополнительного Alpha-канала, сохраняемого вместе с файлом. Кроме того, файл GIF может содержать не одну, а несколько растровых картинок, которые интернетовские браузеры могут подгружать одну за другой с указанной в файле частотой. Это называется GIF-анимация. Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано только в режиме 256 цветов. Для полиграфии этого явно недостаточно.

 PNG (Portable Network Graphics)

PNG - недавно разработанный формат для Сети, призванный заменить собой устаревший GIF. Использует сжатие без потерь. Глубина цвета может быть любой, вплоть до 48 бит (RGB, для сравнения, - 24), используется Interlacing, причем не только строк, но и столбцов, поддерживается плавно переходящая прозрачность. В файл формата PNG записывается информация о гамма-коррекции. Гамма представляет собой некое число, характеризующее зависимость яркости свечения экрана вашего монитора от напряжения на электродах кинескопа. Это число, считанное из файла, позволяет ввести поправку яркости при отображении. Нужно оно для того, чтобы картинка, созданная на Мас'е, выглядела одинаково и на РС и на Silicon Graphics. Таким образом, эта особенность помогает реализации основной идеи WWW - одинакового отображения информации независимо от аппаратуры пользователя. Файлы PNG могут делать все основные графические редакторы.

 TGA (Targa)

"Targa" - это имя графического адаптера фирмы Truevision, который впервые использовал TGA-формат. Первая редакция TGA-формата имеет название "Original TGA format" (оригинальный TGA-формат), а вторая - "New TGA Format" (новый TGA-формат). Формат может хранить изображения с глубиной цвета до 32 бит. Наряду со стандартными тремя RGB - каналами TGA-файл имеет дополнительный альфа-канал для представления информации о прозрачности изображения. Информация может быть сжата. Формат используется программными продуктами многих известных в мире компьютерной графики фирм.

 JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Строго говоря, JPEG'ом называется не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, как в RLE и LZW, а на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Лишнюю, с его точки зрения, цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Можно задать уровень компресси. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. Используя JPEG, можно получить файл в 10-500 раз меньше, чем ВМР! Формат аппаратно независим. Из сказанного можно сделать следующий вывод: JPEG'ом лучше сжимаются растровые картинки фотографического качества, чем логотипы или схемы - в них больше полутоновых переходов, среди же однотонных заливок появляются нежелательные помехи. В JPEG'е следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит к все новым потерям (отбрасыванию) данных и превращения исходного изображения в кашу.

 TIFF (Tagged Image File Format)

Аппаратно независимый формат TIFF на сегодняшний день является одним из самых распространенных и надежных, его поддерживают практически все программы на РС и Macintosh так или иначе связанные с графикой. TIFF является лучшим выбором при импорте растровой графики в векторные программы и издательские системы. Ему доступен весь диапазон цветовых моделей от монохромной до RGB, CMYK и дополнительных цветов Pantone. TIFF может сохранять векторы Photoshop'a, Alpha-каналы для создания масок в видеоклипах Adobe Premiere и массу других дополнительных данных. Наибольшие проблемы обычно вызывает LZW-компрессия, иногда применяемая в TIFF'e. Ряд программ (например, QuarkXPress 3.x и Adobe Streamline) не умеют читать такие файлы, кроме того, они могут дольше выводиться на принтеры и фотонаборные автоматы. Только если файл комрессуется в 3-4 раза, получается выигрыш во времени вывода.  

PSD (Adobe Photoshop Document)

PSD - родной формат популярного растрового редактора Photoshop. Он позволяет записывать изображение со многими слоями, их масками, дополнительными каналами, контурами и другой информацией - все, что может сделать Photoshop. PSD понимают некоторые программы.

 CDR (CorelDRAW Document)

Формат известен в прошлом низкой устойчивостью и плохой совместимостью файлов, тем не менее, пользоваться CorelDRAW чрезвычайно удобно, он имеет неоспоримое лидерство на платформе РС. Многие программы на РС (FreeHand, Illustrator, PageMaker, ...) могут импортировать файлы CDR. В файлах CorelDRAW поздних версий применяется компрессия для векторов и растра отдельно, могут внедряться шрифты, файлы CDR имеют огромное рабочее поле 45х45 метров (этот параметр важен для наружной рекламы); начиная с 4-й версии, поддерживается многостраничность.

Анимация - исскуственное представление движения в кино, на телевидении или в компьютерной графике, путем отображения последовательности рисунков или кадров с частотой, при которой обеспечивается целостное зрительное восприятие образов (как правило, для плавного воспроизведения анимации необходима скорость, или частота кадров, не менее 10 кадров в секунду - инертность зрительного восприятия).

Частота смены кадров за секунду экранного времени составляет:

10...16 - для компьютерной анимации

24 - для кинематографа

25 - для системы PAL или SECAM телевещания

30 - для системы NTSC телевещания.

Компьютерная анимация - это один из главных элементов мультимедиа проектов и презентаций.

Разница между анимацией и видео состоит в том, что видео использует непрерывное движение и разбивает его на множество дискретных кадров.

Анимация использует множество независимых рисунков или графических файлов, которые выводятся в определенной последовательности для создания иллюзии непрерывного движения.

Для создания компьютерной анимации существует множество программных приложений.

Компьютерная анимация воспроизводится с помощью компьютера на экране компьютерного монитора или с помощью специальных аппаратных средств преобразуется в видеоформат и воспроизводится с помощью видеомагнитофона на видеомониторе.

Форматы анимационных файлов (флики).

 Формат файла фильмов (flic) разработал Jim Kent.

Все данные в этих файлах группируются во фреймы (frame). Фрейм - это один кадр фильма. Фреймы состоят из так называемых блоков (chunk). Блоки файла и содержат в себе всю информацию необходимую для проигрывания фильма. В начале блока указывается его размер и его тип, также как и вначале каждого фрейма, поэтому если тип фрейма или блока неизвестен, то данный блок или фрейм можно просто пропустить.

В основе дельта-сжатия, применяемого во фликах лежит идея сохранять только отличия одного кадра от другого. Это позволяет проигрывать файлы даже на медленных видеоадаптерах, так как надо выводить только часть изображения.

Сами данные сжимаются по схеме RLE ( кодирование длин серий ). Причем первый фрейм содержит изображение целиком, и относительно него и строятся отличия других фреймов.

Семейство фликов:

.FLI

размер: до 320 х 200, 256 цветов (палитра)

.FLC

размер: любой, 256 цветов (палитра)

.FLH

размер: любой, цвет: 15 бит на точку (5-5-5)

размер: любой, цвет: 16 бит на точку (5-6-5)

.FLT

размер: любой, цвет: 24 бита на точку

.FLZ (разработан в ММЛаб МарГТУ)

размер: любой, цвет: любой. Вместо RLE компрессии используется LZW компрессия (как в ZIP)

 Большим недостатком данных форматов фильмов является отсутствие звукового сопровождения. Но данный недостаток просто устранить в конкретной реализации, введя при проигрывании фильма звуковое сопровождение.

Также большим недостатком является отсутствие опорных кадров, но этот недостаток также просто устранить, создав утилиту для размещения в файле опорных кадров и указателей на эти кадры. Большим достоинством данного формата считается его распространенность, простота создания в нем анимационных файлов и подробные описания его формата.

Аналоговое видео.

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

Для передачи цветного изображения необходимо передавать не только характеристику яркости каждого пикселя изображения, но и его цвет. Для отображения цвета пикселя на электронно-лучевой трубке необходимо определить три цветовые составляющие: красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue). Передача отдельных сигналов RGB теоретически требует увеличить обычный диапазон сигнала в три раза, и, как следствие, появляются проблемы, связанные с синхронизацией трех независимых сигналов.

Решением этих проблем является добавление отдельного сигнала цветности (chrominance or chroma signal) к существующему сигналу яркости (luminance signal). Последний несет информацию о яркости в данной точке изображения, в то время как сигнал цветности представляет цвет. Сигнал цветности - это синусоидальная волна, моделируемая на сигнал яркости в качестве поднесущей (subcarrier). Такое совместное использование сигналов яркости и цветности называется композитным видеосигналом (composite signal). Наиболее часто этот видеосигнал используется в 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.

Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы. Дальнейшие усовершествования этого формата привели к появлению различных его вариаций: S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.

Компонентный видеосигнал (component signal) - это способ хранения и обработки видеосигнала, при котором компоненты видеосигнала хранятся по отдельности. Наиболее популярным вариантом компонентного сигнала является видеосигнал Y/C, состоящий из разделенных сигналов яркости (компонента Y) и цветности. 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. 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-первых, во время передачи видеосигнала возникают различные электромагнитные помехи, ухудшающие изображение, а во-вторых, 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.

Видеостандарты.

  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 PAL используется в Англии, Западной Германии и Нидерландах. Стандарт SECAM - во Франции и в ее бывших колониях, в бывшем Восточном блоке и в странах Среднего Востока.

Наиболее старым видеостандартом является стандарт NTSC (National Television Systems Committee). Стандарт NTSC был создан в 1948 году как национальный стандарт для телевещания. NTSC определяет все параметры, которые позволяют любому телевизору в Северной Америке принимать телевещательный сигнал. Стандарт определяет метод кодирования информации в композитный видеосигнал.

Этот стандарт имеет частоту 30 кадров в секунду в череcстрочном режиме (нечетные строки отображаются за первый проход, четные - за следующий). Такая система показа делит каждый кадр на два поля и, следовательно, каждую секунду - на 60 полей. Вертикальное разрешение NTSC составляет 525 сканирующих строк, но диапазон видимых строк составляет 484 строки. Обеспечивается поддержка 16 миллионов разных цветов. В настоящее время разрабатываются новые разновидности стандарта NTSC "Super NTSC" и "16 х 9", которые будут входить в состав стандарта MPEG и стандарта разработки DVD.

  Еще одним распространенным стандартом является стандарт PAL (Phase Alternation Line). PAL предполагает следующую частоту кадров: 25 череcстрочных кадров в секунду, имеющих 625 сканирующих строк. Разработанный после NTSC, PAL выдает более широкий диапазон для модуляции цветности, что, естественно, улучшает разрешение цвета. В 1967 году видеостандарт PAL был адаптирован в Англии, Западной Германии и Нидерландах, а затем распространился и в других странах мира. Однако в Бразилии используется модификация этого стандарта, названная PAL-M, которая объединяет улучшенный диапазон цветности и частоту кадров, равную 30 кадрам в секунду, с 525 строками в кадре.

  В России телевидение использует стандарт SECAM (SEquential Couleur Avec Memoire). Частота кадров в SECAM соответствует частоте кадров в стандарте PAL. Для кодирования сигнала цветности используется частотная модуляция. Эта система также дает более высокое разрешение цвета, чем NTSC стандарт. Существуют две модификации SECAM стандарта - горизонтальный SECAM и вертикальный SECAM.

Так как частота кадров и количество строк соответствует стандарту PAL, есть возможность просматривать видео в формате SECAM на видеоплеере PAL стандарта (и наоборот), но в монохромном варианте.

Видеоформаты.

 Для хранения и воспроизведения видеоизображения применяются специальные устройства, называемые видеомагнитофонами. В зависимости от конструкции видеомагнитофонов видеоизображение хранится в различных видеоформатах.

Видеоформаты, прежде всего, классифицируются по ширине магнитной пленки. Все видеомагнитофонамы используют так называемые бобинные форматы (reel-to-reel formats), поскольку запись/считывание основаны на перемещении магнитной ленты вблизи магнитной головки видеомагнитофона.

Физический принцип действия видеомагнитофона основан на эффекте намагничивания. В момент записи изображения магнитное поле, создаваемое магнитной головкой, ориентирует магнитные элементы на ленте. При воспроизведении магнитная головка воспринимает магнитное поле, создаваемое магнитной лентой, и специальная электронная схема соответствующим образом формирует видеосигнал. Следует отметить недостатки такой системы записи/воспроизведения. Во-первых, система очень чувствительна к пыли и загрязнению. Во-вторых, с годами основа магнитной ленты стареет, что приводит к частичному осыпанию магнитного слоя и соответственному ухудшению изображения. В-третьих, в процессе эксплуатации видеолента может порваться, помяться, растянуться и т. д. Однако в настоящее время такой принцип хранения видеоизображения является доминирующим.

На качество воспроизводимого изображения влияет множество различных факторов. Основным из них является размер видеопленки и скорость протяжки ленты. В зависимости от конструктивных особенностей и предназначения видеомагнитофонов, применяются различные схемы записи. Например, бытовые магнитофоны используют видеокассету закрытого типа (что защищает ленту от пыли) с шириной ленты 1/2 дюйма. Такая же по размеру лента, но с другим магнитным покрытием используется в профессиональных видеомагнитофонах, работающих в стандартах S-VHS и Betacam.

В профессиональном телевизионном оборудовании используются не видеокассеты, а специальные бобины с видеолентой шириной 3/4 дюйма. Такая ширина ленты позволяет записывать видеоизображение более высокого качества с минимальными потерями при перезаписи и воспроизведении.

VHS (Video Home System) формат объединяет видеодорожку, предназначенную для записи видеоизображения в форме композитного сигнала, и звуковую дорожку для записи стереозвука стандарта Hi-Fi (High-Fidelity). Разрешение кадра VHS изображения составляет 240 строк, что позволяет записывать видеоматериал с удовлетворительным качеством. В связи с этим VHS стал массовым форматом при распространении видеопродукции для просмотра в домашних условиях на обычных телевизионных приемниках, но не был рекомендован для записи и обработки видеопродукции.

В 1987 году фирма JVC представила новый формат S-VHS (Super Video Home System). Он использовал такие же по размеру кассеты, как и VHS, но с лучшим магнитным слоем пленки. Важным отличием S-VHS является тот факт, что для получения большего разрешения кадра (в S-VHS 400 строк) используется видеосигнал формата Y/C, где яркость и цветность хранятся как отдельные сигналы. В связи с этим S-VHS дает улучшенное отношение основного сигнала к помехам в сигнале яркости и цветности. Этот стандарт также предусматривает запись Hi-Fi звука.

Представленный в 1985 году в качестве совместного стандарта нескольких производителей, формат 8 мм использует пленку самой маленькой ширины и самую маленькую кассету, что сделало его очень популярным для легковесных портативных камер (8 мм = 1/4" или 0.25 дюйма). Относительно небольшая поверхность компенсируется использованием пленки со специальным "металлическим" покрытием, позволяющим записывать сигналы высокого уровня. Конструкция видеоустройств формата 8 мм такова, что пленка огибает магнитную головку примерно на 30 градусов больше, чем в других вариантах. Это обеспечивает качество звукового сигнала аудио компакт-дисков.

В 1989 году улучшенной модификацией формата 8 мм был представлен формат Hi8. Диапазон несущей частоты яркости был расширен до 2 МГц, в то время как в формате 8 мм ширина диапазона - 1,2 МГц. В результате разрешение кадра изображения повысилось и стало более 400 строк, кроме того, улучшилось качество цветопередачи. В формате Hi8 впервые был применен прием, который достаточно давно применялся в профессиональной видеоаппаратуре. Совместно с видеоизображением и аудиосопровождением на ленту могут записываться синхрoнизирующие импульсы (тайм-код). При монтаже видеофрагментов синхронизация по тайм-коду позволяет осуществлять более качественный монтаж.

Формат Betacam SP (Superior Performance) является вторым поколением формата Betacam, разработанного фирмой Sony. Этот формат стал достаточно популярным в области промышленного и конечного телевещания, поскольку он использует форму компонентного видеосигнала на 1/2" пленке. Betacam SP может использовать как стандартные металлооксидные пленки, так и пленки с "металлическим" покрытием, что улучшает качество изображения.  

Цифровое видео.

Недостатки, присущие аналоговому способу воспроизведения видео, в конце концов привели к разработке цифрового видеоформата. На смену аналоговому видео пришло цифровое.

В области профессионального видео применяется несколько цифровых видеоформатов: D1, D2, Digital BetaCam и др. В отличие от аналогового видео, качество которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу. Хотя современный видеоряд базируется на цифровой основе, практически все цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют пленку с последовательным доступом. Поэтому большинству профессионалов в области видео все еще привычней работать с пленкой, чем с компьютером. Конечно, пленка в качестве источника данных пока еще остается более предпочтительной, чем жесткий диск компьютера, поскольку вмещает значительно больший объем данных.

Но зато для цифрового видеомонтажа использование компьютеров дает ряд существенных преимуществ: не только обеспечивает прямой доступ к любому видеофрагменту (что невозможно при работе с пленкой, поскольку к необходимым участкам можно добраться лишь последовательно просматривая видеоматериал), но и предполагает широкие возможности обработки изображения (редактирование, сжатие). Это достаточно веские причины для перехода видеопроизводства с традиционного оборудования на компьютерное.

Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук. Элементы видео хранятся в цифровом формате. Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стали стихийно возникать самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к некоторой путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы благодаря усилиям Международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organisation) выработаны единые стандарты на форматы видеоданных.

Для создания цифрового представления видеоизображения применяется следующая процедура. Аналоговые сигналы от видеоисточников, например, с камеры, преобразуются перед оцифровкой в цветовую систему YUV или в аналогичное цветовое представление. Затем полученный видеосигнал преобразуется в цифровую форму при помощи специального устройства, называемого "аналого-цифровой преобразователь" (АЦП, ADC - Analog-to-Digital Converter). Результат этого преобразования представляет собой последовательность байтов, кодирующих цвет каждого пикселя в кадре изображения. Объединение информации о каждом кадре формирует поток данных, полностью описывающих видеофрагмент. Видео - изображение в таком представлении можно в дальнейшем обрабатывать, хранить или передавать неограниченное число раз.

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.

Основные характеристики цифрового видео.

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами:

частота кадров (Frame Rate)

экранное разрешение (Spatial Resolution)

глубина цвета (Color Resolution)

качество изображения (Image Quality)

 Частота кадров (Frame Rate). Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала - 25 или 30 кадров/с (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). 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.

Между тем 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. Разумеется, подобный метод получил название non-interlaced видео. В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

 Глубина цвета (Color Resolution). Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-формате (красный-зеленый-синий), в то время как видео использует и другие методы. 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 глубины цвета: 8 бит/пиксел (256 цветов), 16 бит/пиксел (65,535 цветов) и 24 бит/пиксел (16,7 млн. цветов).

Для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксел (4:1:1 или 4:2:2, примерно 2 млн. цветов), и 8 бит/пиксел (4:4:4, примерно 16 млн. цветов).

Экранное разрешение (Spatial Resolution). Другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на экране. Так как мониторы PC и Macintosh обычно рассчитаны на базовое разрешение в 640 на 480 точек (пикселей), многие считают, что такой формат является стандартным. К сожалению, это не так. Прямой связи между разрешением аналогового видео и компьютерного дисплея нет. Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео.

Телевизионный стандарт NTSC предусматривает разрешение 768 на 484.

Стандарт PAL распространенный в Европе, имеет несколько большее разрешение - 768 на 576 точек.

Поскольку разрешение аналогового и компьютерного видео различается, при преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда масштабировать и уменьшать изображение, что приводит к некоторой потере качества.  

Качество изображения (Image Quality). Последняя, и наиболее важная характеристика -- 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).  

Сжатие видео.

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

Простейшие расчеты показывают, что 24-битное цветное видео, при разрешении 640 на 480 и частоте 30 кадров/с потребует передачи 26 Мбайт данных в секунду! Этот поток не только выходит за рамки пропускной способности шины компьютера, но и моментально съест любое дисковое пространство. Для наглядности приводим расчет.

 640 горизонтальное разрешение * 480 вертикальное разрешение

307,200 точек на кадр * 3 байтов на каждую точку/пиксель

921,600 всего байтов на кадр * 30 кадров в секунду

27,648,000 байтов в секунду

 Иногда для уменьшения этого сумасшедшего объема данных до разумного уровня достаточно оптимизировать один из вышеперечисленных параметров видеосигнала. Современные приложения (игры, компьютерные тренажеры, видеокиоски и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для них не требуется оцифровывать целый кадр. Изменим параметры видеосигнала и сделаем новый расчет для разрешения 320 на 240 и частоте 15 кадров/с.

 320 горизонтальное разрешение * 240 вертикальное разрешение

76,800 точек на кадр * 3 байтов на каждую точку/пиксель

230,400 всего байтов на кадр * 15 кадров в секунду

3,456,000 байтов в секунду

  Как видите, уменьшив размер изображения, можно добиться весьма существенного уменьшения объема данных, передаваемых в единицу времени. Но 3,3 Мбайт занимает всего лишь одна секунда видео. Для двухчасового фильма потребуется 23,73 Гбайт дискового пространства!

За счет дальнейшего уменьшения размера окна, понижения качества изображения и перехода с RGB формата на YUV (4:1:1) можно добиться еще некоторого снижения объема данных, примерно до 1,5 Мбайт/с. Но этого все равно явно недостаточно.

Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видео файлов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально сохранить качество оригинала. Различают сжатие обычное в режиме реального времени, симметричное или асимметричное, с потерей качества или без потери, сжатие видеопотока или покадровое сжатие.

  Сжатие обычное (в режиме реального времени). Термин real-time (реальное время) имеет много толкований. Применительно к сжатию данных используется его прямое значение, т. е. работа в реальном времени. Многие системы оцифровывают видео и одновременно сжимают его, иногда параллельно совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для качественного выполнения этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода видео для PC бытового класса не способны оперировать с полнометражным видео и часто пропускают кадры. Недостаточная частота кадров является одной из основных проблем для видео на PC. При производительности ниже 25 кадров/с видео перестает быть плавным, что нарушает комфортность восприятия. К тому же, пропущенные кадры могут содержать необходимые данные по синхронизации звука и изображения.

 Симметричное и асимметричное сжатие. Этот показатель связан с соотношением способов сжатия и декомпрессии видео.

Симметричное сжатие предполагает возможность проиграть видеофрагмент с разрешением 640 на 480 при скорости в 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялась с теми же параметрами.

Асимметричное сжатие - это процесс обработки одной секунды видео за значительно большее время. Степень асимметричности сжатия обычно задается в виде отношения. Так цифры 150:1 означают, что сжатие одной минуты видео занимает примерно 150 минут реального времени. Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достижения качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. К сожалению, при этом кодирование полнометражного ролика может занять слишком много времени, вот почему подобный процесс выполняют специализированные компании, куда отсылают исходный материал на кодирование (что увеличивает материальные и временные расходы на проект).

  Сжатие с потерей или без потери качества. Чем выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. Почти все методы сжатия видно приводят к потере качества. Даже если это не заметно на глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом.

  Сжатие видеопотока или покадровое сжатие. Это, возможно, наиболее обсуждаемый сегодня вид сжатия.

Покадровый метод подразумевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения.

Сжатие видеопотока основано на следующей идее: не смотря на то, что изображение все время претерпевает изменения, задний план в большинстве видеосцен остается постоянным -- отличный повод для соответствующей обработки и сжатия изображения. Создается исходный кадр, а каждый следующий сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, а фиксируется лишь разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент сжатия, практически сохранив при этом исходное качество. Однако в этом случае могут возникнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала, закодированного подобным образом.

 Коэффициент сжатия. Этот показатель особенно важен для профессионалов, работающих с цифровым видео на компьютерах. Его ни в коем случае нельзя путать с кэффициентом асимметричности сжатия. 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.

Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое качество видео. Различные варианты Motion-JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя даже при уровне в 20:1 уже трудно добиться нормального качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от параметров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения.  

Контроль параметров цифрового видео. Возможность контроля параметров цифрового видео особенно важна, если производительность вашей системы и пропускная способность шины ограничены (как это обычно и бывает). Хорошая система оцифровки и сжатия видео должна позволять задавать наиболее важные параметры для аппаратной и программной части видеосистемы. В некоторых применениях решающее значение имеет скорость воспроизведения видео (частота кадров/с), но при этом приходится отказаться от полноэкранного изображения. В других случаях вполне достаточно уровня в 15 кадров/с, но качество этих кадров должно быть идеальным.

Оборудование и программное обеспечение для оцифровки и сжатия видео должны иметь возможности управления этими операциями.

Форматы цифрового видео.

 Motion-JPEG.

Стандарт компрессии 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. Иногда этот стандарт называют "динамический" JPEG.

В основе схемы компрессии JPEG лежит дискретное косинусоидальное преобразование (DCT). К преимуществам JPEG относится тот факт, что каждый кадр сжимается независимо от остальных и для восстановления исходного изображения не нужно задействовать информацию из соседних кадров. Такое построение сжатых данных позволяет осуществлять произвольный доступ, коммутацию и монтаж видеофрагментов проще, чем при использовании других методов кодирования. Недостатком данного формата является относительно меньшая степень кодирования JPEG по сравнению с другими системами. Например, в системе с JPEG может понадобиться 20 Мбит для записи одной секунды видеоизображения "вещательного" качества, с разрешением 525/625 строк, что слишком много для компьютерной обработки.

 AVI (Audio Video Interleave).

Разработанный фирмой Microsoft метод сжатия, записи и воспроизведения движущих изображений (Live Video) и звука на компьютере с использованием только программных средств. Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение AVI.

AVI может иметь или не иметь звуковые дорожки. 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). Разные по типу видео и аудиоданные записываются в один файл на диске следующим образом: все информационные потоки разбиваются на множество равных частей (chunks) и затем записываются в один файл друг за другом по очереди. Например, сначала записывается заголовок; затем - 1-я часть видео; затем - 1-я часть звука; затем - 2-я часть видео; затем - 2-я часть звука и т. д.

Microsoft Video for Windows использует четыре основных кодека для сжатия AVI файлов цифрового видео - Microsoft Video 1, RLE compression, Cinepak Codec by SuperMatch и Intel Indeo Video R3.2 (INDEO - INtel viDEO).

Кодек Microsoft Video 1 предназначен для сжатия реалистических видеофрагментов и рассчитан на разрешение цвета не более, чем 16 бит.

Кодек RLE compression (run-length encoding) предназначен для сжатия в AVI анимаций.

Cinepak Codec by SuperMatch и Intel Indeo Video R3.2 используют 24-битное разрешение цвета и имеют достаточно большую степень сжатия - порядка 10:1.

 QuickTime.

QuickTime - стандарт, архитектура программного обеспечения, которая позволяет создавать, объединять и публиковать все типы цифровых мультимедиа данных. Используя QuickTime, программные приложения могут легко работать с широким кругом форматов файлов и кодеков.

QuickTime включает три основополагающих элемента - QuickTime видео формат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и богатый набор встроенных медиа - служб.

QuickTime видеоформат хорош тем, что он платформенно независим, открыт для расширения. В связи с названными преимуществами, поддерживается многими производителями. QuickTime видео также поддерживается на платформе Windows.

QuickTime слой абстрактного носителя определяет исчерпывающий набор сервисных функций покрывающих все аспекты создания, редактирования и воспроизведения цифрового материала.

Среди них:

· синхронизация по времени;

· компрессия и декомпрессия аудио - и видеоданных;

· преобразование форматов, масштабирование, смешивание и транскодирование;

· аудио - и видеоэффекты и переходы;

· синхронизация чтения и записи;

· захват данных;

· импорт и экспорт данных;

QuickTime поддерживает широкий набор типов мультимедиа данных (видео, аудио, текст, временной код, музыкальный MIDI - интерфейс, спрайты, анимацию и др.).

Формат QuickTime имеет несколько отличных друг от друга кодеков - Video, Animation, Cinepak, Graphics, Photo-JPEG и другие. Наиболее качественными являются кодеки Cinepak и Video.

 MPEG

В январе 1992 года группа экспертов в области движущихся изображений MPEG (Motion Picture Experts Group) представила первую часть стандарта для сжатия цифрового видео и звука - MPEG phase 1, или просто MPEG-1 (ISO 11172). Стандарт определяет методы компрессии и воспроизведения видео - и аудиоданных. Комитет MPEG также определил ряд других форматов для сжатого видео - и аудиоматериала. Форматы MPEG различаются по качеству результатов и скорости передачи данных:

MPEG-1: оригинальный формат для хранения и воспроизведения видео - и аудиоданных на мультимедиа носителях данных. Потенциально поддерживает телевизионное качество видео. Однако, при скорости передачи данных в диапазоне Кбайт/сек. качество сопоставимо с видеозаписью VHS (разрешение 352 х 228 (PAL) или 320 x 240 (NTSC) при частоте 25 или 30 кадров в секунду соответственно).

MPEG-2: более новый стандарт (утвержден в ноябре 1994 г.). Разработан как дополнение к стандарту MPEG-1. Поддерживает передачу высококачественного видео по высокоскоростным цифровым каналам. Интенсивность потока данных от до 2 до 10 Мбайт/сек. Разрешение 720х480 и 1280х720, частота 60 кадров в секунду со звуковыми данными CD-качества. Подходит для всех стандартов телевидения и даже систем телевидения высокой точности (High Definition Television). Используется при записи DVD дисков.

MPEG-4: предназначен для передачи видео и аудиоданных по низкоскоростным линиям. Этот формат расчитан для применения в системах видеотелефонии, мультимедийной электронной почте, электронных информационных изданиях и т. п.. Базируется на формате файлов QuickTime. MPEG-4, версия 1 одобрен в октябре 1998 г. Стандарт ориентирован на разрешение 174х144 пиксела при 10 кадрах в секунду и позволяет передавать данные со скоростью от 4800 до 64000 бит/сек. Формат MPEG-4 версия 2 должен быть одобрен в декабре 1999 г.

MPEG-7: стандарт представления содержания для информационного поиска.

MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео.

  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. Поскольку в большинстве моментов фон изображения остается достаточно стабильным, а действие происходит только на переднем плане, алгоритм MPEG начинает сжатие с создания исходного (ключевого) кадра. Играя роль опорных при восстановлении остальных изображений, они размещаются последовательно через каждые 10-15 кадров. Только некоторые фрагменты изображений, которые находятся между ними, претерпевают изменения, и именно эта разница сохраняется при сжатии. Таким образом, MPEG-последовательность содержит три типа изображений:

Intro (I) - исходные кадры, содержащие основное изображение;

Predicted (P) (предсказуемые) кадры и Bi-directional Interpolated (В) (двунаправленные) кадры сжаты с использованием предыстории, причем В-кадры используют как в предыдущих так и в последующих кадрах.

Изображения объединяются в группы (GOP - group of pictures), представляют собой минимальный набор повторяемых последовательных изображений.

Рекомендуемая MPEG последовательность: I B B P B B P B B P...

Отдельные изображения состоят из структурных единиц - макроблоков, соответствующих участку изображения размером 16Х16 пикселов. Компьютер анализирует изображения и ищет идентичные или похожие макроблоки, сравнивая базовые и последующие кадры. В результате сохраняется только данные о различиях между кадрами, называемые вектором смещения (vector movement code) .

Макроблоки, которые не претерпевают изменений, игнорируются, так что количество данных для реального сжатия и хранения существенно снижаются. Для повышения устойчивости процесса восстановления изображения к возможным ошибкам передачи данных последовательные макроблоки объединяют в независимые друг от друга разделы (slices). В свою очередь, каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости, а два определяют цветовые компоненты. Блоки являются базовыми структурным единицами, над которыми осуществляются основные операции кодирования, в том числе выполняется и дискретное косинусоидальное преобразование (DCT - Discrete Cosine Transform). В результате при использовании MPEG-технологии можно достигнуть рабочего коэффициента более чем 200:1, хотя это приводит к некоторой потере качества.