Основные характеристики цифрового видео

Цифровое видео характеризуется четырьмя основными величинами: частота кад­ров, экранное разрешение, глубина цвета и качество изображения.

Частота кадров. Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала 30 кадров/с (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). Каждый кадр состоит

из определенного количества строк, которые прорисовываются не последова­тельно, а через одну, в результате чего получается два полукадра. Поэтому каж­дая секунда аналогового видеосигнала состоит из 60-ти полукадров. Такой про­цесс называется interlaced видео.

В мониторе компьютера для прорисовки экрана использован метод «про­грессивного сканирования», при котором строки кадра формируются последо­вательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз каждую секунду. Подобный метод получил название non-interlaced видео. В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формиро­вания видеосигнала.

Глубина цвета. Этот показатель является комплексным и определяет коли­чество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обраба­тывают цвет в RGB-формате (красный-зеленый-синий), в то время как видео использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цвет­ности для видеоформатов YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).

Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глуби­ны цвета: 8 бит/пиксел (256 цветов), 16 бит/пиксел (65 535 цветов) и 24 бит/ пиксел (16,7 млн цветов). Для модели YUVприменяются режимы: 7 бит/пиксел (4:1:1 или 4:2:2, примерно 2 млн цветов), и 8 бит/пиксел (4:4:4, примерно 16 млн цветов).

Экранное разрешение или, другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на экране. Мониторы PC и Macintosh обычно рассчитаны на базовое разрешение в 640 х 480 точек (пикселей), но прямой связи между разрешением аналогового видео и компьютерного дисплея нет.

Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, присущих компьютерному видео. Телевизионный стан­дарт NTSC (National Television Standards Committee), используемый в Северной Америке и Японии, предусматривает разрешение 768 х 484. Стандарт PAL (Phase Alternative), распространенный в Европе, имеет несколько большее разреше­ние — 768 х 576 точек.

Разрешение аналогового и компьютерного видео различается, поэтому при преобразовании аналогового видео в цифровой формат может масштабировать­ся изображение, что приводит к потере качества.

Качество видеоизображения — наиболее важная характеристика. Требо­вания к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы кар­тинка была размером в четверть экрана с палитрой из 256 цветов (8 бит), при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других случаях требуется полноэкран­ное видео (768 х 576) с палитрой в 16,7 млн цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой (24 или 30 кадров/с).

Нелинейный видеомонтаж. Использование анимационных и видеоконт­роллеров позволяет воспроизводить цифровое видео в режиме реального вре­мени непосредственно с диска компьютера. Система нелинейного монтажа со­стоит из компьютера, в который вставлены специальные платы и видеомагнито­фона. С видеомагнитофона видео и звук записываются на жесткий диск компь­ютера, при этом они оцифровываются и сжимаются. С помощью монтажных программ можно склеивать и вырезать различные фрагменты, менять их поря­док, добавлять различные эффекты в места склеек, накладывать титры, графи­ку, менять звуковые дорожки и т.д. По окончании монтажа готовый ролик за­писывается на видеокассету.

Сжатие видео

Расчеты показывают, что 24-битное цветное видео, при разрешении 640 Г 480 и частоте 30 кадров/с, потребует передачи 26 Мб данных в секунду, что выходит за рамки пропускной способности компьютерной шины и разумных объемов дис­кового пространства.

Сжатие видео необходимо для уменьшения объема цифровых видео-фай­лов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально сохра­нить качество оригинала. Различают сжатие обычное в режиме реального време­ни, симметричное или асимметричное, с потерей качества или без потери, сжа­тие видеопотока или покадровое сжатие.

Сжатие обычное (в режиме реального времени). Многие системы оцифро­вывают видео и одновременно сжимают его, иногда параллельно совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для качественного выпол­нения этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, по­этому большинство плат ввода/вывода видео для PC бытового класса не способ­ны оперировать с полнометражным видео и часто пропускают кадры. Недоста­точная частота кадров является одной из основных проблем для видео на PC. При производительности ниже 24 кадров/с видео перестает быть плавным. К тому же, пропущенные кадры могут содержать необходимые данные по синх­ронизации звука и изображения.

Симметричное или асимметричное сжатие. Этот показатель связан 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 обычминуты видео занимает примерно 150 минут ре­ального времени.

Асимметричное сжатие обычно более удобно и эффективно для достиже­ния качественного видео и оптимизации скорости его воспроизведения. Такой процесс могут выполнять специализированные компании, куда отсылают исход­ный материал на кодирование, так как кодирование полнометражного ролика может занять много времени.

Сжатие с потерей или без потери качества. Чем выше коэффициент сжа­тия, тем ниже качество видео. Все методы сжатия приводят к некоторой потере качества. Даже если это не заметно на глаз, всегда есть разница между исходным и сжатым материалом. Пока существует всего один алгоритм (разновидность Motion-JPEG для формата Kodak Photo CD), который выполняет сжатие без по­терь, однако он оптимизирован только для фотоизображений и работает с коэф­фициентом 2:1.

Сжатие видеопотока или покадровое сжатие. Покадровый метод подразу­мевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжа­тие видеопотока основано на следующей идее: не смотря на то, что изображение все время претерпевает изменения, задний план в большинстве видеосцен остает­ся постоянным. Создается исходный кадр, а каждый следующий сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, а фиксируется лишь разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент сжатия, прак­тически сохранив при этом исходное качество. Однако в этом случае могут воз­никнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала, закодированного подобным образом.

Коэффициент сжатия — это цифровое выражение соотношения между объе­мом сжатого и исходного видеоматериала. Например, коэффициент 200:1 озна­чает, что если принять объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал занимал объем в 200 раз больший.

Как уже говорилось ранее, чем выше коэффициент сжатия, тем хуже ка­чество видео. Но многое зависит от используемого алгоритма. Для MPEG стан­дартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое качество видео. Различные варианты Motion-JPEG (Joint Photographic Experts Сгоир)работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя при уровне в 20:1 уже трудно добиться отличного качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от пара­метров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программ­ного обеспечения.

Выбор метода сжатия. Методы сжатия данных используют математичес­кие алгоритмы для устранения, группировки и/или усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма зависит от ко­нечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, включая PLV, Compact Video, Indeo, RTV и AVC, но только Motion-JPEG, MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео. Практи-

чески все видеоплаты построены на основе одного из двух методов компрессии: Motion-JPEG или MPEG.