Принцип оцифровки аналоговых видеоизображений

Любой видеофильм — это всего лишь последовательность снимков, выстроенных в строго определенном порядке. Когда эти снимки, называемые кадрами, высвечиваются на экране в быстром темпе один за другим, это создает эффект фильма.

Как и звук видео имеет аналоговую природу. Именно на основе аналоговых видеосистем построено современное телевидение. Аналоговый видеосигнал представляет собой непрерывный высокочастотный сигнал, модулированный в соответствии с яркостью соответствующего пикселя телевизионного изображения.

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видеокомпоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. п.) 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 "чистую" картинку и другие факторы потери качества.

Несмотря на широкую популярность аналогового телевидения, такой принцип имеет очевидные недостатки. Во-первых, во время передачи видеосигнала возникают различные электромагнитные помехи, ухудшающие изображение, а во-вторых, запись и копирование аналогового видеосигнала всегда сопровождается некоторой потерей качества. В связи с этим дальнейшее развитие технологий передачи и обработки видеоизображения пошло по пути использования цифрового видеоизображения.

Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы. Дальнейшие усовершествования этого формата привели к появлению различных его вариаций: S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.

Тем не менее все вышеперечисленные форматы остаются аналоговыми по своей 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.

Цифровое видео.Недостатки, присущие аналоговому способу воспроизведения видео, в конце концов привели к разработке цифрового видеоформата. На смену аналоговому видео пришло цифровое. В области профессионального видео применяется несколько цифровых видеоформатов: D1, D2, Digital BetaCam и др. В отличие от аналогового видео, качество которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу.

Хотя современный видеоряд базируется на цифровой основе, практически все цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют пленку с последовательным доступом. Поэтому большинству профессионалов в области видео все еще привычней работать с пленкой, чем с компьютером.

Конечно, пленка в качестве источника данных пока еще остается более предпочтительной, чем жесткий диск компьютера, поскольку вмещает значительно больший объем данных. Но зато для цифрового видеомонтажа использование компьютеров дает ряд существенных преимуществ: не только обеспечивает прямой доступ к любому видеофрагменту (что невозможно при работе с пленкой, поскольку к необходимым участкам можно добраться лишь последовательно просматривая видеоматериал), но и предполагает широкие возможности обработки изображения (редактирование, сжатие).

Это достаточно веские причины для перехода видеопроизводства с традиционного оборудования на компьютерное.

Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук. Элементы видео хранятся в цифровом формате.

Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стали стихийно возникать самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к некоторой путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы благодаря усилиям Международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organisation) выработаны единые стандарты на форматы видеоданных, которые мы позже рассмотрим.

Точно так же, как звуковая плата позволяет записывать цифровой звук на своем ПК, плата видеозахвата (или видеограббер) позволяет записывать цифровое изображение.

Цифровая регистрация изображений всегда начинается с разложения изображения на отдельные элементы и измерения яркости и цветности каждого из этих элементов (рис.9.1). Полученные при измерении интенсивности аналоговые значения напряжения преобразуются в аналого-цифровом преобразователе (который в приведенном примере является основной частью оцифровывателя видеосигнала), в цифровые числовые значения, направляемые затем в компьютер. Там они хранятся в виде матрицы цифровых значений, которая обычно называется «Bitmap» («битовая матрица»). Поэтому оцифрованные изображения называют также изображениями в формате битовой матрицы (рис.9.2).

Емкость ячейки ЗУ, которая содержит информацию об одном элементе изображения, зависит от глубины оцифровки цвета. Как вы, безусловно, знаете, наименьшей единицей емкости ЗУ является бит, который может принимать значения «О» или «I». Если объединить несколько бит в одну более крупную единицу, это позволит кодировать более крупные числовые массивы. В одном байте, например, содержится восемь бит, с помощью которых могут быть представлены числа от 0 до 255. Здесь уместно еще раз перечислить важнейшие свойства различных изображений в виде битовых матриц, которые обычно используются при их цифровой обработке. Монохромные двухградационные изображения состоят только из черных или белых элементов. При их запоминании на каждый элемент достаточно одного бита. Но поскольку на программном уровне очень трудно манипулировать с отдельными битами, такие изображения в большинстве случаев преобразуют вначале в восьмибитовый монохромный формат, а уже затем вносят изменения с помощью каких-либо программ обработки изображений. Это часто происходит непосредственно при загрузке изображения, и пользователь об этом даже не подозревает. Поскольку двухградационные изображения, как правило, вводятся с максимально возможным разрешением сканера, здесь могут легко возникнуть проблемы с памятью, так как требуемая емкость памяти после указанного преобразования увеличивается в восемь раз.

В цветных изображениях с 16 или 256 цветами один элемент изображения требует 4 или 8 бит. При этом числовое значение не прямо определяет цвет элемента изображения. Изображению придается цветовая палитра, состоящая из 16 или 256 RGB-троек, с помощью которых косвенно определяются цвета элементов изображения. Возможности обработки палитровых изображений в разных программах различны. Простую последующую обработку, включающую изменение яркости или контраста, как правило, можно производить непосредственно, поскольку для этого требуется изменить лишь цветовую палитру. Ввод элементов изображения или рисование кистью обычно возможно лишь после преобразования палитровых изображений в полутоновые или в 24-битовый формат естественных цветов. Причиной этого является ограниченное число цветов, содержащихся в палитровых изображениях. При многих операциях обработки изображений возникают цвета, которых не было в исходном изображении. Их необходимо согласовывать с имеющейся цветовой палитрой, что, с одной стороны, требует больших затрат времени, а с другой — исключает применение многих операций обработки изображения.

Полутоновые изображения являются частным случаем палитровых. Здесь один элемент изображения занимает в ЗУ также 8 бит, то есть может принимать значения от 0 до 255. Это численное значение в полутоновых изображениях непосредственно характеризует яркость. Палитра в полутоновых изображениях важна только при загрузке, поскольку в зависимости от формата файла численное значение 0 в одном случае может принадлежать черному, а в другом — белому тону. Программа распознает это при считывании файла на основе палитры, и при необходимости данные соответствующим образом преобразуются. Полутоновые изображения можно подвергать любой обработке без дальнейших преобразований, если в них не вводится никаких цветных элементов, например цветных надписей. Последнее возможно лишь после преобразования полутонового изображения в 24-битовый формат естественных цветов.

В изображениях в естественных цветах каждый элемент запоминается в виде RGB-тройки. Поскольку красная, зеленая и синяя составляющие цвета элемента изображения задаются численным значением от 0 до 255, для запоминания каждого элемента изображения требуется 24 бита. Такое изображение теоретически может содержать до 16,8 миллиона различных цветов. Этим оправдывается название «изображение в естественных цветах». Изображения в естественных цветах обеспечивают самые широкие возможности для дальнейшей обработки и художественного воплощения.

Чтобы воспроизвести изображение в виде битовой матрицы (в растровом формате) на экране компьютерного монитора, необходимо считать численные значения из памяти компьютера и ввести их в память графической платы. На экране могут быть отображены только те данные, которые находятся в памяти графической платы. Это преобразование данных осуществляется микропроцессором, установленным на системной плате компьютера. Даль нейшую работу по представлению изображения на экране берет на себя графический процессор, установленный на графической плате. В зависимости от конструктивного исполнения графической платы и глубины цвета изображения при перезаписи данных в память графической платы может потребоваться их преобразование. Оно осуществляется программой драйвера графической платы или программой обработки изображений. Что при этом происходит, описывается в следующем разделе, посвященном принципу работы графических плат.

Основной задачей графического процессора является выдача на монитор кадров изображений с определенной частотой, как правило, до 50 до 72 кадров в секунду. Формирование изображения на экране монитора представляет собой динамический процесс Электронный луч (в цветных мониторах — три луча) перемещается по экрану кинескопа слева направо и сверху вниз, создавая изображение строка за строкой, элемент за элементом путем возбуждения люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность трубки. Когда электронный луч доходит до правого нижнего угла экрана, свечение в верхней части кинескопа уже прекратилось, и поэтому необходимо формировать изображение снова и снова. Чем чаще происходит такое обновление изображения, тем менее заметны его мелькания. Число кадров, формируемых в секунду, называют частотой кадросмен, или вертикальной частотой По эргономическим причинам сегодня используют вертикальную частоту не ниже 72 Гц, то есть 72 кадров в секунду. Ниже этого значения уже становятся заметными мелькания.

Компьютерный монитор имеет ряд отличий от телевизора. Во-первых, формирование изображения начинается точно из левого верхнего угла, а не с середины первой строки Во-вторых, отображаются полные кадры, а не поля. Требуемые для этого дополнительные технические затраты являются причиной сравнительно высокой стоимости компьютерных мониторов. Лишь в очень дешевых устройствах разрешение выше 800 х 600 элементов достигается с применением чересстрочного метода разложения.

Существует однозначная зависимость между элементом изображения и его яркостью или цветностью. Для каждого элемента в ЗУ хранятся данные в виде одного или нескольких чисел, которые однозначно определяют яркость или интенсивность его цветовых составляющих. В телевизионной технике это не так. Там видеосигнал передает только изменения яркости. Малая полоса частот видеосигнала, составляющая максимум 5 МГц, исключает возможность передачи значений интенсивности в явной форме для каждого элемента изображения. При воспроизведении цифровых изображений каждый элемент изображения характеризуется однозначными значениями интенсивности.

Чтобы обеспечить непрерывное обновление изображения на экране, графический процессор циклически считывает из памяти (которую обычно называют видео-ЗУ) цифровые данные и преобразует их в аналоговый сигнал, подаваемый далее на монитор. При этом приходится работать с огромными массивами данных. Например, чтобы представить на экране изображение из 640 х 480 элементов в 256 цветах при вертикальной частоте 72 Гц, необходимо из видео-ЗУ считывать в секунду 640 х 480 х 72 = около 21 Мбайт видеоданных и преобразовывать их в сигнал монитора! Это примерно соответствует максимальной скорости перемещения блоков данных в памяти компьютера. С увеличением разрешения, глубины цвета и кадровой частоты скорость передачи данных линейно возрастает. При 24-битовом представлении изображения в естественных цветах с разрешением 1064 х 768 элементов и вертикальной частотой 72 Гц скорость передачи данных составляет 170 Мбайт/с. Графические процессоры действительно работают с большой нагрузкой. Тактовые частоты выше 100 МГц уже не редкость. Поэтому неудивительно, что графические платы с такими возможностями стоят столько же, а иногда и больше, чем высококачественные системные платы компьютера. Производительность графической платы, а тем самым и ее цена, определяется в итоге скоростью передачи данных или, что равноценно, полосой частот выходных видеосигналов.

Наряду с графическим процессором важную роль выполняет цифро-аналоговый преобразователь, расположенный на графической плате. Его задача заключается в преобразовании дискретных цифровых значений, из которых строится оцифрованное изображение, в аналоговые значения напряжения. В отличие от графических стандартов первого и второго поколения, стандарт VGA базируется, как и большинство других графических стандартов, на аналоговом видеосигнале. На вход монитора подаются три сигнала напряжения, определяющие интенсивности лучей трех электронных прожекторов. Поскольку аналоговый сигнал, в отличие от цифрового, может принимать любые значения, интенсивности красных, зеленых и синих элементов в принципе можно устанавливать с любой точностью и посредством аддитивного смешения создавать теоретически бесконечное множество цветовых оттенков.

Графические платы HiColor (рис.9.3) обеспечивают прекрасный баланс между ценой и производительностью. Однако когда предъявляются очень высокие требования к точности цветопередачи или приходится часто работать одновременно с цветными и полутоновыми изображениями, низкое разрешение по яркости может оказаться существенным недостатком. В этом случае может помочь только графическая плата TrueColor. Хотя по цене она со значительным отрывом опережает другие типы плат, принцип ее действия исключительно прост (рис.9.4).

При воспроизведении изображения в естественных цветах его данные копируются в видео-ЗУ без изменений. Для отображения на экране на ЦАП подаются неурезанные значения RGB-тройки. Поскольку

при этом каждая цветовая составляющая кодируется с разрешением 8 бит, для нее можно получить 256 градаций. Это дает максимум 256 х 256 х 256 =16 миллионов цветов или 256 градаций яркости. Для палитровых изображений драйвер графической платы в процессе перезаписи в видео-ЗУ автоматически присваивает каждому элементу изображения подходящее значение RGB-тройки из цветовой палитры. Однако никаких других преобразований не производится. Результирующая RGB-тройка непосредственно записывается в видео-ЗУ.

Как и ранее, большинство пользователей предпочитает работать с графическими платами, которые могут поддерживать верхние цветовые режимы HiColor и при высоких разрешениях. Причина этого становится ясной, если рассчитать требуемую емкость видео-ЗУ при типовых сочетаниях глубины цвета и яркостного разрешения, а также скорости передачи данных при частоте кадросмен 72 Гц, выбираемой по эргономическим причинам (табл.9.1).

Таблица 9.1