Цифровое видео на персональном компьютере

Содержание

Введение……………………………………………………………...................................................3

Что такое аналог?.................................................................................................................................4

Цифровое видео………………………………………………………………………...………...….5

Сжатие видеоданных ……………………………………..…….…………………..……………….7

Что такое кодеки?................................................................................................................................8

Методы сжатия видеоданных ………………………………………………………………………9

Что такое MPEG?...............................................................................................................................10

Носители цифрового видео………………………………………………………………………...12

Заключение………………………………………………………….................................................13

Список литературы …………………………………………..………..…………………………...14

Введение.

Вы, наверное, хорошо помните, как легко было жить в эпоху VHS (стандартные бытовые видеокассеты). Для того чтобы запустить фильм, достаточно было вставить кассету в видеомагнитофон, по удобнее устроиться перед телевизором и нажать кнопку «Play» на пульте управления. Все кассеты были одинаковыми, а наличие единого для всех бытовых видеомагнитофонов стандарта позволяло вам не иметь никакого представления о технической стороне вопроса: все необходимые знания ограничивались информацией о том, какой стороной вставить кассету в проигрыватель. Конечно, случались и проблемы - вспомнить хотя бы «зажёванную» плёнку, но технические сбои всегда возможны…

Те времена давно позади. Приход цифрового видео не только облегчил обмен клипами, роликами и фильмами (как своими, так и чужими; причём последнее зачастую незаконно) и создал новые возможности для их редактирования, но и породил множество проблем для пользователей, желающих просто посмотреть хороший фильм после тяжёлого рабочего дня. Открывая видеофайл загружённый из Интернета или переписанных с компьютера друга, вы никогда точно не знаете, что вас ожидает. Фильм может не проигрываться вовсе или проигрываться совсем не так, как вам хочется: изображение вполне может оказаться перевёрнутым или растянутым либо слишком тёмным.

Вы скажете, что с DVDдела обстоят не в пример лучше. Отчасти вы правы, но и тут есть свои недостатки: чего, стоит, например, защита, «привязывающая» ваш привод к дискам, произведённым для фиксированного региона. А что вы скажите о шифровании, не позволяющем сделать полагающую вам по закону резервную копию купленного за немалые деньги видеофильма или вырезать из записи «умопомрачительно остроумную» рекламу, которую отдельные производители не стесняются записывать на диск.

Давайте посмотрим, что такое цифровое видео, что оно из себя представляет и как оно работает, а также актуальные программы для работы с компьютерным видео.

Что такое аналог

.

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видеокомпоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. п.) в один сигнал. 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 усовершенствования этого формата привели к появлению различные его вариаций: S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.

Тем не менее, все вышеперечисленные форматы остаются аналоговыми по своей сути, и, следовательно, обладают одним существенным недостатком: при копировании дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Потеря качества при копировании видеоматериала аналогична фотокопированию, когда копия никогда не бывает такой же четкой и яркой, как оригинал.

Если вы присмотритесь к изображению на экране телевизора или монитора, то заметите, что оно состоит из небольших точек – пикселов, каждый из которых может иметь собственный цвет и собственную яркость. Все они в совокупности образуют картинку, а смена это картинки – двадцать пять раз в секунду – создаёт иллюзию движения. Задача видеозаписи – и аналоговой, и цифровой – состоит в том, чтобы сперва зафиксировать, а затем воспроизвести цвет и яркость всех пикселов в каждом кадре. И VHS- магнитофон, и DVD – проигрыватель решают именно эту задачу. Но делают это совершенно по – разному.

В случае с аналоговым видео (а именно оно бывает записано на VHS-кассетах) все, что мы видим на экране или слышим через динамики, определяется степенью намагниченности плёнки в определённом месте ленты. Хотя механизм записи довольно сложен, в основе его лежит простой принцип, использовавшийся еще в фонографе: магнитная запись фиксирует «образ» сигнала, легко восстановимый с помощью относительно несложной техники. Но с течением времени плёнка размагничивается и звук становится тише, а изображение – едва различимым.

Цифровое видео

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

Цифровое видео хранится в файлах, имеющих достаточно сложную структуру. Точно так же, как киноплёнка или VHS-кассета, видеофайл должен содержать и «картинку», и звук. Проблема здесь состоит в том, что записывать данные можно по–разному – а значит, возможны разные виды или форматы файлов, несовместимые между собой и обладающие разными свойствами. Например, файлы, записываемые на видео DVD, содержат меню, несколько аудиодорожек и субтитры, а в видеофайл формата MOV можно записать несколько видеодорожек и информацию о прозрачности.

Если в файл будут записываться все данные для каждого пиксела стандартного телевизионного экрана, одна секунда фильма потребует примерно 20Мб дискового пространства. Часовая запись займёт в этом случае «всего-навсего» 70 Гб – согласитесь, что даже при современных ценах на жёсткие диски это слишком много. Для уменьшения объёма результирующих файлов в цифровом видео используется сжатие данных.

Сжатие видеоданных.

Следует исходить из разумной достаточности при определении необходимой степени сжатия. 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.

Если вам приходилось, когда ни будь иметь дело с киноплёнкой, вы знаете, что соседние кадры отличаются друг от друга весьма незначительно, а основная часть картинки остаётся неизменной. Это значит, что записывать на диск кадры целиком не обязательно: для коррективной передачи движения вполне достаточно описать лишь изменения, произошедшие в кадре. Именно так и работает сжатие видео: целиком записываются только некоторые «ключевые» кадры, а остальные получаются из них с помощью преобразования отдельных фрагментов: сдвига, вращения, изменения интенсивности… В результате размер видеофайла можно уменьшить в десятки и сотни раз, сделав его вполне пригодным для записи на стандартный CD или трансляции по Интернету. Сжимается и звук, но, в этом случае принцип иной: сохраняется только информация, хорошо воспринимаемая человеческим слухом. Вариантов сжатия существует множество, и форматы файлов в большинстве случаев не имеют к ним никакого отношения. Как именно «упаковано» именно это видео или конкретно этот звук – формат файла не имеет к нему непосредственного отношения.

За восстановление полученных из видеофайла данных отвечают программы, называемые кодеками.

Что такое кодеки?

Кодеки – это небольшие утилиты, которые выполняют функции «посредников» между файлами и программами для работы со звуком или видео (плеерами, редакторами и другими приложениями). При открытии файла плеер определяет, какой кодек использовался для его сжатия, и передаёт ему сжатые данные для расшифровки, а затем получает обратно. При записи файла кодек отвечает за сжатие: в этом случае он получает «сырые» данные, сжимает их и передаёт в программу-редактор.

Техническая реализация кодеков может быть разной. Некоторые из них интегрируются в операционной системе, а некоторые оформляют в виде модулей, подключаемых к отдельным программам.

Как мы уже отметили, форматов кодирования множество. Если вы запустите любую программу для работы с кодеками (например, GSpot), то убедитесь, что только на вашем компьютере их установлено не меньше двух сотен. И все они (или, по крайней мере, большая их часть) совершенно необходимы для того, чтобы вы могли без проблем смотреть фильм и слушать музыку.

А теперь представьте, что этих кодеков не существует и каждый проигрыватель должен выполнять их работу «своими силами» и собственным неповторимым способом. В этом случае программные плееры получились бы слишком «тяжелыми». К тому же неизбежны были бы серьёзные проблемы с совместимостью – ведь каждая компания – разработчик захотела бы создать свой собственный кодек, чуть – чуть отличающийся от используемого в плеерах конкурентов. Не исключено, что вам пришлось бы держать отдельный проигрыватель для фильмов, сжатых кодеков DivX, отдельный – для роликов, «упакованных» с помощью Xvid, и еще полтора десятка – для каждого из менее распространенных форматов.

Если бы в каком – то из плееров обнаружилась ошибка при воспроизведении того или иного формата, вам пришлось бы менять его на другой или дожидаться обновления; а ведь большие программы обновляют далеко не так быстро. Как нам бы этого хотелось. С кодеками же все просто: для того чтобы поправить проблему с воспроизведением, в большинстве случаев достаточно обновить один небольшой файл.

Методы сжатия видеоданных.

Как выбрать метод сжатия? Методы сжатия данных используют математические алгоритмы для устранения, группировки или усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма зависит от вашей конечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, но только Motion JPEG (Joint Photographic Experts Group), MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео.

Практически все рассматриваемые ниже видеоплаты построены на основе одного из двух методов компрессии: Motion-JPEG или MPEG. Нелегко судить о преимуществе одного формата над другим, тем более что области применения этих форматов несколько различаются, так как технология MPEG кодирования и монтажа до последнего времени была более дорогостоящей и сложной. Большую роль сыграло и анонсирование спецификаций формата MPEG-2, который ляжет в основу новых видеотехнологий не только на компьютерах, но и применительно к телевидению и кино. Судя по всему, этот формат в совокупности с новыми CD-дисками высокой плотности (DVD) основательно изменит привычный видеорынок. Без сжатия очень трудно обеспечить непрерывную передачу видео со скоростью 21 Мбайт/с (требования CCIR 601 - признанного в мире стандарта цифрового телевидения), а объемы и стоимость хранения несжатых видеоданных на дисках фактически делает невозможным применение персонального компьютера для чернового монтажа. Качество сжатия варьирует в довольно широких пределах; обычными для современных видеосистем являются коэффициенты сжатия от 1:4 до 1:100. Для цифрового оборудования, которое используется при нелинейном монтаже видео с вещательным (1:4 и менее) качеством влияние сжатия может быть особенно заметным. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два стандарта сжатия: Motion-JPEG и MPEG, но какие бы совершенные алгоритмы при этом ни применялись, неизменным остается одно: чем выше коэффициент сжатия - тем хуже качество. Методы сжатия сводятся к анализу изображения, на основании которого делаются предположения обо всем изображении в целом, что изначально допускает возможность погрешности. Применение подобных интегральных оценок к разным картинкам при сжатии дает разные результаты. И даже если сжатие позволяет достичь прекрасных результатов на картинке с плавными переходами и небольшими шумами, то обработка резкого и зашумленного изображения может привести к худшим результатам.

Что такое
MPEG?

MPEGрасшифровывается как MotionPictureExpertGroup(Экспертная группа по кинематографии). Это группа специалистов, занимающихся проблемами кодирования видео и разработкой соответствующих стандартов, определяющих способы кодирования, применяемые в различных областях. Именно об этих стандартах мы говорим, когда употребляем термины MPEG-1(качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1, во много аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители), MPEG-2(спецификация MPEG-2 подразумевает использование высоких разрешений для достижения максимального качества изображения, поэтому этот формат применяется в первую очередь профессионалами) или MPEG-4. Интересно, что даже известный всем без исключения формат сжатия звуковых файлов МР3 – это тоже результат работы MPEG! Его полное название - MPEG-1 AudioLayerIII.

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 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.

Исходные кадры имеют довольно низкий коэффициент сжатия и составляют основу MPEG-файла. Именно благодаря им возможен случайный доступ к какому-либо отрывку видео. Предсказуемые кадры кодируются относительно предыдущих кадров и обычно используется как сравнительный образец для дальнейшей последовательности Предсказуемых кадров. В этом случае достигается высокий коэффициент сжатия, но при этом для их привязки к видеопоследовательности необходимо использовать не только предыдущие, но и последующее изображение. Сами Двунаправленные кадры никогда не используются для сравнения.

Изображения объединяются в группы (GOP – groupofpictures), представляют собой минимальный набор повторяемых последовательных изображений.

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 (vectormovementcode). 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 преобразование (DCT – DiscreteCosineTransform) .В результате при использовании MPEG-технологии можно достигнуть рабочего коэффициента более чем 200:1, хотя это приводит к некоторой потере качества.

Видеопоследовательности, сжатые в соответствии с форматами MPEG-1 и MPEG-2 , различаются объемом информации и, как следствие, качеством. Хотя алгоритм MPEG-1 может работать с разрешением вплоть до стандарта CCIR-601 (720х470), обычно видео кодируется при значительно более низкой интенсивности потока данных, что приводит к худшему качеству воспроизводимого видео. Качество MPEG-1 обычно ассоциируется с качеством VHS только в формате (352х240). При воспроизведении такое изображение «растягивается» аппаратными или программными средствами до полного экрана, и хотя при этом теряется качество, зато остается возможность проигрывать полноэкранное видео даже с двухскоростным CD-ROM.

MPEG-2 поддерживает более высокие разрешения (в том числе и CCIR-601). При этом объем файлов MPEG-2 примерно в четыре раза больше относительно файлов MPEG-1, что позволяет записывать полноэкранные фильмы «вещательного» качества. Этот формат избран для использования в новом поколении видеодисков на основе технологии DVD, а в скором времени станет доминировать и на персональном компьютере. В отличие от MPEG-1 для MPEG-2 необязательно наличие GOP-групп, и даже при отсутствии GOP-заголовка можно получить прямой доступ к видеофрагменту. Другой ключевой особенностью MPEG-2 является присутствие в нем расширений, которые позволяют при записи разделить видеосигнал на два (ли более) независимо кодируемых потока данных, представляющих видео в различных разрешениях, т.е. с лучшим или худшим качеством изображения. Это делается с целью создания независимых потоков данных определенной интенсивности в рамках одного видеосигнала. Такая функция важна, если необходимо одновременно транслировать ТВЧ и стандартный телевизионный сигнал.

Носители цифрового видео.

Носителем цифрового видео может быть ваш винчестер или гибкий диск, но винчестер далеко не унесешь, а на дискету не поместится достаточное количество видео, да к тому же воспроизвести с дискеты видео вряд ли удастся. В мире для переноски и распространения видеопродукции используется ряд форматов компакт дисков.

Video-CD –это формат, который позволяет записывать MPEG-видео на CD-диск и воспроизводить его на любом оборудовании, поддерживающем формат.

Технология DVD (Digitalversatile/Videodisc) заняла достойное место в зале компьютерной славы. После года активной рекламы DVD-плеер вышел на рынок мультимедиа - и видеопродукции. DVD-плеер это устройство стоимостью 600-700 долларов, которое можно подключать к телевизору или персональному компьютеру для проигрывания дисков емкостью 4,7Гб с высоким качеством воспроизведения аудио- и видеоинформации. В связи с тем, что диск имеет большой объем, появился новый вид видеопродукции - интерактивное видео. Интерактивное видео - это фильм длиной около часа, причем главный герой фильма каждые пять-десять минут попадает в ситуации, в которых ему надо сделать выбор, что делать дальше. Выбор продолжения сюжета (одного из 3-4 предложенных) ложится на плечи зрителя.

Для записи на DVD или на любой другой носитель информации сжатого видео необходимо иметь систему, состоящую из мощного процессора, платы для аппаратного сжатия видео (можно пользоваться программными средствами, но качество и скорость их работы значительно хуже).

Заключение.

Стандарты цифрового видео модифицируются так быстро, что уже очень скоро (через какие ни будь 5-10 лет) мы будем смотреть высококачественное телевидение, основанное на одной из новых технологий сжатия видео. Получать огромное количество информации за единицу времени (за счёт большого коэффициента сжатия) из всемирной сети Internet .

Список литературы
.

1. Новый справочник школьника. 5-11 класс. Универсальное пособие. Т .2. – СПб.: ИД «ВЕСЬ», 2003.-704 с., ил.

2. Multimedia Digest: HTTP://www.online.ru/sp/mpc/digest

3. Железо IBM 97 стр.121-123

4. Крупнейший европейский журнал о компьютерах CompaterBild(русское издание) №09/2007 год.

5. Мир ПК 3’97 стр.172-184