В современном мире в настоящее время существуют вместе два типа видео: аналоговое и цифровое.
Аналоговое видео является самым ранним методом передачи видеосигнала. Одним из первых видеоформатов на основе аналогового метода стал композитный видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видеокомпоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. д.) в один сигнал. Из- за объединения этих элементов в одном сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем неточную передачу цвета, недостаточно четкую картинку и другие факторы потери качества. Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы.
Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих опорные цвета (R, G, B), имеет элементы, активные даже в почти полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.
Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Поэтому в телевидении передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость Y и два цветоразностных сигнала U и V, причем U = R - Y, а V = B -Y В таком случае, нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем арифметических операций. Сигналы U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.
Тем не менее, все вышеперечисленные форматы остаются аналоговыми по сути и, следовательно, обладают одним существенным недостатком: при копировании дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Потеря качества при копировании видеоматериала аналогична фотокопированию - копия никогда не бывает такой же четкой и яркой, как оригинал. Недостатки, присущие аналоговому видео, привели к разработке цифрового видеоформата. В отличие от аналогового видео, качество которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео аналогична оригиналу.
Аналоговое видео - тип видео, который используется в телевидении. Изображение на экране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором - материалом, излучающим свет определенной длины волны, т. е. определенного цвета. Этот процесс называется сканированием, и проходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Для получения подвижного видео каждую секунду необходимо просканировать несколько кадров. В телевизорах кадры сменяются с частотой в несколько десятков в секунду. Отдельное изображение состоит из строк сканирования, которые воспроизводятся в двух наборах, называемых полями.
В телевидении используется чересстрочный способ формирования изображения на экране, при котором за первый цикл сканирования электронным лучом экрана формируется изображение нечетных строк, а за второй - четных, в результате полный кадр изображения формируется из двух полукадров (полей). Применение такого способа формирования изображения обусловлено необходимостью сужения спектра телевизионного сигнала. Несмотря на то, что такие частоты смены кадров и строк сканирования могут создать плавное перемещение, они не устраняют мерцание видеоизображения.
В настоящее время используется три основных стандарта цветного телевидения:
Стандарты различаются используемыми модуляциями и значениями несущей и поднесущей частот.
Цифровое видео - изображение или серия изображений, информация в которых хранится в цифровом виде. Оно использует цифровые сигналы и стандарты, отличные от международных стандартов для телевещания и вывода изображений на экран, используемых в аналоговом видео.
Преимущества цифровой записи видео, по сравнению с аналоговой, заключаются в следующем: эта технология сводит к минимуму число помех и искажений, сохраняет качество изображения при копировании, позволяет записывать качественный звук, разрешение изображения вдвое выше, возможность быстро и легко редактировать видеозаписи и др.
При создании цифрового видео возникает проблема преобразования аналогового сигнала в цифровой (см. подразд. 5.2). Принятые в современной технике стандарты оцифровки видео составляют: 10 бит - глубина оцифровки, 13,5 МГц - частота дискретизации яркостного сигнала, 6,75 МГц - частота дискретизации двух цветоразностных каналов.
В последнее время наметилась тенденция к слиянию телевизионного и компьютерного видео. С помощью специальных плат происходит преобразование аналогового видеоизображения в цифровую форму. Дальнейшее сближение цифрового и аналогового видео привело к вытеснению аналогового сигнала с мультимедиа-компьютера. Видео сначала преобразуется из аналогового в цифровой формат и записывается на одном из запоминающих устройств компьютера. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или любое другое устройство. При этом видео уже можно воспроизвести на компьютере программным способом. Последний шаг к цифровому видео будет сделан после повсеместного введения стандартов DVD-Video и HDTV (High Definition TV - телевидение высокого разрешения, новый формат, разрабатываемый в ряде стран).
CD AVI (Audio Video Interleave - чередование аудио и видео) - формат, разработанный Microsoft для записи и воспроизведения видео в операционной системе Windows. Этот формат 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 используется 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 [6].
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.
3GP - одной из нужных функций является способность телефона снимать видеоклип, и к тому же просматривать уже готовые видеофайлы. Видеоклипы, отснятые для мобильных телефонов, имеют расширение 3GP. Данный формат имеет уменьшенный размер в сравнении с другими форматами видеофайлов, но именно этот формат, исходя из того, что избыточное разрешение ему не требуется, как нельзя кстати подходит для телефонов. Одной из необходимых услуг является возможность снимать видео, и к тому же воспроизводить уже отснятые видеофайлы. Видеоклипы, предназначенные для мобильных телефонов, имеют формат 3GP.
Данный формат имеет уменьшенный объем по сравнению с другими форматами видео, но именно 3GP формат, исходя из того, что избыточное разрешение ему не нужно, идеально подходит для мобильных телефонов. Благодаря этому 3GP файлы позволяют не сильно занимать память мобильного устройства, что тоже немаловажно. Единственным недостатком 3GP видеороликов, является то, что этот формат позволяет просматривать видео только на мобильном телефоне. Чтобы проиграть на компьютере файлы 3GP типа, нужен плеер с возможностью воспроизведения 3GP видеоклипов или же декодер для обычного плеера. Это не совсем удобно, если вдруг, из-за отсутствия специальной техники, вы запечатлели какой-то интересный момент из своей жизни, видеокамерой, встроенной в мобильный телефон.
VOB обозначает Видео Объекты (DVD-Video Object или Versioned Object Base). VOB - контейнерный формат файла (способен содержать различные типы данных). Фильмы на DVD-Video дисках хранятся в файлах VOB, которые содержат несколько потоков видео/аудио, субтитры и меню фильма. В дополнительных видеопотоках VOB файл может содержать, к примеру, сцены, снятые под другим углом, или в другой перспективе, что позволяет пользователю переключаться на них во время просмотра. Максимальный битрейт видеопотока - 9,8 мбит/с. Битрейт - скорость прохождения информации по каналам связи.
Quick Time Movie (.qt, .mov) - наиболее распространенный формат для записи и воспроизведения видео, разработанный фирмой Apple для компьютеров Мае в рамках технологии QuickTime. Поддерживает несколько различных форматов сжатия видео, в том числе MPEG и Indeo, а также свой собственный метод компрессии. До недавнего времени фильмы в формате MOV можно было записывать только на платформе Мае, а воспроизводить - на платформах Мае и Wintel. Сейчас такого ограничения нет. В новой версии добавились также и различные методы компрессии звука и видеоизображения
Compression Engine Movie (.cem) - формат для сжатия цифрового видео, основанный на технологии волнового преобразования (как и формат для сжатия статических изображений WIF). Вы можете просмотреть небольшие видеофрагменты в этом формате с использованием специального программного обеспечения.
Основные виды сжатия видеоинформации:
Многие системы оцифровывают видео и одновременно сжимают его. Для качественного выполнения этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода видео для персональных компьютеров не способны оперировать с полнометражным видео и часто пропускают кадры. Пропущенные кадры нарушают плавность видеоизображения, что приводит к дискомфорту в восприятии. Кроме того, пропуск кадров может привести к рассинхронизации звука и изображения. Поэтому видеоплата для оцифровки должна обеспечить производительность не ниже 24 кадров с/без пропуска кадров. Это не позволит нарушить изображение.
Отличия связаны с соотношением способов сжатия и декомпрессии видео. Симметричное сжатие предполагает возможность проиграть видеофрагмент с разрешением 640 х 480 при скорости в 30 кадров/с, если оцифровка и запись его выполнялась с теми же параметрами. Асимметричное сжатие - это процесс обработки одной секунды видео за значительно большее время. Степень асимметричности сжатия обычно задается в виде отношения. Так, цифры 150 : 1 означают, что одна минута сжатого видео соответствует примерно 150 минутам реального времени. Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достижения качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. При этом кодирование полнометражного ролика может занять слишком много времени, вот почему подобный процесс выполняют специализированные компании.
Способов сжатия без потерь немного: часто встречающиеся комбинации байтов заменяются более короткими битовыми, или определенные последовательности значений заменяются на коды. Степень сжатия сильно зависит от типа и длины файла. В любом случае к данным добавляется информация, необходимая для декомпрессии (восстановления исходных данных). Поэтому, если данные в файле плохо сжимаются при использовании выбранного алгоритма, размер файла может даже возрасти. Даже в удачном случае уровень компрессии без потери информации обычно не очень высок. Сжатие в два раза - уже победа. Поэтому обычно для видео используется сжатие с потерей качества, отбрасывается информация, якобы неразличимая глазом.
Чем выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. Все методы сжатия приводят к некоторой потере качества. Даже если это незаметно на глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом. При работе с цифровым видео профессионалы обращают особое внимание на коэффициент сжатия. Его ни в коем случае нельзя путать с коэффициентом асимметричности сжатия.
Коэффициент сжатия - это цифровое выражение соотношения между объектами сжатого и исходного видеоматериала. Например, коэффициент 181 : 1 означает, что если принять объем полученного после сжатия видеоизображения за единицу, то объем оригинала в 181 раз больше. При сжатии качество видео зависит от используемого алгоритма. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200 : 1, при этом сохраняется неплохое количество видео. Различные варианты Motion-JPEG работают с коэффициентом от 5 : 1 до 100 : 1, хотя даже при уровне в 20 : 1 уже трудно добиться нормального качества изображения.
Кроме того, качество зависит не только от алгоритма сжатия, но и от параметров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения. При выборе платы для оцифровки видеоизображения следует обратить особое внимание на возможность контроля параметров цифрового видео. Хорошая система оцифровки и сжатия видео должна допускать задание наиболее важных параметров для аппаратной и программной части видеосистемы. В некоторых применениях решающее значение имеет скорость воспроизведения видео (частота кадров/с), но при этом приходится отказаться от полноэкранного изображения. В других случаях вполне достаточно скорости 15 кадров/с, но качество кадров должно быть идеальным. Оборудование и программное обеспечение для оцифровки и сжатия видео должны поддерживать управление этими операциями. Не все системы имеют достаточные средства контроля параметров.
Выбор конкретного алгоритма зависит от цели. Существует большое разнообразие сжатия, но только MPEG (MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4) признаны международными стандартами для сжатия видео.
Эта технология использует поточное сжатие видео, при котором обрабатывается не каждый кадр по отдельности, а анализируется динамика изменений видеофрагментов и происходит устранение избыточных данных. В большинстве фрагментов фон изображения остается достаточно стабильным, а действие происходит только на переднем плане. Поэтому алгоритм MPEG начинает сжатие с создания исходного (ключевого) кадра.
Играя роль опорных кадров при восстановлении остальных изображений, они размещаются последовательно через каждые 10-15 кадров. Только некоторые фрагменты изображений, которые находятся между ними, претерпевают изменения. И именно эта разница сохраняется при сжатии. В результате при использовании MPEG-технологии можно добиться рабочего коэффициента сжатия более, чем 200 : 1, хотя это приводит к некоторой потере качества.
Процесс видеомонтажа с использованием персонального компьютера в настоящее время состоит из трех основных операций: оцифровки, сохранения оцифрованного видео на каком-либо носителе и преобразования оцифрованных изображений с помощью программных средств [4].
Оцифровка - это преобразование сигнала от аналогового источника (например, видеокамеры) в цифровую форму (см. подразд. 5.2). При использовании цифровой видеокамеры необходимость в этой операции исчезает, поскольку к вам поступает уже оцифрованный сигнал.
Точность преобразования зависит от двух основных характеристик: глубины оцифровки и частоты выборки (дискретизации), с которой она происходит.
Глубиной оцифровки называют число уровней по амплитуде, на которое разбивается входной сигнал. Считается, что не происходит потери информации уже при разбиении на 256 уровней. Такое количество уровней можно закодировать 8-битовым числом. Для цветных изображений необходима кодировка трех составляющих, что потребует 24 бита. От частоты дискретизации зависит разрешение оцифрованного изображения. Например, при разрешении 720 х 576 частота дискретизации составляет 13,5 МГц.
Вторая операция - сохранение оцифрованного (цифрового) изображения и звука на каком-либо носителе. Технически это, наверное, самая сложная операция во всем процессе. Для этого используются различные программно¬аппаратные методы сжатия информации.
Сжатие изображения программными средствами - процесс длительный, и его нельзя осуществить на современных ПК в реальном времени со скоростью поступления видеокадров, поэтому для сжатия используются специальные процессоры. Существуют и компромиссные решения, предусматривающие выполнение в реальном времени только минимального сжатия, достаточного для промежуточной записи на магнитный носитель. По окончании ввода небольшого видеофрагмента, выполняется вторичное сжатие, занимающее на современной элементной базе до 150 минут на каждую минуту исходной видеопоследовательности. Недостатки очевидны, но есть и преимущество - это гораздо дешевле.
Третья операция - преобразование оцифрованных и сжатых изображения и звука с помощью программных средств. По окончании этого процесса результат без особых проблем можно сохранить на каком-либо носителе.
Если вы захотите получить окончательный вариант на видеоленте, то для «склейки» этих частей потребуется ее позиционирование с точностью до кадра, которое можно выполнить только на профессиональном оборудовании. Чтобы воспользоваться бытовой (полупрофессиональной) видеотехникой, необходимо произвести еще одну операцию - запись на ленту специального синхронизирующего кода. Это можно сделать с помощью особых, относительно недорогих компьютерных устройств.
Проделав все это и записав свое произведение, вы завершите производственный цикл. Но еще до начала работы необходимо продумать технологический «маршрут» и позаботиться о том, чтобы аппаратура имела соответствующие выходы для записи на внешние устройства.