Работа с видео данными

Параметры цифрового видео

Размер кадра (frame size) любой видеосигнал имеет разрешение, горизонтальное и вертикальное, измеряемое в пикселях. Обычное аналоговое телевизионное разрешение составляет 720×576 пикселей для стандартов PAL и SÉCAM, при частоте кадров 50 Герц; и 720×480 пикселей для NTSC, при частоте 60 Герц. В выражении 720×480 первым числом обозначается количество точек в горизонтальной линии (горизонтальное разрешение), а вторым числом количество самих линий (вертикальное разрешение). Новый стандарт цифрового телевидения HDTV высокого разрешения предполагает разрешения до 1920×1080 при частоте мелькания 60 Герц с прогрессивной развёрткой.

Число кадров в секунду (frames per second, fps) - это число неподвижных изображений, сменяющих друг друга при показе 1 секунды видеоматериала и создающих эффект движения объектов на экране. Чем больше частота кадров в секунду, тем более плавным и естественным будет казаться движение. Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. Верхняя пороговая частота мелькания, воспринимаемая человеческим мозгом, в среднем составляет 39-42 кадров в секунду. Некоторые современные профессиональные камеры могут снимать с частотой до 120 кадров в секунду.

Битрейт (Bit Rate, поток данных) показывает, сколько бит занимает одна секунда видео. Иногда битрейт указывают в байтах в секунду. Для передачи несжатого видео требуется очень большой битрейт. Например, для несжатого видео 640x480 30 кадров/сек при глубине цвета 24бит потребуется битрейт около 26 Мбайт/сек. Чтобы уменьшить битрейт (и, следовательно, размер фильма), необходимо сжать (кодировать) видео при записи, а при воспроизведении декодировать. Эту работу выполняют различные кодеки.

Тип развертки может быть прогрессивным (построчным) или чересстрочной. При прогрессивной развёртке все горизонтальные линии (строки) изображения отображаются поочередно одна за другой. А вот при чересстрочной развёртке показываются попеременено то все чётные, то все нечётные строки (называемые также полями кадра). Чересстрочная развёртка была изобретена для показа изображения на кинескопах и используется сейчас для передачи видео по «узким» каналам, не позволяющим передавать изображение во всём качестве. Системы HDTV предусматривают прогрессивную развёртку (современные видеокамеры и фотоаппараты с функцией видеозаписи поддерживают сохранение изображения в формате mpeg4, который использует прогрессивную разверстку).

Соотношение ширины и высоты кадра - важнейший параметр в любом видеоматериале. С начала XX века кинофильмы имели соотношение сторон экрана 4:3 (иногда записывается как 1,33:1 или просто 1,33). Считалось что, с учетом наличия у человека двух глаз, зрителю удобнее смотреть фильм на экране такой формы. Это соотношение унаследовали телевидение и мониторы.

Ещё в середине прошлого века представление о 4:3 в корне изменилось, так как поле зрения человека имеет соотношение отнюдь не 4:3. Ведь у человека 2 глаза, расположенных на одной горизонтальной линии - следовательно, поле зрения человека приближается к соотношению 2:1. Чтобы приблизить форму кадра к естественному полю зрения человека был введён стандарт 16:9 (1,78), почти соответствующий так называемому «Золотому сечению». Цифровое телевидение в основном тоже ориентируется на соотношение 16:9. К концу XX века, после ряда дополнительных исследований в этой области, стали появляться даже и более радикальные соотношения сторон кадра: 1,85, 2,20 и вплоть до 2,35 (почти 21:9). Всё это, по словам создателей, призвано глубже погрузить зрителя в атмосферу просматриваемого видеоматериала.

Количество цветов и цветовое разрешение видеосигнала описывается цветовыми моделями. В компьютерной технике применяется в основном RGB (и αRGB). Количество цветов, которое может отобразить монитор или проектор зависит от качества монитора или проектора. Человеческий глаз может воспринять, по разным подсчётам, от 5 до 10 миллионов оттенков цветов. Количество цветов в видеоматериале определяется числом бит, отведённым для кодирования цвета каждого пикселя (о различных цветовых моделях и определении битности цвета см. в Теме 5. Компьютерная графика).

Форматы видео

Качество видеокартинки напрямую зависит от формата видеозаписи. Формат записи может быть аналоговым и цифровым.

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод. Главным недостатком данного метода является то, что 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. К аналоговым форматам относятся форматы видеокассет VHS (Video Home System) и др.

Цифровые форматы имеют ряд преимуществ перед аналоговыми: возможность многократной перезаписи без потери качества, высококачественный стереозвук, возможность передачи видеосигнала по цифровым каналам без потери качества, высокую помехоустойчивость. Существуют цифровые форматы видеокассет (Digital Betacam,DV,miniDV, DIGITAL 8). Наиболее распространенным является формат DV (Digital Video), который характеризуется большим видеопотоком и, соответственно, большим размером выходного видеофайла. Файл с записью видео продолжительностью 1 час займет 12-13Гб. полученное видео нужно сжать для последующего просмотра на компьютере. Наиболее современным цифровым форматом видео, используемом в HD-камерах является AVCHD (Advanced Video Coding High Definition).

Существуют определенные стандарты сжатия видеофайлов. Один из основных и общепринятых получил название MPEG (Moving Pictures Expert Group) – это аббревиатура названия международного комитета, который и занимается разработкой данного стандарта. У данного стандарта есть разновидности MPEG 1,2,4,7,21.

MPEG-1 - формат сжатия для компакт-дисков (CD-ROM). Качество видео - как у обычного видеомагнитофона, разрешение 352х240, диск с фильмом в таком формате обычно обозначается VCD (VideoCD).

MPEG-2 - формат для DVD-дисков, цифрового телевидения. В этом формате снимают видео DVD-, HDD-, Flash-камеры.

MPEG-3 - сейчас не используется (не путать с MP3 (MPEG Audio Layer 3) - технологией сжатия звука)

MPEG-4 - это формат, получаемый с помощью известных кодеков DivX, XviD, H.264 и др. Часто его называют просто MP4. Уменьшает видеопоток еще сильнее, чем MPEG-2, но картинка еще достаточно хорошего качества, поэтому этот формат поддерживает большинство современных DVD-плееров. Особо нужно отметить высокое качество видео, сжатого кодеком последнего поколения H.264.

MPEG-7 и MPEG-21 – форматы будущего, они не усовершенствуют предыдущие форматы сжатия, а определяют различные языки описания. MPEG-7 – стандарт индексации мультимедиа-содержимого. Может описывать информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания указываются особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия.

MPEG-21 – мультимедийная среда разработки, находится в стадии разработки