7 Компьютерные средства обеспечения видеотехнологий

В настоящее время для записи или воспроизведения видео довольно часто используются аналоговые видеоустройства: аналоговые видеокамеры, видеомагнитофоны, телевизоры и т. д. Однако развитие цифровых аппаратных средств позволило обрабатывать видеоизображения на компьютере. Плюсы цифровой обработки заключаются не только в хорошем ее качестве, сколько в тех возможностях, которые она предоставляет для монтажа. Но до того, как работать с видео на компьютере, его нужно оцифровать, так как компьютер понимает только цифровые сигналы. Эту задачу и призваны решить платы ввода/вывода видео (видеобластеры). Хорошей альтернативой видеобластерам являются цифровые видеокамеры, которые позволяют передать изображение в компьютер напрямую. Для этого камеры оснащаются компьютерным интерфейсом (в последнее время это IEEE1394, шина USB), так что необходимость в каких-либо специальных дополнительных устройствах отпадает.

Простейшими устройствами захвата видео являются видеоплаты с TV-входом. Они позволяют просматривать изображение, полученное с видеокамеры, магнитофона, тюнера или другого бытового видеоустройства, на экране монитора, сохранять отдельные кадры или даже видеопоследовательность (часто со звуковым сопровождением, тогда видеокарта должна иметь аудио вход) на диск - здесь главным образом нужна только соответствующая программная поддержка. Однако такие мультимедийные видеоадаптеры не являются настоящими платами видеомонтажа, оцифровка видео для них скорее побочная задача, которую они решают не совсем хорошо. Для серьезной же оцифровки аналогового видео и последующего монтажа нужны специализированные системы. Такими системами являются устройства, позволяющие:

-Принимать аналоговый сигнал (от видеомагнитофона, аналоговой камеры) на один из нескольких (числом не менее трех) выбираемых программным способом входов.

-Оцифровывать сигнал и отображать его в реальном времени на экране монитора (то есть его можно использовать как телевизор) в окне или на весь экран.

-Аппаратно сжимать (при необходимости) отдельные кадры видеопоследовательности и сохранять их в файлы на диске.

-Аппаратно сжимать видео со звуком и писать его на диск в файл соответствующего формата.

-Выводить изображение на внешнее аналоговое устройство (скажем, телевизор или видеомагнитофон) с помощью имеющихся на устройстве аналоговых выходов, причем желательно, чтобы декодирование компрессированного видеофайла выполнялось аппаратно самой платой.

Последние три особенности подобного рода систем и являются их основным отличием от видеокарт с видеовходом и возможностью записи видео, так как при использовании последних кодирование и декодирование обычно осуществляется программным способом, что требует наличия достаточно мощного процессора. Необходимость сжатия обуславливается тем, что некомпрессированный поток цифровых видеоданных имеет весьма приличные размеры, и для записи изображения хорошего качества потребуется носитель (жесткий диск), который обеспечивал бы скорость записи не менее 20-30 Мбайт/s. И хотя большинство современных HDD могут работать в таком режиме, нельзя гарантировать, что они смогут делать это достаточно продолжительное время, тем более что тогда сильно возрастает нагрузка на систему, и параллельный запуск каких-либо приложений может обернуться весьма неприятными последствиями в виде пропуска кадров или полной остановки записи.

MJPEG

Стандарт MJPEG основывается на отдельном кодировании каждого кадра и объединении полученной последовательности в файл (формат AVI). Компрессия кадров осуществляется по JPEG-алгоритму (Joint Photographers Expert Group), когда каждая картинка разбивается на блоки размером по 88 пикселов и представляется в векторной форме путем дискретного косинусного преобразования и высокочастотной фильтрации полученного спектра. В результате на границах блоков нарушается гладкость изображения, поэтому характерным признаком JPEG является блочная структура. Правда, при сжатии не более 1:15 эти искажения не сильно заметны. По сути AVI-файл представляет собой последовательность независимых JPEG-рисунков. Так как каждый кадр кодируется независимо от других, то возможно легкое покадровое редактирование ролика. Стандарт предусматривает возможность выбирать желаемый уровень компрессии и нужное разрешение. Это очень полезно, так как, например, не имеет смысла кодировать сигнал с телеэфира с разрешением больше 320*240 и низким уровнем сжатия. Поток 4-6 Мбайт/s соответствует качеству профессиональной аппаратуры формата Betacam (при коэффициенте сжатия не выше 5), а видеопоток 2-3 Мбайт/s эквивалентен качеству, характерному для формата S-Video (при этом уровень компрессии равен 1:10). Другим большим достоинством формата является его симметричность, то есть для кодирования и декодирования необходимы одни и те же вычислительные затраты. Эти факторы позволили алгоритму MJPEG стать стандартным в области мультимедиа, и видеобластеры, как правило, используют именно MJPEG-кодек. Кроме видео, стандарт AVI позволяет также записывать стереозвук.

Из недостатков стандарта можно отметить не большую эффективность сжатия, а также невозможность создания AVI-файлов размером более 2 Гбайт. Для преодоления этого ограничения применяются различные ухищрения. Их реализация может существенно различаться, но в конце концов она сводится к созданию нескольких взаимосвязанных файлов. Решающее значение здесь имеет то, насколько хорошо программное обеспечение видеобластера умеет переключаться между файлами и делать это незаметно. Современные платы видеомонтажа позволяют создавать и воспроизводить видеофайлы неограниченного размера (это зависит только от емкости носителя), причем переключение между различными файлами происходит для пользователя совершенно незаметно. Следует заметить, что в старых моделях использование нескольких AVI-файлов может сопровождаться некоторыми проблемами, а иногда оно и вообще невозможно.

MPEG

Вторым популярным стандартом является MPEG (Moving Picture Expert Group), в основу которого положены более изощренные способы сжатия видеоданных. Основным принципом является устранение временной избыточности, которой в той или иной степени обладает тот или иной видеопоток. Дело в том, что смежные кадры чаще всего содержат одни и те же объекты сцены, что позволяет ограничиться только передачей межкадровых различий.

При тех же скоростях передачи данных MPEG обеспечивает значительно лучшее качество изображения по сравнению с MJPEG. Сначала путем все тех же JPEG-преобразований уменьшается избыточность внутри кадра, а затем алгоритмы MPEG, анализируя происходящие в различных кадрах изменения, осуществляют дальнейшее сжатие, уже практически без потери качества. Избыточность устраняется с помощью метода компенсации движения (motion compesation), то есть основным носителем видеоданных является какой-то один ключевой кадр, а некоторое количество других смежных кадров восстанавливается из него путем применения специального алгоритма. Например, если последовательность кадров изображает летящий в чистом небе самолет, то будут учитываться только изменения положения самолета на экране, а информация, ответственная за внешний облик самого самолета и неба запишется только один раз (причем она, как уже говорилось, сожмется по JPEG'у). Если быть точнее, то MPEG определяет три типа кадров: ключевые (Intra frames, I-кадры), зависимые (Predicted frames, P-кадры) и двусторонние (Bi-directional, B-кадры). Ключевые кадры, как уже говорилось являются основой MPEG-файла. Они записываются с высоким разрешением и обеспечивают произвольный доступ к информации. Каждый зависимый кадр описывается как ссылка на предшествующий ему ключевой и другой зависимый кадр и имеет среднюю степень сжатия. Двусторонние же кадры имеют наибольшую степень сжатия, они имеют двунаправленную ориентацию, ссылаясь как на на предыдущие, так и на последующие кадры.

Как и MJPEG, MPEG тоже позволяет записывать звуковое сопровождение. Звук также подвергается компрессии, которая устраняет из звукового потока неслышимые или плохо слышимые составляющие аналогично алгоритму MP3. Благодаря таким преобразованиям удается уменьшить размер данных больше чем в 100 раз при не значительной потере качества, хотя она и заметна (особенно это касается звука). Недостатком стандарта является его ассиметричность, то есть для кодирования нужны значительные объемы сложных вычислений, в то время как восстановление (декодирование) может быть выполнено на сравнительно маломощных аппаратных средствах. Наибольшее распространение алгоритм получил в области бытовой записи фильмов, так как там необходимо обеспечивать большой коэффициент сжатия при приемлемом качестве. MPEG первоначально стал широко применяться в Video CD, а позднее и в DVD (правда, там используется усовершенствованная версия - MPEG-2, но об этом немного ниже), и сегодня является стандартным для записи фильмов, предназначенных для просмотра на бытовой аппаратуре.

Описание основных проблемы, которые могут возникать при использовании этого алгоритма:

-Грязное оконное стекло (Dirty Window Pane). Этот дефект состоит в том, что объекты на экране выглядят так, как будто смотрите на них сквозь дымку - кажется, что между наблюдателем и экраном натянута мутная пленка. Более всего такой эффект заметен на фрагментах с большими темным областями, а порождается он ошибками в работе кодера, декодера или того и другого.

-Танцующие глаза (Dancing Eyes). При MPEG-кодировании иногда теряются мелкие детали на изображении человеческого глаза. В результате в отснятом материале вдруг обнаруживаются моргание или слезы, хотя в действительности ничего подобного не происходило.

-Призрачные следы (Ghostly Trails). Дефект заключается в появлении облака частиц, сопровождающего движущиеся объекты: это либо своеобразные хвосты, либо зыбкие переливающиеся границы вокруг быстро движущегося объекта. Появляется, когда кодер или декодер не успевает за движущимся элементами сцены и воспроизводит их просто наугад.

-Танцующие цвета (Dancing Colors). Ошибки в оценке движения могут вызвать переливающуюся цветную радугу на больших поверхностях движущихся одноцветных предметов, таких как, например, автомобиль.

-DCT-блочность (DCT Blockiness). На большой части экрана заметны правильные квадратики размером 8х8 или 16х16 пикселов. В их появлении виновно дискретное косинусное преобразование (Discrete Cosine Transform, DCT), используемое для сжатия кадра. Когда углы и вершины этих блоков попадают на границы изображения, появляются дополнительные искажения. Для уменьшения этих искажений используется уменьшение размеров блоков до 2*2 или 4*4.

-Сжатие яркости (Luminance Compression). Этот дефект состоит в резком усилении контрастности изображения. Весь диапазон яркости от светлого до темного может неправильно интерпретироваться DCT-кодером или механизмом оценки движения. Например, если во время съемки прекращает работать вспышка или камера следует за объектом, движущимся из ярко освещенного места в в тень, сцена может показаться распавшейся на части.

-Цветные полосы (Color Banding). Узоры, появляющиеся после компрессии/декомпресии, обычно вызываемые шумом в аналоговых схемах монтажных систем. Для устранения дефекта можно переходить к более глубокому кодированию цвета, однако это заставляет увеличивать объем памяти монтажной системы.

-Шевелящийся фон (Busy Background). Обычно неподвижные области фона (и некоторые элементы переднего плана) кажутся живыми или шевелящимися, как будто маленькие частицы бродят по их поверхности. Техническое название этого явления - шум квантования. Системы, имеющие улучшенные АЦП или оперирующие более чем с 8 битами на каждый цвет, меньше подвержены этому эффекту

Качество MPEG довольно сильно зависит от применяемого кодера (или декодера), так что для получения хорошего эффекта кодер/декодер должен работать без большого количества ошибок и использовать изощренный алгоритм кодирования/декодирования. Это в равной степени относится как к аппаратным средствам, так и к программным кодерам и проигрывателям.