Оксана Буковецкая - Видео на вашем компьютере: ТВ тюнеры, захват кадра, видеомонтаж, DVD

Теоретически MPEG позволяет описывать кадры большого размера, но в связи с ограничением числа макроблоков на картинку реальный размер кадра составляет 352x240, 30 кадров/с (SIF) или 352x288, 25 кадров/с, формат 4:2:0, 8 бит на точку.

MPEG позволяет значительно уменьшить суммарный поток данных. Естественно, потери качества при очень высоком уровне сжатия будут происходить вне зависимости от алгоритма обработки. Обычно программы сжатия позволяют заранее выбрать требуемое качество и показывают поток данных, которые вы получите в этом случае. Уменьшение потока в ущерб качеству обычно выбирают при создании видео для Intenet и мультимедиа-приложений.

Поскольку B-кадр нельзя декодировать, не приняв последующего P-кадра, кадры декодируются не в линейной последовательности (рис. 3.7).

Алгоритм MPEG 2 является усовершенствованным вариантом MPEG 1, использует поиск и удаление избыточности (повторяющейся информации) в видеосигнале. Поскольку, по некоторым данным, дублируется более 90 % информации, уровень компрессии может быть весьма высоким. Этот стандарт позволяет работать с кадром полного размера, с видео в стандарте не только 4:2:2, но и 4:4:4, чересстрочной разверткой, широкоформатным изображением (соотношение сторон кадра 16:9).

MPEG подразделяется на уровни и профили. Профиль определяет набор методов обработки, а уровень – перечень ограничений, таких, как размер кадра или скорость потока данных.

В профиле Simple (простой) отсутствуют B-кадры, профиль Main (основной) – это обычный MPEG 1. В более высоких профилях – Main+ (основной+), Next (следующий) – используется разделение на три слоя, что позволяет организовать приоритет при передаче данных. При пространственном масштабировании основной, менее приоритетный слой кодируется с меньшим разрешением и затем используется как предсказание для более приоритетных. SNR-каналы (Signal to Noise Ratio Scalability – масштабирование соотношения сигнал/шум) кодируются с одинаковой скоростью, но с разным качеством: менее приоритетный слой содержит плохую картинку – более дискретные шаги, а высокоприоритетный слой содержит довесок, позволяющий построить качественную картинку.

При временном масштабировании слои различаются по скорости передачи информации. Обычно больший приоритет имеют низкочастотные компоненты, а меньший – более высокочастотные (мелкие детали).

Уровни определяют размер кадра и величину потока – см. табл. 3.1.

Существуют запретные сочетания уровней и профилей, например для профиля Main невозможны уровни High. Наиболее часто встречается сочетание главного уровня с главным профилем. Встретив обозначение [email protected], не пугайтесь, это всего лишь Main Level, Main Profile. Возможны и более развернутые обозначения, например IBP 15/3 [email protected] Вы, наверное, уже поняли, что такая запись означает главный уровень, главный профиль, кодирование с использованием и I-, B– и P-кадров, группы из 15 кадров, по 3 B-кадра между P-кадрами.

MPEG 2 является наиболее распространенным способом сжатия видеоданных и применяется во многих цифровых форматах. Однако в наиболее дорогой технике профессионального класса предпочитают обходиться без компрессии, следуя по пути увеличения скорости протяжки ленты и ее расхода, а для компьютерного видео – распараллеливания записей.

Для записей бытового класса и многих случаев видеорегистрации MPEG представляет собой вполне приемлемый вариант. Этот алгоритм с успехом используется в цифровом формате DVD-video, считающемся «последним словом» бытовой видеотехники. При непрерывном просмотре кадры MPEG кажутся полностью реалистичными. Однако это впечатление обманчиво. На рис. 3.8 и 3.9 показаны кадры из одного и того же видеоклипа: один взят из некомпрессированного AVI-файла, другой – из созданного на его основе MPEG-файла.

Рис. 3.9. Фрагмент из той же видеопоследовательности в формате MPEG

Если вы собираетесь получать из видеоролика отдельные кадры и использовать их, например, для полиграфии, формат MPEG, как и любой другой вариант компрессии, категорически противопоказан!

До недавнего времени считалось, что монтаж MPEG-последовательностей затруднен, если не невозможен. Для монтажа и создания эффектов их приходилось декомпрессировать. Наиболее современные системы видеоввода обеспечивают возможность не только монтажа, но и применения эффектов к видеопоследовательностям в формате MPEG. К сожалению, автор вынуждена честно признаться, что пока не видела видео, созданного подобным способом и ничего не может сказать о его качестве.

Существует (в зачаточном состоянии) еще два MPEG-формата: MPEG 4 и MPEG 7, не являющиеся собственно форматами сжатия. MPEG 4 – новый мультимедиа-формат, рассчитанный на низкоскоростную передачу данных. Суть его заключается в том, чтобы подразделить материал на несколько типов элементов (медиа-объектов): неподвижные, видеообъекты, аудиообъекты и т. д., формализовать их структуру и взаимосвязи и скомпоновать в единую, изменяемую пользователем сцену. Есть его вариант MPEG-J, использующий язык Java. MPEG 7 представляет собой интерфейс для описания и поиска различных типов мультимедиа-информации.

Несмотря на преимущества межкадрового сжатия, для ряда профессиональных форматов, например, Digital S фирмы JVC, применяется только внутрикадровая компрессия.

Цифровые видеоформаты

Как уже отмечалось, количество цифровых форматов значительно превышает количество форматов аналоговых. Даже при наличии общепринятых стандартов практически каждая известная фирма-производитель видеотехники предлагает свою реализацию формата. К сожалению, совместимость даже между разными реализациями одного формата чаще всего (точнее, почти всегда) оставляет желать лучшего. Причина не в сложности разработки совместимых форматов, а в соображениях исключительно маркетингового характера. Как только в среде производителей появляется даже не стандарт, а идея стандарта, сразу начинается борьба за лидерство: каждая фирма стремится первой создать его рыночную реализацию. Кроме того, каждая компания мечтает закрепить за собой своих клиентов «навеки». Поэтому делается все возможное для вертикальной совместимости между собой продукции данной фирмы. Приведет ли это к несовместимости с продукцией конкурентов – пока не важно. Зато потом, когда все, кто успел, уже предложили свои варианты и рынок оказался поделенным, начинается переманивание клиентов у «соседа». Вот тогда производители вдруг начинают заботиться о совместимости, выпускать адаптеры и заключать соглашения. В результате покупатели, растерявшиеся перед разнообразием торговых марок и стандартов, тратят массу времени на попытки разобраться, какой модели отдать предпочтение.

На самом деле, во многих случаях разница между вариантами весьма невелика. В этом разделе автор постаралась привести краткие характеристики наиболее известных форматов. Конечно, здесь нет их полной спецификации и подробных технических описаний. За небольшим исключением также опущены данные, касающиеся особенностей пленки, расположения и числа дорожек, работы головок. Основное внимание уделено стандартам кодирования видеоинформации.

Форматы, с которых все начиналось

Формат D1 – это «дедушка» всех современных цифровых форматов. В нем используется компонентный сигнал, дискретизация 4:2:2, уровень квантования составляет 8 бит. Существование кода, содержащего контрольную информацию, позволяло исправлять ошибки, эквивалентные продольной царапине длиной в 0,5 мм или выпадению трех строк изображения. Аппараты этого формата способны принимать данные в двух основных ТВ стандартах: PAL и NTSC. При этом число строк в поле (полукадре) варъируется: 300 при 625 строках на кадр и 250 при 525 строках на кадр.

Форматы D2 и D3 использовали композитный сигнал (в стандартах PAL или SECAM) и частоту дискретизации, соответствующую четвертой гармонике цветовой несущей. Формат D2 обладал на тот момент беспрецедентной плотностью записи.

D1 и D2 работали на широкой ленте – 3/4 дюйма, D3 – на более узкой, 1/2 дюйма, что дало возможность использовать этот формат для создания первой цифровой видеокамеры.

В наши дни форматы представляют лишь исторический интерес и в современной технике не используются. В дальнейшем композитный видеосигнал не применялся в цифровой технике. Все современные цифровые видеомагнитофоны используют компонентный сигнал.

Современные цифровые форматы

Число форматов цифрового видео очень велико, однако с точки зрения их использования в качестве источника сигнала для компьютерного видеоввода эти различия не очень значительны.

Все современные цифровые форматы работают с компонентным сигналом. Частота дискретизации и глубина квантования могут заметно различаться. Появился еще один существенный параметр: это наличие/отсутствие компрессии (сжатия), ее тип и уровень. В начале этой главы мы разбирали проблемы, связанные со сжатием данных. Проблема записи больших потоков связана с существенным расходом пленки, и решить вопрос возможно только с помощью громоздкой и очень дорогой студийной техники. Поэтому большинство современных цифровых форматов используют сжатие.