4. Форматы видео данных. Сферы применения. Алгоритмы сжатия видеоданных.

Видео – это множество технологий записи, хранения, обработки, передачи и воспроизведения визуального или аудиовизуального материала.

Характеристики видео:

1. Количество кадров в секунду – это число неподвижных изображений, сменяющих друг друга в течение одной секунды. Чем больше частота кадров, тем более плавным и естественным будет казаться движение. Минимальный показатель, при котором движение будет казаться однородном – 16. В традиционном пленочном кинематографе – 24. Системы Pal/Secam – используют 25. Система NTSK – 30 кадров в секунду. Специальные камеры для сверхбыстрой съемки снимают с частотой до 1000 кадров в секунду.

2. Развертка видеоматериала может быть прогрессивной построчной и черезсточной. При прогрессивной разверте все горизонтальные линии отображаются поочередно одна за другой. При черезстрочной развертки показываются попеременно то строчные, то все нечетные строчки или наоборот. Черезстрочную развёртку еще называют интерлейс. Черезстрочную развертку обычно обозначают символом I, после указания вертикального разрешения. Для подавления неприятных эффектов, возникающих при черезстрочной развертке, используют специальные методы называемые D-интерлейсингом. Таким эффектом является расщепление вертикальных границ горизонтально движущихся объектов.

3. Разрешение. Аналогично с разрешением мониторов видеосигнал имеет разрешение горизонтальное и вертикальное, измеряемое в пикселях. Обычное аналоговое разрешение 720х576 пикселей для стандартов Pal/Secam и 720х480 для формата NTSK. Форматы HD начинаются 1240x720-1920x1080.

4. Соотношение сторон. Соотношение ширины и высоты кадра важнейший параметр любого видеоматериала. Начиная с 1910г кинопродукция имела соотношение 4:3. Иногда этот формат записывается как 1.33:1 или 1.33. Когда появилось телевидение оно переняло это соотношение и почти все аналоговые видеосистемы работают в формате 4:3. Компьютерные мониторы тоже унаследовали телевизионный стандарт сторон, хотя еще в 50 годах прошлого века представление о наилучшем формате передачи изображения изменилось. Поле зрения человека 2:1, чтобы приблизить поле кадра к полю человека был введен стандарт 16:9 или 1.78. Цифровое телевидение ориентируется на соотношение 16:9.

5. Битрейт или ширина видеопотока – это количество обрабатываемых бит видеоинформации за секунду времени. Чем выше ширина видеопотока, тем в общем лучше качество видео. Например, для формата VideoCD ширина видеопотока составляет всего примерно 1 Мбит/с, а для DVD составляет около 5 Мбит/с. Конечно, субъективно разницу в качестве нельзя оценить как пятикратную, но объективно это так. А формат цифрового телевидения HDTV использует ширину видеопотока около 10 Мбит/с. Различают два вида управления шириной потока в видеокодеке — постоянный битрейт (CBR) и переменный битрейт (VBR). Концепция VBR, ныне очень популярная, призвана максимально сохранить качество видео, уменьшая при этом суммарный объём передаваемого видеопотока. При этом на быстрых сценах движения, ширина видеопотока возрастает, а на медленных сценах, где картинка меняется медленно, ширина потока падает. Это очень удобно для буферизованных видеотрансляций и передачи сохранённого видеоматериала по компьютерным сетям. Но для безбуферных систем реального времени и для прямого эфира (например, для телеконференций) это не подходит — в этих случаях необходимо использовать постоянную скорость видеопотока.

6. Тип сигнала или алгоритм сжатия

Видеоматериалы могут быть аналоговыми или цифровыми.

Аналоговый сигнал – это сигнал область определения, которого есть непрерывное пространство. Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.

Свойство аналогового сигнала:

1. Отсутствие четко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала, приводит к невозможности применения для его описания понятия информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчете количество информации будет ограничено лишь динамическими диапазонами средств измерения.

2. Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений аналогового сигнала следует, что люба помеха, внесенная в сигнал, неотличима от исходного сигнала, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-нибудь дополнительная информация о свойствах этого сигнала, например полоса частот.

Области применения:

1. Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющих физических величин, например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях в звуковой волне.

Цифровой сигнал – дискретный сигнал, квантованный по амплитуде. Сигналы представляют собой дискретные световые или электрические импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой канал использует всю полосу пропускания кабеля.

Полоса пропускания – это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях, посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Дискретный сигнал сложнее передавать на большие расстояние, чем аналоговые, поэтому его предварительно моделируют на стороне передатчика и демоделируют на стороне приемника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет значительно увеличить надежность передачи сообщений. Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Он имеет флуктуации по амплитуде, фазе, частоте, поляризации. В результате аналоговый сигнал наделяется свойством числа и его обработка становится возможна с использованием численных методов.

Форматы: HDMI, DVI

Рассмотрим алгоритм сжатия MREG.

Еще несколько лет назад под цифровым телевидением понимали использование цифровой линии передачи. Аналоговый сигнал на выходе студии преобразовывался в цифровой, передавался по наземным или спутниковым линиям связи, а на приемным конце его снова превращали в аналоговый и в таком виде передавали пользователю.

Наиболее важным шагом к цифровому телевидению стало появления систем цифрового вещания.

С возникновением первых цифровых видеосистем началась и активная разработка методов и алгоритмов сжатия видео данных.

Для оцифровки телевизионного сигнала 6 МГц необходимо работать с частотой дискретизации 12 МГц при использовании 8 битного кодирования получим скорость передачи данных для передачи черно-белой картинки 100-120 МБ/с, для передачи цветового сигнала – 270 МБ/с. Главным выходом из сложившейся ситуации послужил формат MPEG.

Формат MPEG 1 увидел жизнь в 1988 году. С его помощью видеоинформацию с CD-Rom`а можно было считать со скоростью около 1.5 МБ/с. Алгоритм сжатия MPEG 1 был официально опубликован в январе 1993, в качестве стандарта принят в конце 1993. Алгоритм сжатия MPEG 1 предусматривает получение изображения с разрешением вчетверо меньше, чем разрешение картинки вещательного телевидения. Этот эффект достигнут благодаря идеи прореживания исходного телевизионного сигнала по вертикали и геронтами. Согласно идеи MPEG 1 изымается каждая вторая строка и каждый второй отсчет в оставшихся строках. При приеме такого изображения с помощью программных или аппаратных средств происходит растягивание до необходимого размера. Таким образом, MPEG 1 обеспечивал среднее качество изображения и не очень высокую степень сжатия.

Существует разновидность этого алгоритма для сжатия звука – MPEG 1 Level 3. Аудио файлы имеют расширение MP3.

MPEG 2.

Ключевой особенностью MPEG 2 является возможность разделить результирующий сигнал на несколько независимых потоков, содержащих сигналы разного качества.

MPEG 3

Еще одна модификация формата MPEG 1, изначально использовался для сжатия сигналов ТВЧ, однако не нашел своего широкого применения. В виду того, что MPEG 2 давал лучший результат.

MPEG 4

Обеспечивает более высокое качество изображения, чем MPEG 1 и MPEG 2, также поддерживает дополнительные возможности такие, как защита от несанкционированного копирования и создания интерактивных элементов.