Форматы сжатого цифрового видео

AVI (Audio Video Interleaved) — технология фирмы Microsoft, это самый распространенный и наименее сжатый из видеоформатов. Файлы, созданные с использованием этого метода, имеют расширение .avi. Видео- и аудиоданные записываются в один файл на диске следующим образом: все информационные потоки раз­биваются на множество равных частей (chunks) и затем записываются в один файл друг за другом по очереди. Сначала записывается заголовок, а затем 1-я часть видео и 1-я часть звука; затем 2-я часть видео и 2-я часть звука и т. д. Иначе говоря, используется технология чередования видеокадров и звука, которой, собственно, и определяется аббревиатура AVI (Audio Video Interleaved). В среднем одна секунда AVI-изображения занимает при­мерно 2 Мбайт на жестком диске.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер

• Совместимые кодеки — DivX, Xvid, Indeo и другие (для видео) и MP3, WMA и другие (для аудио)

• Расширение файлов — .avi

QuickTime — под «QuickTime» одновременно понимают и мультимедийный плеер произ­водства компании Apple, и технологию сжатого видео, предоставляющую возможность захватывать, сжимать и проигрывать широкий спектр цифро­вого видео- и аудиоконтента. QuickTime включает три основополагающих элемента — QuickTime видеоформат (Movie file format), слой абстрактного носителя (Media Abstraction Layer) и набор встроенных медиаслужб. Слой абстрактного носителя определяет набор сервисных функций для создания, редактирования и воспроизведения цифрового материала.

Среди них:

• синхронизация по времени;

• компрессия и декомпрессия аудио- и видеоданных;

• преобразование форматов, масштабирование, смешивание и транскоди­рование;

• аудио- и видеоэффекты и переходы;

• синхронизация чтения и записи;

• захват данных;

• импорт и экспорт данных.

Программа и кодеки QuickTime служат для воспроизведения видео как собст­венного формата (QT и MOV), так и других наиболее распространенных медиаформатов цифрового видео, звука, текста, анимации, а также потокового видео из Интернета. Поддерживаются, в том числе, МРЗ, AVI, MPEG (включая MPEG-4), AAC Audio, Flash.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер

• Совместимые кодеки — Apple Video, H.264 и множество других (для видео) и Apple Lossless, AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)

• Расширения файлов — .mov, .qt

Семейство форматов сжатия видео mpeg

Слово «MPEG» является сокращением от Moving Picture Expert Group — на­звания экспертной группы ISO (Международной организации по стандартизации), действующей в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео- и аудиоданных. Часто аббревиату­ру MPEGиспользуют для ссылки на стандарты, разработанные этой груп­пой. 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.

MPEG-1 — формат (телестандарт) для хранения и воспроизведения видео- и аудио­данных на мультимедианосителях данных. Качество сопоставимо с видео­записью VHS(разрешение 352 ? 228 (стандарт PAL) или 320 ? 240 (стандарт NTSC) при частоте 25 или 30 кадров в секунду соответственно). Формат используется для за­писи Video CD. Для кодирования видео в формат MPEG-1 используют специальные программы (кодеки).

MPEG-2 и MPEG-3 — стандарт MPEG-2 разработан как дополнение к стандарту MPEG-1 и под­держивает передачу высококачественного видео по высокоскоростным циф­ровым каналам. Интенсивность потока медиаданных до 50 Мбайт/с. В ре­зультате для фильмов, созданных в стандартах PAL и SECAM, поддержива­ется разрешение 720 ? 576 при 25 кадрах в секунду при качестве, практически не уступающем вещательному. Формат подходит для всех стандартов теле­видения, широко используется при записи DVD-дисков.MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео. В MPEG-2, по сравнению с MPEG-1, добавлена поддержка многоканального звука (Dolby Digital 5.1,DTS и т. п.).

Вопреки ожиданиям и прогнозам разработка стандарта MPEG-3 явилась всего лишь улучшенной версией MPEG-2. Формат MPEG-3 (не путайте с форматом сжатия аудиоданных МРЗ) сегодня стал частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не упоминается.

MPEG-4 — формат MPEG-4 задает принципы работы с цифровым представлением медиаданных для трех областей: интерактивного мультимедиа (включая про­дукты, распространяемые на оптических дисках и через Интернет), графи­ческих приложений и цифрового телевидения (DTV). Он имеет дело не просто с потоками и массивами медиаданных, а с медиаобъектами, которые являются ключевым понятием этого стандарта.

При транспортировке видео­картинка разделяется на составные элементы — медиаобьекты, описывается структура этих объектов и их взаимосвязи, чтобы можно было собрать их в единую видеозвуковую сцену. Результирующая сцена составляется из медиаобъектов, объединенных в иерархическую структуру. В отличие от прежних MPEG-стандартов, которые делили кадр на квадратные блоки вне зависи­мости от содержимого, кодер по стандарту MPEG-4 оперирует целыми объ­ектами произвольной формы. Ключевые кадры не расставляются с заданной регулярностью, а выделяются кодером только в те моменты, в которые про­исходит смена сюжета. Такие разветвленные алгоритмы поиска и обработки объектов сложной формы, углубленного анализа последовательностей кад­ров требуют существенно больших вычислительных ресурсов для качествен­ного восстановления (декомпрессии) изображения этого формата, нежели в случае MPEG-1 или 2.

Эффективность компрессии видео в MPEG-4 позволяет размещать полно­метражный фильм длительностью полтора-два часа с хорошим качеством всего на одном стандартом компакт-диске в 700 Мбайт. Однако фильмы в MPEG-4 все-таки не дотягивают до качестваDVD-видео в стандарте MPEG-2.

MPEG 7 и MPEG 21 — в отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме и не зависит от среды передачи данных.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатияMPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностейMPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2,MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия. Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

Разработка формата сжатия MPEG 21 — это долговременный проект, который называется «Система мультимедийных средств» (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 иMPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

Характеристики

• Тип — семейство стандартов видео (включает медиаконтейнеры и кодеки)

• Совместимые кодеки — H.264 и другие (для видео) и AAC, MP3, WAV и другие (для аудио)

• Расширения файлов — .mpeg, .mpg, .mpe, .m1v; .dat и .m2v (форматы видео VideoCD (VSD) и Super VideoCD(SVCD) дисков – стандарт сжатия MPEG-1/2); .vob (формат видео DVD диска, содержит видео в MPEG2)

Matroska (Matr??ka) — проект, нацеленный на создание открытого, гибкого, кроссплатформенного формата мультимедийного контейнера и набора инструментов и библиотек для работы с данными в этом формате. Это открытый формат, который разрабатывался как альтернатива другим контейнерам AVI,QuickTime и MPEG. Отличительной особенностью этого формата является возможность использования в одном файле нескольких аудиопотоков.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер

• Совместимые кодеки — H.264 и другие (для видео) и AAC, Vorbis, DTS, MP3 и другие (для аудио)

• Расширения файлов — .mkv (видео с субтитрами и звуком), .mka (аудиофайлы) и .mks(субтитры)

Flash Video — формат видео, используемый для передачи данных через Интернет. Используется в Youtube, Google Video, RuTube и др. Популярность этого формата во многом связана с тем, что он поддерживается Adobe Flash Player `ом, который распространяется и как кросплатформенное самостоятельное приложения и как браузерный плагин.

Характеристики:

• Тип — медиаконтейнер

• Совместимые кодеки — H.263 (FLV1), VP6 (FL4), H.264 (FLV5) (для видео) и AAC, MP3(для аудио)

• Расширения файлов — .flv (как правило)

• В этом разделе мы проанализируем характерные форматы представления цифрового видео, такие как QuickTime фирмы  Apple, MPEG комитета Motion Picture Expert Group и AVI фирмы  Microsoft.

• Общая черта всех популярных форматов цифровых видеофайлов состоит в том, что основная часть любого из них - это система сжатия и восстановления видеоданных (compression/decompression - сокращенно codec), называемая кодеком. Обычно программы, поддерживающие основные форматы видеофайлов, позволяют замещать старые кодеки на новые, более совершенные, по мере разработки последних. Такой подход позволил легко адаптировать форматы видеофайлов и поддерживающие их программы к новым технологиям, как только те становились доступными.

• Исходные релизы форматов QuickTime и VfW содержали очень простые кодеки, так как уровень развития компьютерной техники того периода не мог обеспечить применение более качественных методов, требовавших значительно более высоко уровня вычислительного ресурса. По мере совершенствования компьютерных технологий стало возможным использовать более эффективные методы сжатия и распаковки, что привело к применению новых кодеков.

• К наиболее известным и широко применяемым форматам следует отнести  QuickTime фирмы Apple. Под этим именем объединены два различных понятия. Для пользователей - это стандартный способ работы с потоковыми данными, такими как видео и аудио. Для производителей - это гибкое средство разработки приложений, совершенствующееся по мере развития технологий. Формат пригоден для работы с любой времязависимой информацией. Видеофильмы в этом формате могут содержать несколько видео- и аудиодорожек. Таким образом, фильм в этом формате может иметь многоязыковую поддержку, а также содержать MIDI-информацию для управления внешним синтезатором. Продолжительность событий на каждой из дорожек также может быть различной. Можно также накладывать друг на друга несколько видеодорожек.

• Формат был создан первоначально для платформы Macintosh для хранения аудио- и видеоданных на магнитных и оптических носителях. Сейчас он используется и в оболочке Windows. Предусмотрен специальный набор средств, называемый Movie Toolbox, который обеспечивает редактирование и модификацию видеофильмов в данном формате, т. е. можно вклеивать, вырезать, копировать и редактировать отдельные видеофрагменты таким же образом, как это делается при профессиональном монтаже обычного кино. Данные в этом формате можно хранить на магнитном или компакт-диске в виде обычного файла, а также помещать на цифровой видеомагнитофон.

• Набор средств Movie Toolbox определяет шесть методов сжатия, используемых при хранении видеофильмов в этом формате. Перечислим эти методы.

• Photo Compressor - предназначен для сжатия отдельных изображений с глубиной цвета от 8 до 24 бит (для сжатия фреймов или видеокадров обычно используется метод JPEG).

• Video Compressor - метод сжатия видеопоследовательностей с потерями, основанный на преобразовании пространственного спектра и временном сжатии. Глубина цвета - 24 бита. Метод отличается высокой скоростью распаковки сжатого видеоряда.

• Compact Video Compressor - также метод сжатия с потерями, пригодный для 16 и 24-битного представления цвета. Отличается более высоким качеством и большим коэффициентом сжатия по сравнению с предыдущим, но требует значительных затрат времени на выполнение начального сжатия информации.

• Animation Compressor - метод сжатия анимационных последовательностей, основанный на применении алгоритма группового кодирования, рассмотренного в § 3.3. Используется как в варианте с потерями, так и без потерь. Работает с любой глубиной цвета.

• Graphic Compressor - предназначен для быстрого сжатия и распаковки 8-битовых неподвижных изображений и их последовательностей. Коэффициент сжатия невелик. Применяется при хранении информации на устройствах с низкой скоростью обмена данными, типа компакт- или DVD-дисков.

• Raw Compressor - программа предварительной обработки изображений, позволяющая получить нужную глубину цвета перед тем, как сжать его одним из описанных выше методов.

• Аудиоданные в этом формате кодируются в виде последовательности квантованных дискретных выборок в формате AIFF, как это было описано в § 3.4 или непосредственно в ресурсе звуковой среды видеофильма.

• Основная структурная единица файлов этого формата носит название атом. Различают атомы-контейнеры и атомы-листья. Контейнеры содержат другие атомы, в том числе и атомы-контейнеры. А атомы-листья содержат только данные. Каждый поток данных файла хранится в отдельном атоме дорожки. Дополнительные сведения о данном формате можно почерпнуть из книг   и на сайтеwww.quicktime.apple.com.

• Комитет Motion Picture Expert Group, как уже ранее упоминалось, был создан международной ассоциацией по стандартизации специально для создания высококачественных стандартов сжатия цифрового видео. И действительно был разработан ряд стандартов, таких как MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 для воспроизведения видео с различной скоростью и качеством на платформах Windows, Macintosh и UNIX, а также рекомендован определенный набор методов сжатия видео- и аудиоданных.

• Формат MPEG-1 определяет файлы для хранения кодируемого видеоматериала (расширение mpv) и формат системного потока для объединения видео- и аудиоданных (расширение mps), а также три формата для кодирования только аудио (mpa, mp2и l3).  Формат MPEG-2 предназначен для вещания и мало пригоден для персональных компьютеров.  MPEG-4 предназначен для передачи низкокачественного видео для систем видеотелефонии и видеоконференций.

• Стандарты MPEG определяют только способ хранения данных, но не указывают, как были получены данные в этом формате. Все форматы MPEG с потерями. Для кодирования данных в этом формате вычислительных ресурсов ПК недостаточно. Корректная обработка MPEG на ПК без дополнительных аппаратных средств также связана с определенными трудностями. Они могут привести к задержкам или ухудшению качества воспроизведения.

• Формат MPEG хранит несколько типов кадров. Независимые или ключевые кадры (l-frames) не требуют никакой дополнительной информации для декодирования. При их сжатии используется методика, аналогичная JPEG-сжатию, но более эффективная. Предсказуемые кадры (P-frames) хранят различие между предыдущим независимым или предсказуемым кадром и текущим кадров (то, что в § 3.5.2 определялось как межфреймовое дельта-сжатие или компенсация движения). Дальнейшее улучшение качества сжатия достигается путем использования двунаправленных предсказаний движения или B-frames. В нем предсказание сохраняется как разности текущего как с предыдущим, так и с последующим кадрами, вследствие чего последовательность кадров может иногда нарушаться.

• При кодировании звука MPEG отбрасывает ряд избыточных данных, опираясь на особенности человеческого слуха, о которых уже говорилось в § 3.4. В результате достигается гораздо более высокий уровень сжатия по сравнению с РСМ и u-Law, о которых говорилось в предыдущем параграфе. Оценивая данный формат, следует отметить, что он гарантирует самое высокое качество как видео, так и аудио, но требует наличия большого количества вычислительных ресурсов.

• Формат Audio/Video Interleave (AVI) фирмы  Microsoft получил свое название из-за того, что в нем аудио- и видеоданные расположены перемежающимися слоями. В заголовке файла хранится множество различной информации, в том числе, о частоте следования и размере кадров. Программа воспроизведения должна извлечь данные видеокадра и связанного с ним звукового сопровождения, затем передать звук на звуковую карту, а видеоданные распаковать и воспроизвести на экране монитора.

• Поддержка равномерного потока данных требует внимания ко всем частям системы воспроизведения для того, чтобы сохранить синхронизацию независимо от задержек при распаковке видеоданных.

• В структуре AVI-файла содержатся два блока LIST. Первый из них (LIST hdrl) содержит информацию о фильме в целом и каждом из его потоков, включая разрешение экрана и частоту кадров видеоданных, а также формат, частоту оцифровки и разрядность квантованных аудиоданных. Второй блок LIST movi хранит сами видео- и аудиоданные в виде отдельных потоков, сегментированных на блоки выборки. Интересно отметить, что в формате AVI звуковые данные опережают видео на 0,75 с.