3. Форматы сохранения видеоинформации

CD AVI (Audio Video Interleave - чередование аудио и видео) - формат, разработанный Microsoft для записи видео и воспроизведения видео в операционной системе Windows, позволяет одновременно хранить изображение и звук. Они записываются попеременно, так что после кадра идет запись звукового сопровождения к нему. Для видео деление на кадры совершенно естественно, но звук представляет собой непрерывный поток, искусственно расчленяемый на фрагменты, соответствующие кадрам. Если для записи как видео, так и звука используется устройство видеоввода, проблем обычно не возникает. Если звук пишется через звуковую карту, точная синхронизация изображения и звука отсутствует и звук может "уходить от изображения".

При записи в этом формате используются несколько различных форматов сжатия (компрессии) видеоизображения: Microsoft Video 1 (8- и 16-битный цвет), Motion JPEG, Microsoft RLE (8-битный цвет), Indeo и т.д. Первоначально для захвата и воспроизведения видео использовались возможности программного комплекта Video for Windows, разработанного Microsoft, однако сейчас у пользователя имеются для этого лучшие возможности. Понимая это, компания Microsoft объявила о разработке двух новых форматов, призванных заменить формат AVI: ASF (Advanced Streaming Format - усовершенствованный потоковый формат) и AAF (Advanced Authoring Format). При этом старый формат AVI также будет применяться, планируется разработка средств, для преобразования между форматами AVI, ASF и AAF.

Quick Time Movie (.qt, .mov) - наиболее распространенный формат для записи и воспроизведения видео, разработанный фирмой Adobe в рамках технологии Quick Time. Поддерживает несколько различных форматов сжатия видео, в том числе MPEG и Indeo, а также свой собственный метод компрессии. Особенностью формата является возможность записи информации на независимые "дорожки" (видео и аудио). На разных дорожках видеоданные могут иметь различную частоту и разрешение, аудиоданные - различный формат и т.д. Кроме того, допустимы отсылки к конкретному носителю информации, т.е., например, на некоторой дорожке может быть задан иной, чем жесткий диск, носитель данных (например, лазерный диск).

MPEG (Motion JPEG)(.mpg, .mpeg, .dat) - формат для записи и воспроизведения видео разработанный группой экспертов по движущимся изображениям (MPEG - Moving Picture Expert Group). Имеет собственный алгоритм компрессии. В настоящее время разработан алгоритм MPEG-4, который активно используется для записи цифрового видео.

Digital Video (.DV) - формат, разработанный для цифровых видеокамер и видеомагнитофонов. Это, собственно, не формат, а спецификация, разработанная консорциумом фирм DV. Она определяет диапазон сжатия, стандарт кодирования, особенности кассет и лентопротяжного механизма и другие характеристики. Сигнал компонентный, метод сжатия MJPEG с коэффициентом 5:1.

Лекция 7. Видеосигнал и его оцифровка (4 часа)

План.

1. Видеосигнал

2. Методы сжатия данных

3. Кодирование без потерь

4. Кодирование изображений с потерями

5. Технология сжатия видео

Видеосигнал получается при построчном сканировании прямоугольного цветного изображения "трёхствольной" электронной RGB-пушкой. Сканируемое изображение представляет собой растр, т.е. прямоугольную сетку пикселов, с отношением числа пикселов по горизонтали к числу пикселов по вертикали 4:3 (в системах телевидения высокой чёткости – HDTV – это отношение равно 16:9). В мониторах компьютеров и в телевидении этот обход происходит по разному (см рис. 5).

Рис. 5. Сканирование изображения на экране монитора и телевизора

Для создания видимости непрерывного движения частота смены кадров должна превышать 24 кадра в секунду (к/сек). Для устранения мерцания экрана частота смены кадров должна происходить не менее 50 раз в секунду. Чтобы устранить мерцание и не увеличивать при этом скорость сканирования и, следовательно, объём передаваемой информации, в телевидении применяют так называемую чересстрочную развертку, при которой сначала сканируются нечётные строки (первый полукадр), а затем чётные (второй полукадр). При показе с частотой 25 к/сек смена полукадров происходит 50 раз в секунду и мерцание незаметно.

Таким образом, видеосигнал содержит последовательности полукадров (точнее, пикселов в порядке сканирования), гасящих и синхронизирующих импульсов и аудиосигнала, синхронизированного с видеопотоком. При растре 800600 пикселов и частоте 25 к/сек получается поток 12 000 000 пикселов в секунду, а с учётов трёхкомпонентности цвета такой поток потребует полосы пропускания шириной 36 МГц. Но ведь нужно ещё передавать звук и управляющие сигналы! При таких условиях телевещания не было бы до сих пор. Следующая таблица показывает реальные характеристики, определённые действующими видеостандартами.

	NTSC (США,  Япония)	PAL  (Англия,  Германия)	SECAM  (Франция,  Россия)	HDTV	VHS	S-VHS
Число строк в кадре	525	625	818	1150	250	400
Формат кадра	4:3	4:3	4:3	16:9	4:3	4:3
Частота полукадров	60	50	50	50
Ширина полосы сигналов яркости/цветности в МГц	4,2/1,5/0,6	5/1,5/1,5	6/1,5/1,5	27	3-3,8	5
Скорость передачи цифровой информации в Мбит/сек	128,7	159,6	158,6		~90

 "Уложить" видеосигнал (поток пикселов) в отведённую полосу удаётся, основном, благодаря 

1. переходу от RGB к YUV,

2. фильтрации части высоких частот сигнала яркости Y, что приводит к едва заметной размытости в быстро меняющихся участках кадра,

3. фильтрации значительно большей части высоких частот сигналов цветности U и V, основанной на меньшей чувствительности глаза к изменению цвета, чем к изменению яркости.

Оцифровка видеосигнала обычно происходит с 4-кратной частотой по отношению к  наибольшей частоте сигнала, причём разрядность квантования может выбираться разной для сигналов яркости и цветности (напр., 9 и по 7). Обычные видеоплаты, выполняя оцифровку, не дают пользователю влиять на эти параметры в силу высокой сложности применяемых методов, учитывающих все особенности структуры видеосигнала. Получаемый в итоге цифровой поток приведен в предыдущей таблице. Ясно, без сжатия этого потока работать с ним на компьютере невозможно. Сжатие осуществляет сама видеоплата, используя описанные ниже методы.