3 Конвертирование и сжатие видеоинформации. Форматы цифрового видео. Телевидение высокой четкости. Программное обеспечение для обработки видеоинформации.

3.1 Конвертирование и сжатие видеоинформации. Форматы цифрового видео mpeg, dv, wmv, hdv. Телевидение высокой четкости. Основные форматы видеозаписи цифровых камер.

Видеоданные по своей природе занимают чрезвычайно большой объем. Так в формате DV поток видео составляет примерно 25 Мбит/сек, а часовая запись занимает 12-14 ГБ памяти. В настоящее время необходимо передавать постоянно растущие объемы видео по различным сетям, поэтому задача создания оптимального по соотношению качество/объем способа кодирования видео продолжает оставаться актуальной. Цифровое сжатие видео заключается в удалении избыточной информации, из потока видеоданных после преобразовании аналогового изображения в цифровое (последовательность единиц и нулей). В результате общий объем данных уменьшается в десятки раз. При воспроизведении сжатое видео декодируется при помощи специального устройства или программы. Для преобразования видео и аудио данных в сжатый формат и последующего воспроизведения используются специальные программы – кодеки.

Конвертирование видео или аудио – это изменение их формата представления или преобразование из одного формата в другой.

Специалисты в этой области уже много лет разрабатывают стандарты и методы эффективного сжатия видео. В настоящее время существует несколько технологий сжатия изображений.

В 1988 году была создана Группа экспертов по движущимся изображениям (англ. Motion Pictures Experts Group, MPEG). Ее основной задачей стала разработка стандартов сжатия видео- и аудиоинформации. Принятые группой стандарты MPEG-1 и MPEG-2 получили чрезвычайно широкое распространение и стали основными способами преобразования изображения и звука в потоки сжатых цифровых данных. Стандарты MPEG особенно популярны в области сжатия видео, и используются во множестве приложений - от предназначенных для персональных компьютеров до интерактивного телевидения и спутниковых каналов связи.

В 1992-93 году этим комитетом был разработан формат MPEG-1, ориентированный на разрешение видеокадра, известное под названием SIF (англ. Source Input Format, формат источника сигнала), - 352х240 пикселей при 30 кадрах в секунду. Это лишь четверть стандартного широковещательного телевизионного разрешения, известного под названием CCIR 601 (720х480 пикселей). Приведенные цифры относятся к стандарту NTSC. Система MPEG совместима также с европейским стандартом видеосигнала PAL.

Стандарт MPEG-1 состоит из трех частей - видео, аудио и системной. Системная часть стандарта объединяет потоки видео- и аудиоданных, синхронизируя их по времени.

Высокая эффективность сжатия достигается за счёт хранения не всех кадров видео – большинство из них получается преобразованием на основе довольно сложного алгоритма. Все кадры подразделяются на следующие категории (рис. 3.1):

Рис. 3.1 Последовательность I, P, B кадров в GOP

- I (Intra) кадры – опорные, сохраняемые в виде обыкновенных картинок;

- P (Predicted) кадры – «предсказанные», вычисляемые на основе предыдущих I или P кадров;

- B (Bidirectional) кадры – «двунаправленные» вычисляемые на основе одного или двух I или P кадров, находящихся до и после вычисляемого.

Для удобства кодирования видеоданных весь видеопоток разбивается на группы, называемые GOP (англ. Group of Pictures), каждая из которых состоит из кадров I, P, B (рис. 3.1). Чем чаще идут I-кадры, тем выше качество изображения и больше размер видеофайла. Обычно I-кадры появляются 1-2 раза в секунду, Р-кадры встречаются гораздо чаще: по стандарту это каждый третий кадр.

В алгоритме кодирования для предсказания движения каждый кадр разбивается на блоки 8х8 пикселей, вычисляются и кодируются как векторы движения блоков, так и изменение самого блока. Блоки хорошо видны при быстром движении в кадре: картинка просто «рассыпается» на множество квадратиков.

Первоначально стандарт MPEG-1 планировалось использовать в видеоконференциях для нужд бизнеса, но вскоре он стал применяться в спутниковом телевидении и первых видеодисках (VCD). Для записи одного фильма обычно требовалось 2 диска CD-R. Сжатое цифровое видео имело качество, сопоставимое с качеством бытового видеомагнитофона, но компакт-диски обладали рядом преимуществ.

Максимальная скорость пересылки данных, обеспечиваемая стандартом MPEG-1, составляет 150 кбит/с. Эта скорость, нормальная для стандартных дисководов CD-ROM, не позволяет получить изображения, сравнимого по качеству с телевизионным радиовещательным стандартом. По этой причине как дополнение к формату MPEG-1 в 1994 году появился формат MPEG-2, в котором по сравнению с MPEG-1 изменились алгоритмы оцифровки сигнала и степень сжатия, а битрейт увеличился до 9 Мбит/с. Главным отличием формата MPEG-2, которое кардинально улучшило качество кодирования по сравнению с MPEG-1, стал алгоритм удаления избыточной видеоинформации (было установлено, что более 95% видеоданных избыточны). Усложнился алгоритм разбиения на блоки, и изображение быстрого движения почти перестало «рассыпаться» на квадратики. Появились алгоритмы разбиения картинки на слои и отдельного кодирования каждого слоя.

Формат MPEG-2 изначально ориентировался на работу с видео разрешения CCIR 601 (704х480 пикселей в формате NTSC, 704х576 пикселей в формате PAL) и, как следствие, - на использование более высоких скоростей передачи информации. Формат MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развёртке. После изобретения цифрового многоцелевого диска (англ. DIGITAL VERSATILE DISK) этот формат стал основным форматом сжатия видеоданных в DVD системах. Поэтому MPEG-2 сейчас ассоциируется в первую очередь с DVD-видео дисками. На DVD-видео диске хранится во много раз больше информации, чем на CD. Видео существенно большего качества и разрешения, шесть каналов звука также повышенного качества.

Стандарт DVD накладывает ограничения на MPEG-2 видео:

- допустимые разрешения:

720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 пикселей (NTSC);

720 × 576, 704 × 576, 352 × 576, 352 × 288 пикселей (PAL);

- допустимые соотношения ширины и высоты (англ. Aspect ratio): 4:3 и 16:9;

- допустимое число кадров в секунду:

29.97 к/с (NTSC) и 25 к/с (PAL).

Параллельно с разработкой стандарта MPEG-2 создавался стандарт MPEG-3, ориентированный на использование в системах телевидения высокой четкости (HDTV, англ. High Definition Television) с разрешением 1920х1080 при 30 кадрах в секунду. Необходимая скорость передачи данных от 20 до 40 Мбит/сек. Однако было установлено, что в системах телевидения высокой четкости после небольшого усовершенствования можно использовать стандарт MPEG-2. Стандарт MPEG-3 в настоящее время не применяется. Иногда MPEG-3 путают с распространённым способом кодирования аудио – mp3. На самом деле mp3 – это сокращённое обозначение формата аудио MPEG Layer3.

Новым шагом в развитии алгоритмов сжатия изображения стал стандарт MPEG-4 для мультимедиа приложений: версия 1 (октябрь 1998) и версия 2 (декабрь 1999). В начале его разработки в 1993 г. ставилась задача достичь приемлемого качества изображения при как можно меньшей скорости передачи информации, но фактически этот стандарт шагнул далеко вперёд. Для него были разработаны принципиально новые алгоритмы сжатия.

MPEG-4 стал не просто стандартом сжатия, хранения и передачи видео или аудио информации. Стандарт MPEG-4 - это новый способ представления информации, это объектно-ориентированное представление мультимедиа данных. Стандарт оперирует объектами, организует из них иерархии, классы и прочее, выстраивает сцены и управляет их передачей. Объектами могут служить как обычные аудио или видео потоки, так и синтезированные аудио и графические данные (речь, текст, эффекты, звуки). Для их описания используется специальный язык.

На настоящий момент существует несколько версий стандарта:

ISO 14496-1 описывает устройство файлов с видео формата MPEG-4, включая анимацию и интерактивность (похоже на DVD меню);

ISO 14496-2 определяет формат видео №1, усовершенствованный простой профайл (англ. Advanced Simple Profile - ASP), которому соответствуют кодеки Xvid, DivX;

ISO 14496-3 определяет формат аудио, усовершенствованное кодирование аудио (англ. Advanced Audio Coding - AAC)

ISO 14496-10 определяет формат видео №2, усовершенствованное кодирование видео (англ. Advanced Video Coding - AVC), известный как H.264.

Большое практическое применение находит сравнительно недавно созданный стандарт AVC H.264, идентичный стандарту ISO MPEG-4 part 10.

Стандарт H.264 является результатом коллективной работы команды, известной как JVT (англ. Joint Video Team form of experts from ITU and ISO), что буквально переводится как объединенная команда видео экспертов, сформированная международной организацией по стандартам ISO и международным союзом телекоммуникаций. Работа над проектом стандарта H.264 была завершена в мае 2003 года, а в июле 2003 стандарт был формально утвержден.

Особенности MPEG-4 AVC H.264:

- более сложный алгоритм предоставляет более высокую эффективность сжатия и более высокое качество;

- требует скорости потока более чем в 2 раза меньшей по сравнению с MPEG-2 при равном качестве картинки;

- поддерживает эффективные инструменты дополнительной энтропии такие как CABAC (англ. Context- Adaptive Binary and Arithmetic Coding);

- размер блока компенсации движения от 4×4 до 16×16;

- множественность опорных кадров;

- вещательный уровень – главный профайл (англ. Main Profile);

- включен как формат сжатия для Blu-ray диска.

Главное достоинство формата MPEG-4 – способность обеспечить видео почти DVD качества на одном-двух дисках CD. На DVD диск можно поместить фильм формата MPEG-4 с разрешением 1024х768 и больше.

Формат DV. В 1993 г. компании Sony, Matsushita (Panasonic), JVC, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo, Sharp, Philips и другие создали консорциум Digital Video Cassette ("Цифровая видеокассета") или DVC. Позже аббревиатура названия сократилась до DV. Совместными усилиями эти фирмы разработали бытовой цифровой стандарт видеозаписи на ленту шириной 6,35 мм (четверть дюйма) с напылением металла. Это усовершенствованная разновидность формата MJPEG (Motion JPEG), в котором сжатие видео происходит покадрово - каждый кадр видео (статическая картинка) сжимается по алгоритму JPEG с выбранным коэффициентом компрессии. Усовершенствование DV состоит в том, что коэффициент компрессии может быть переменным в пределах одного кадра - сложные для сжатия области картинки сжимаются с меньшим коэффициентом компрессии, а простые - с большим. При этом общий коэффициент компрессии для всего кадра остается постоянным (5:1). Результирующий поток видео составляет примерно 25 Мбит/сек.Этот формат обеспечивает разрешение видеокадра 500 строк. Запись осуществляется с разрешением 720х576 (каждый кадр содержит 720х576 значений яркости и по 360х288 значений цветоразностных сигналов).

Видеоизображение и звук в формате DV пишутся раздельно. Это дает возможность добавлять звуковое сопровождение после завершения записи или редактирования видео, а также перезаписывать звук. Оцифровка звука возможна в 2 вариантах: 2 канала - уровень квантования 16 бит, частота дискретизации 48 кГц или 4 канала - соответственно 12 бит и 32 кГц. В формате DV предусмотрена специальная схема исправления и маскирования ошибок. Для передачи данных в оборудовании этого формата предусмотрен универсальный последовательный интерфейс IEEE-1394, позволяющий переносить цифровые файлы напрямую на жесткий диск компьютера.

Формат DV обеспечивает высочайшее качество видео (лучшее, чем в формате MPEG-2) и позволяет сохранять все данные в цифровом виде на кассете, карте памяти или на жестком диске компьютера. Монтаж снятого материала может осуществляться на персональном компьютере. При перезаписи и монтаже качество видео нисколько не ухудшается.

Часто можно увидеть видеофайлы с расширением WMV (англ. Windows Media Video) – это видео, записанное в формате Windows Media. WMV является общим названием для видео, сжатого с помощью кодеков, разработанных фирмой Microsoft. Фактически это собственная версия MPEG-4 от фирмы Microsoft (1999 год). Microsoft представила последующие версии кодека в 2001 и 2003 годах. Формат входит в состав Windows Media, который также включает в себя такие стандарты как Windows Media Audio (WMA), Advanced Systems Format (ASF) и высокой четкости фото (HDP). Формат WMV конкурирует с кодеками DivX и RealVideo как средство распространения видео-контента на World Wide Web.

Нужно понимать, что же такое AVI-файлы. Формат AVI (англ. Audio-Video Interleaved), разработанный фирмой Microsoft для хранения и воспроизведения видеороликов, представляет собой контейнер, в котором может быть что угодно, начиная от файлов формата MPEG-1 и заканчивая MPEG-4. Он может содержать в себе потоки 4 типов - Video, Audio, MIDI, Text. Причем видеопоток может быть только один, тогда как аудио - несколько. В частности, AVI может содержать и только один поток - либо видео, либо аудио. Сам формат AVI не накладывает совершенно никаких ограничений на тип используемого кодека: и для видео, и для аудио он может быть любым.

Телеви́дение высо́кой чёткости (англ. High-Definition Television, сокр. HDTV), или телевидение повы́шенной чёткости, телевидение в высо́ком разреше́нии — набор стандартов телевизионного вещания повышенного качества посредством цифровых каналов связи (кабельные, спутниковые сети, цифровые носители).

Наиболее популярные форматы стандартов ТВЧ:

720p: 1280×720, прогрессивная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 24, 25, 30, 50 или 60 кадр/сек;

1080i: 1920×1080, чересстрочная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 50 или 60 полей в секунду;

1080p: 1920×1080, прогрессивная развёртка, отношение сторон 16:9, частота — 24, 25 или 30 кадр/сек.

HDTV (High Definition TV) - это новое направление развития телевидения в мире. Его российское название - телевидение высокой четкости (ТВЧ). Если обычный стандарт телевизионного вещания (PAL или SEСAM) предполагает разрешение изображения 720 на 576 точек, то HDTV разработан для видео с разрешением кадра 1920 на 1080 точек. Таким образом, размер изображения в ТВЧ в 5 раз больше чем в обычном телевидении, или можно сказать, что ТВЧ в пять раз четче обычного ТВ (рис. 3.3). Общепринятый стандарт кодирования телевидения высокой четкости - формат MPEG-4 кодек AVC H.264.

HDV (High Definition Video) — это стандарт записи видео высокой чёткости на магнитную ленту шириной 0,25 дюйма. Разработан для нового класса видеокамер, работающих в стандарте телевидения высокой четкости (ТВЧ или HDTV). HDV формат был впервые представлен 30 сентября 2003 года компаниями JVC, Sony, Canon и Sharp. Видео записывается на обычную miniDV кассету или на жесткие диски в адаптированном формате MPEG-2 с битрейтом 25 Мбит/c при разрешении 1080i и 19Мбит/с при 720p (рис. 3.2). Степень сжатия такого видео ниже, чем у формата H.264. Разрешение HDV составляет 1440х1080 пикселей, но с соотношением сторон кадра 16:9. Такое соотношение достигается «растягиванием пикселей» по горизонтали (сплющиванием по вертикали). Для полноценного просмотра HDV также требуется телевизор FullHD, с разрешением экрана1920х1080.

Рис. 3.2 Видеомагнитофон формата HDV Sony HVR-M25AE

Разумеется, качество видео в формате HDV ниже, чем FullHD, однако формат HDV сейчас наиболее распространён среди пользователей. Причина в том, что формат HDV появился раньше FullHD, поэтому сейчас разработано и выпущено много видеотехники, поддерживающей только 1440х1080. Первые фильмы высокого разрешения, записанные на диски HD DVD и Blu-Ray, также имели разрешение HDV — 1440х1080.

Некоторые характеристики формата HDV:

- HDV1 720p: 1280x720 пикселей с развёрткой 25p или 50p в странах с системой PAL (30p или 60p в "NTSC-странах") опционально 24p;

- HDV2 1080i: 1440x1080 пикселей с развёрткой 50i в странах с системой PAL (60i в "NTSC-странах").

Рис. 3.3 Соотношение размеров кадров видео разных форматов

Компания Matsushita Electric (владелец бренда Panasonic) разработала свой вариант формата высокой четкости и выпустила видеокамеру Panasonic HDX200, которая записывает видео высокого разрешения на карты памяти.

Компьютер для монтажа видеозаписей, сделанных в формате HDV, должен соответствовать более высоким требованиям по производительности, чем для монтажа видео формата DV. Это относится, главным образом, к мощности процессора, объему и скорости работы оперативной памяти. В настоящее время все ведущие производители программного обеспечения для видеомонтажа уже выпустили либо новые версии программ, поддерживающих HDV, либо плагины, позволяющие использовать версии программ, выпущенные до появления нового формата.