Кодирование видео

Кодирование видео

Повсеместно используемый термин «цифровое видео» является очень расплывчатым: употребляя его, кто-то подразумевает компьютерные фильмы в формате DivX, некоторые – DVD-диски, а другие – цифровое HDTV-телевидение. И каждый по-своему прав – все перечисленные области роднит цифровой формат кодирования сигнала. Проблема заключается в том, что разобраться в огромном разнообразии понятий, связанных с областью цифрового видео, весьма непросто. Перед тем как внести ясность в этот вопрос, «расставив всё по полочкам», нам необходимо рассмотреть базовые основы представления видеосигнала в цифровой форме.

Построение кадра

Напомним базовый принцип традиционной анимации. Для «оживления» изображения в кинематографе используется множество статичных картинок, на каждой из которых предметы меняют своё положение. При быстром последовательном просмотре этих картинок создаётся иллюзия движения. Электронные средства вывода изображения – как цифровые, так и аналоговые – используют несколько иную систему записи и отображения видео; эти процессы имеют сходную основу, поэтому рассматривать их по отдельности мы не будем.

Изображение в объективе видеокамеры проецируется на матрицу, где происходит его сканирование. Процесс сканирования выполняется определённое число раз в секунду. Так, например, для европейского видеостандарта PAL сканирование происходит 25 раз в секунду, а для американского NTSC – 29,97. Нередко частоту сканирования обозначают fps, что вызывает принципиально неверные ассоциации с частотой кадров. Более правильным на наш взгляд, является термин "ips” (images per second), так как понятие "frame” в цифровом видео имеет иное значение.

Сканирование изображения может быть двух видов – чересстрочным (interlaced) и прогрессивным (progressive. non-interlaсed). В первом случае строки сканируются через одну, например первая, третья, пятая и. т. д. После завершения первого этапа сканирования (так называемого «прохода») сканируются оставшиеся строки (вторая, четвёртая и. т. д.) Результата каждого прохода в отдельности называется полем (frame). Это довольно спорный термин: дело в том, что два поля не образуют полную статичную картинку, подобную кадру киноплёнки. В действительности же движущийся объект к моменту сканирования второй последовательности строк уже успеет изменить своё положение, то есть при совмещении чётных и нечётных строк ни о какой «статичной» картинке не может идти речи.

Тем не менее, человеческий глаз в силу чисто физических особенностей воспринимает два поля как единое целое. Прогрессивный же режим, напротив, позволяет сканировать строки последовательно, без разбиения на чётные и нечётные. Возникает естественный вопрос: зачем нужны манипуляции со строками в чересстрочном режиме, когда прогрессивный позволяет избежать этого? Ответ кроется в устройстве ЭЛТ-телевизора. Как известно, время свечения неионизируемого люминофора в экране ЭЛТ - телевизора весьма мало, вследствие чего может возникнуть ситуация, когда сканирующий луч еще не закончил формирование картинки на экране, а уже обработанные строки погасли. В этом случае зритель заметит сильное мерцание экрана, вызывающее напряжение глаз. В чересстрочном режиме за один проход луч обрабатывает в два раза меньше строк, поэтому мерцание не столь ощутимо. Вместе с тем чересстрочный режим имеет существенные недостатки, в частности возникновение случайных помех изображения (артефактов).

Существует наглядный пример проблемности interlaced-режима так называемый twitter-тест, когда на экране демонстрируется последовательность горизонтальных чёрных и белых полос крайне малой толщины. Из-за раздельного показа чётных и нечётных линий в изначально статичной картинке заметное мерцание. В прогрессивном режиме подобные артефакты исключены. Многие цифровые устройства вывода изображения, такие как LCD-мониторы, плазменные панели, ЖК-телевизоры и другие, разработаны специально для работы в прогрессивном режиме. Однако при воспроизведении с их помощью чересстрочного видео возникают проблемы – артефакты изображения становятся до неприличия заметными. Особенно явно этот неприятный эффект, называемый гребенкой, проявляется в сценах с быстро движущимися объектами. Для его устранения применяют видеофильтр "Deinterlace”, который часто используется ещё на этапе обработки видео. В случае если на носителе записано deinterlaced-видео, поправить ситуацию можно и в реальном времени – большинство устройств в воспроизведения видео поддерживает данную функцию.

Хранить необработанное цифровое видео (raw video) сложно из-за поистине гигантских размеров финального файла. В профессиональных камерах размер каждого кадра измеряется порой в десятках мегабайт. Несложно представить себе, сколько места будет занимать небольшой пятиминутный ролик. Разумеется, в домашних условиях подобное расточительство абсолютно неприемлемо. Но решить проблему можно с помощью видеокодеков.

Кодек (Кодировщик/Декодировщик), как следует из названия – это программа, предназначенная для кодирования и декодирования видео. Вопреки расхожему мнению, термины «кодирование» и «сжатие» отнюдь не являются синонимами. Кодирование может включать в себя как сжатие, так и некоторые дополнительные операции, например даун-семплинг (снижение битрейта потока) или, скажем, перевод цветовой палитры видео из компьютерной RGB в киношную YCbCr. Сжатие видеопотока может быть реализовано двумя способами – с потерями (lossy) и без потерь (lossless),

Первый способ исключительно хорошо уменьшает размер видеофайлов; он используется в самой конечной фазе производства фильма при тиражировании и предпродажной записи на носители. Однако до этого момента lossy-сжатие никогда не применяется. Сжатие без потерь, напротив, применяется только на промежуточных стадиях обработки видео. Любопытен тот факт, что в мире видеокодеков принято давать спецификации только на декодеры. Способ кодирования видео каждый производитель кодека волен выбирать сам – лишь бы стандартный декодер смог прочитать результат.

Из-за этого кодеки от разных производителей принципиально различаются как по скорости кодирования, так и по качеству конечного результата. Законодателем мод в области кодеков является международная организация MPEG (Motion Picture Experts Group), являющаяся разработчиком стандартов на типы кодирования видео - и аудиосигналов. Созданные ей кодеки востребованы практически во всех областях, начиная от домашнего использования и заканчивая применением в профессиональных киностудиях самого высокого уровня.

MPEG – 1

Видео в MPEG-1 кодируется в разрешении 352x240 пикселей. Битрейт видео в MPEG-1 постоянный, и для видео CD он составляет 1,5 Мбит/с. Кодек позволяет сжимать видео только в прогрессивном режиме. Весь формат разделён на несколько частей (parts). Каждая из них отвечает за определённую область работы. MPEG-1 – Part 1: отвечает за синхронизацию аудио- и видеоданных. MPEG 1 – Part 2: собственно кодек, обеспечивающий сжатие. MPEG-1 – Part 3: кодек для сжатия аудио. MPEG-1 – Part 4: описывает тесты на совместимость аппаратуры с форматом. MPEG-5 – Part 5: описывает принципы создания ПО для формата. Третья часть делится на несколько слоёв (layers). Третий слой MPEG-1 – Part 3. Layer 3), также известный как МР3, в представлении не нуждается. Он получил широкое распространение на ПК в качестве формата для хранения музыки, однако в профессиональном видео его используют очень редко. Для этого предназначены более «продвинутые» слои - МР2 и МР1.

MPEG – 2

Это общепринятый стандарт для цифрового спутникового телевидения, компакт-дисков Super VideoCD и, конечно же, DVD.Максимальное поддерживаемое им разрешение – 720x 576 пикселей; именно оно подразумевается при употреблении термина «DVD-качество». На низких битрейтах MPEG-2 проигрывает MPEG-1 по качеству сжатия, однако на более высоких (от 4 Мбит/с и выше) уверенно выходит в лидеры. Аудиокодек MPEG-2 является развитием МР1/2/3. Основной его отличительной особенностью является поддержка многоканального звука 5.1.

MPEG -3

MPEG-3 разрабатывался как стандарт для цифрового кабельного телевидения HDTV (High Definition Television). Он использует очень высокий битрейт – до 40 Мбит/c, что в десять раз выше стандартного значения для MPEG-2.

MPEG – 4

Для многих пользователей ПК MPEG-4 является синонимом компьютерного видео. Он создавался специально для использования на маломощных ПК и в Интернете. Его наиболее очевидное преимущество перед остальными стандартами MPEG заключается в возможности организации трансляции видео через Сеть. Кроме того, кодек MPEG-4 оптимизирован под низкий битрейт (ниже 1 Мбит/c), что позволяет записывать фильмы на один компакт-диск.

Обучающие курсы по монтажу видео

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *