 |
Методы сжатия видеоданных.
|
|
|
|
Как выбрать метод сжатия? Методы сжатия данных используют математические алгоритмы для устранения, группировки и/или усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма зависит от вашей конечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, включая PLV, Compact Video, Indeo, RTV и AVC, но только Motion JPEG (Joint Photographic Experts Group), MPEG-1 и MPEG-2 признаны международными стандартами для сжатия видео.
Практически все рассматриваемые ниже видеоплаты построены на основе одного из двух методов компрессии: Motion-JPEG или MPEG. Нелегко судить о преимуществе одного формата над другим, тем более что области применения этих форматов несколько различаются, так как технология MPEG кодирования и монтажа до последнего времени была более дорогостоящей и сложной. Большую роль сыграло и анонсирование спецификаций формата MPEG-2, который ляжет в основу новых видеотехнологий не только на компьютерах, но и применительно к телевидению и кино. Судя по всему, этот формат в совокупности с новыми CD-дисками высокой плотности (DVD) основательно изменит привычный видеорынок. Без сжатия очень трудно обеспечить непрерывную передачу видео со скоростью 21 Мбайт/с (требования CCIR 601[3] - признанного в мире стандарта цифрового телевидения), а объемы и стоимость хранения несжатых видеоданных на дисках фактически делает невозможным применение PC для чернового монтажа. Качество сжатия варьирует в довольно широких пределах; обычными для современных видеосистем являются коэффициенты сжатия от 1:4 до 1:100. Для цифрового оборудования, которое используется при нелинейном монтаже видео с вещательным (1:4 и менее) качеством влияние сжатия может быть особенно заметным. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два стандарта сжатия: Motion-JPEG и MPEG. Сейчас разрабатываются новые методы сжатия изображения и видеопотока, но какие бы совершенные алгоритмы при этом ни применялись, неизменным остается одно: чем выше
|
|
|
коэффициент сжатия - тем хуже качество. Методы сжатия сводятся к анализу изображения, на основании которого делаются предположения обо всем изображении в целом, что изначально допускает возможность погрешности. Применение подобных интегральных оценок к разным картинкам при сжатии дает разные результаты. И даже если сжатие позволяет достичь прекрасных результатов на картинке с плавными переходами и небольшими шумами, то обработка резкого и зашумленного изображения может привести к худшим результатам.
Контроль параметров цифрового видео.
Возможность контроля параметров цифрового видео особенно важна, если производительность вашей системы и пропускная способность шины ограничены (как это обычно и бывает). Хорошая система оцифровки и сжатия видео должна позволять задавать наиболее важные параметры 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 уровня в 15 кадров/с, но качество этих кадров должно быть идеальным.
Оборудование и программное обеспечение для оцифровки и сжатия видео должны иметь возможности управления этими операциями, чтобы удовлетворить вашим требованиям. Внимательно отнеситесь к этой рекомендации, так как не все системы имеют достаточные средства по контролю параметров видео.
Анимационные контроллеры и системы нелинейного видео-монтажа (недостатки традиционного метода записи видео и преимущества систем не линейного монтажа)
|
|
|
Традиционная технология работы с цифровым видео на компьютере для записи и воспроизведения видеоданных требует использования программно управляемого видеомагнитофона, обеспечивающего позиционирование ленты с покадровой точностью. Этот процесс имеет целый ряд недостатков:
•очень длительный процесс сброса на пленку (4 кадра в минуту);
•высокая стоимость программно управляемого видеомагнитофона;
•очень высокий износ механики магнитофона при работе в покадровом режиме;
•режим покадрового сброса повышает уровень шумов на ленте;
•обработанное видео записывается на мастер-ленту, при дублировании которой происходит потеря качества.
Использование анимационных и видеоконтроллеров позволяет воспроизводить цифровое видео в режиме реального времени непосредственно с диска компьютера или записывать с видеоленты на диск. Преимущества такой технологии:
•отпадает необходимость в дорогом магнитофоне с покадровой записью;
•высокая скорость сброса видео на ленту - процесс занимает столько времени, сколько длится сам клип;
•щадящий режим использования дорогой видеотехники;
•мастер-ленту можно получать любое число раз.
Что такое MPEG?
Структура MPEG-последовательности.
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. Поскольку в большинстве моментов фон изображения остается достаточно стабильным, а действие происходит только на переднем плане, алгоритм MPEG начинает сжатие с создания исходного (ключевого) кадра. Играя роль опорных 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. Таким образом,MPEG-последовательность содержит три типа изображений:
Intro (I) – исходные (И) кадры, содержащие разность основное изображение;
|
|
|
Predicted (P) – предсказуемые (П) кадры, содержащие разность текущего изображения с предыдущим И-кадром или учитывающие смещения отдельных фрагментов.
Bi-directional Interpolated (В) – двунаправленные (Д) кадры, содержащие только отсылки к предыдущим или последующим изображениям (И или П) с учетом смещений отдельных фрагментов.
И-кадры имеют довольно низкий коэффициент сжатия и составляют основу MPEG-файла. Именно благодаря им возможен случайный доступ к какому-либо отрывку видео. П-кадры кодируются относительно предыдущих кадров (будь то И- или П-кадры) и обычно используется как сравнительный образец для дальнейшей последовательности П-кадров. В этом случае достигается высокий коэффициент сжатия, но при этом для их привязки к видеопоследовательности необходимо использовать не только предыдущие, но и последующее изображение. Сами Д-кадры никогда не используются для сравнения.
Изображения объединяются в группы (GOP – group of pictures), представляют собой минимальный набор повторяемых последовательных изображений. Типичной является группа вида: (И0 Д1 Д2 П3 Д4 Д5 П6 Д7 Д8 П9 Д10 Д11)
Отдельные изображения состоят из структурных единиц - макроблоков, соответствующих участку изображения размером 16Х16 пикселов. Компьютер анализирует изображения и ищет идентичные или похожие макроблоки, сравнивая базовые и последующие кадры. В результате сохраняется только данные о различиях между кадрами, называемые
вектором смещения (vector movement code).Макроблоки, которые не претерпевают изменений, игнорируются, так что количество данных для реального сжатия и хранения существенно снижаются. Для повышения устойчивости процесса восстановления изображения к возможным ошибкам передачи данных последовательные макроблоки объединяют в независимые друг от друга разделы (slices). В свою очередь, каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости, а два определяют цветовые компоненты. Блоки являются базовыми структурным единицами, над которыми осуществляются основные операции кодирования, в том числе выполняется и дискретное преобразование (DCT – Discrete Cosine Transform).В результате при использовании MPEG-технологии можно достигнуть рабочего коэффициента более чем 200:1,хотя это приводит к некоторой потере качества.
|
|
|
Использование MPEG
MPEG-1
Качественные параметры видеоданных, обработанных MPEG-1,во много аналогичны обычному VHS-видео, поэтому этот формат применяется в первую очередь там, где неудобно или непрактично использовать стандартные аналоговые видеоносители.
1.1 Видеокиоски.
Видеокиоски (или информационные киоски) дают возможность по-новому организовать и автоматизировать сервис в рамках одной организации. Особенно это важно для розничных магазинов, автомобильных салонов, банков и музеев. Продавец не всегда способен уделить достаточно внимания сразу нескольким клиентам, зачастую от не имеет возможности подробно рассказать обо всех особенностях того или иного продукта или наглядно и эффектно его продемонстрировать. А видеокиоск всегда под рукой. В нем можно разместить не только подробную информацию об имеющихся продуктах и услугах, но и включить туда интерактивные видеофильмы, позволяющие просто и наглядно ответить на многие вопросы. К примеру: «Какие у вас имеются модели автомобилей?«,»Расскажите об их особенностях», «Какой цвет я могу выбрать?». Информация, которая выводилась в виде слайдов и сопроводительного текста, теперь становится более доступной и эффектной благодаря внедрению полноэкранного видео. Используя MPEG-1, разработчик регулярно и без особых дополнительных затрат обновлять содержимое видеокиоска. Развитие программных средств и эволюция пользовательского интерфейса ведут к все более впечатляющим возможностям интерактивности.
1.2 Видео по требованию (Video on Demand).
Термин «видео по требованию» появился сравнительно недавно. В начале подобный сервис можно было встретить только в дорогих отелях,а теперь уже полным ходом идет реализация глобальной идеи об интерактивной цифровой системе, благодаря которой любой пользователь сможет запросить какой-либо фильм или передачу в определенное время и прямо на дом. Современные технологии позволяют говорить об этом проекте как о грядущей реальности, хотя до появления подобного устройства в широком потреблении пройдет еще несколько лет.
1.3 Видео по телефону.
Некоторые телефонные компании сейчас разрабатывают системы, позволяющие получать фильмы по обыкновенной телефонной линии. Правда, приходиться учитывать
ограниченную пропускную способность имеющихся телефонных коммникаций, но повсеместное внедрение стандарта ISDN и других новых технологий связи поможет решить эту проблему.
|
|
|
1.4 Обучение.
Рынок тренажеров и интерактивных учебных комплексов сейчас бурно развивается. Раньше для подобных задач используется аналоговые видеосистем и лазерные диски. Стандарт MPEG стал идеальной альтернативой, так как эта технология при более низких затратах дает целый ряд преимуществ: транспортабельность и компактность, простота модернизации и
возможность работать в сети. Мне кажется, что для российских фирм этот рынок сегодня представляет большой интерес.
1.5 Презентации.
Корпоративный рынок становиться все более требовательные к качеству и техническим возможностям презентационного оборудования. Большинство новых программных пакетов, предназначенных для подобных целей, поддерживают работы в видео, в том числе и в формате MPEG. Однако многие пользователи пока недооценивают возможности, которые предоставляют нам современные мультимедиа-системы. Ведь даже если написать хороший, аргументированный проект или доклад, то без эффектного сопровождения и интерактивных иллюстраций ваши идеи могут остаться непонятными или невостребованными. Многие менеджеры уже убедились в этом на собственном опыте.
1.6 Видеобиблиотеки.
Организации, имеющие большие видеоархивы, могут существенно выиграть, перекодировав их в цифровой формат и поместив их на CD-носители или на специальный сервер. В отличие от аналоговых носителей данный метод гарантирует длительное хранение, многократное проигрывание без потери качества и быстрый доступ к любому фрагменту. К тому же, обладая подобным видеоматериалом, вы легко можете открыть удаленный доступ к нему через локальную сеть (интранет) или через WWW. Поэтому музеи, библиотеки, государственные предприятия и научные учереждения, так же как рекламные фирмы и информационные агентства, переходят сейчас на цифровое видео.
2 MPEG-2
Спецификация MPEG-2 подразумевает использование высоких разрешений для достижения максимального качества изображения, поэтому этот формат применяется в первую очередь профессионалами.
2.1 Кабельное телевидение (CATV: Cable Television)
Идея перевести кабельное телевидение на цифровое вещание напрашивается сама собой. Имеющиеся магистрали для передачи видеосигнала вполне могут выдержать интенсивность и объем данных, необходимые для вещания MPEG-видео высокого разрешения (MPEG-2). Уже в ближайшее время должны появиться первые подобные системы, и тогда пользователь реально сможет принимать телепередачи в высоком разрешении со стереозвуком и даже Dolby Surround.
2.2 Направленное спутниковое вещание (DBS: Direct Broadcast Satellite).
Консорциум Hughes/USSB собирается использовать MPEG-2 для направленного вещания. Компания Thomson уже производит специальные декодеры, установив которые вы сможете принимать до 150 каналов. Правда, такие системы работают пока только в Северной Америке.
2.3 ТВЧ – телевидение высокой четкости (HDTV: High-Definition Television)
В США создан консорциум компаний (U.S. Grand Alliance), который разрабатывает новый стандарт HDVN для телевидения высокого разрешения. В нем будет использоваться MPEG-2 с поддержкой с поддержкой следующих режимов: 1440х960 при 30 гц и 1280х720 при 60 гц. Легко себе представить, сколь высокое качество изображения и звука в подобных телепередачах.
Заключение.
В итоге можно сказать, что MPEG является доминирующим стандартом для полнометражного видео, за исключением нелинейного цифрового монтажа, где в данный момент более распространен Motion-JPEG.Однако по мере того как все большее количество кодирующих MPEG-систем будет появляться на рынке,MPEG-2 внедриться и в эту нишу. Надо полагать, что найдется много новых областей применения для технологии MPEG,начиная от высококачественных цифровых DVD-видеодисков и новейших игровых систем и заканчивая совершенными вещательными и монтажными комплексами.
Чем отличается MPEG-1 и MPEG-2.
Видеопоследовательности, сжатые в соответствии с форматами MPEG-1 и MPEG-2, различаются объемом информации и, как следствие, качеством. Хотя алгоритм MPEG-1 может работать с разрешением вплоть до стандарта CCIR-601(720х480),обычно видео кодируется при значительно более низкой интенсивности потока данных, что приводит к худшему качеству воспроизводимого видео. Качество MPEG-1 обычно ассоциируется с качеством VHS только в формате (352х240).При воспроизведении такое изображение “растягивается” аппаратными или программными средствами до полного экрана, и хотя при этом теряется качество, зато остается возможность проигрывать полноэкранное видео даже с двухскоростным CD-ROM.
MPEG-2 поддерживает более высокие разрешения (в том числе и CCIR-601). При этом объем файлов MPEG-2 примерно в четыре раза больше относительно файлов MPEG-1, что позволяет записывать полноэкранные фильмы “вещательного” (Betacam) качества. Этот формат избран для использования в новом поколении видеодисков на основе технологии DVD, а в скором времени станет доминировать и на PC.В отличие от MPEG-1 для MPEG-2 необязательно наличие GOP-групп, и даже при отсутствии GOP-заголовка можно получить прямой доступ к видеофрагменту. Другой ключевой особенностью MPEG-2 является присутствие в нем расширений, которые позволяют при записи разделить видеосигнал на два (ли более) независимо кодируемых потока данных, представляющих видео в различных разрешениях, т.е. с лучшим или худшим качеством изображения. Это делается с целью создания независимых потоков данных определенной интенсивности в рамках одного видеосигнала. Такая функция важна, если необходимо одновременно транслировать ТВЧ и стандартный телевизионный сигнал.
Различия между MPEG и QuickTime [4] с Indeo
Форматы QuickTime и Indeo–это оригинальные разработки компаний Apple и Intel, ориентированные в первую очередь на мультимедиа-рынок. Они не позволяют полноэкранного воспроизведения с вещательным качеством и не поддерживают оцифровки
изображения с полной разверткой (два поля на кадр), что необходимо для профессионального применения. Только MPEG может быть реализован как программно, так и аппаратно на обеих платформах (PC и Macintosh).К тому же если MPEG позволяет достичь коэффициента сжатия до 200:1,то QuickTime предусматривает уровень сжатия не более 50:1, а Indeo обеспечивает уровень сжатия не более 10:1.При этом QuickTime и Indeo даже при низких коэффициентах сжатия не достигают качества MPEG.
Оцифровка и сжатие по формату MPEG,особенно если это происходит в режиме реального времени, требует очень больших аппаратных ресурсов, поэтому соответствующее оборудование имеет достаточно высокую стоимость. На сегодня цены на системы записи MPEG
колеблются от 800 до 10.000 долларов. MPEG-проигрыватель можно купить за 100-300 долларов.
Носители цифрового видео.
Носителем цифрового видео может быть ваш винчестер или гибкий диск, но винчестер далеко не унесешь, а на дискету не поместится достаточное количество видео, да к тому же воспроизвести с дискеты видео вряд ли удастся. В мире для переноски и распространения видеопродукции используется ряд форматов компакт дисков.
Video-CD
Video-CD –это формат, который позволяет записывать MPEG-видео на CD-диск и воспроизводить его на любом оборудовании, поддерживающем формат.
DVD
Технология DVD (Digital versatile/Video disc)[5] заняла достойное место в зале компьютерной славы. После года активной рекламы DVD-плеер вышел на рынок мультимедиа- и видеопродукции.DVD-плеер это устройство стоимостью 600-800 долларов, которое можно подключать к телевизору или PC для проигрывания дисков емкостью 4,7 Гбайт с высоким качеством воспроизведения аудио- и видеоинформации. В связи с тем, что диск имеет большой объем, появился новый вид видеопродукции - интерактивное видео. Интерактивное видео-это фильм длиной около часа, причем главный герой фильма каждые пять-десять минут попадает в ситуации, в которых ему надо сделать выбор, что делать дальше. Выбор продолжения сюжета (одного из 3-4 предложенных) ложится на плечи зрителя. Эта технология позволяет превратить очередной просмотр фильма.
Для записи на DVD или на любой другой носитель информации сжатого видео необходимо иметь систему, состоящую из мощного процессора, платы для аппаратного сжатия видео (можно пользоваться программными средствами, но качество и скорость их работы значительно хуже).
|
|
|
