Видео (от лат. video — смотрю, вижу) — множество технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального или аудиовизуального материала, а также распространённое название для

Видео

Видео (от лат. video — смотрю, вижу) — множество технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального или аудиовизуального материала, а также распространённое название для собственно видеоматериала, в том числе записанного на физическом носителе (видеокассете, видеодиске и т. п.).

Видео отличается от кинематографа только тем, что использует для записи и/или воспроизведения любой другой носитель, кроме киноплёнки.

Характеристики видеосигнала

Частота кадров

Частота кадров в секунду (FPS, Frames Per Second) — 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.

Минимальный показатель, при котором движение будет восприниматься однородным – примерно 16 кадров в секунду (это значение индивидуально для каждого человека). Верхняя пороговая частота мелькания, воспринимаемая человеческим мозгом, в среднем составляет 39-42 герца.

В традиционном плёночном кинематографе используется частота 24 кадра в секунду. Системы телевидения PAL и SECAM используют 25 кадров в секунду (25 fps или 25 герц), а система NTSC использует 30 кадров в секунду (точнее 29,97 fps).

Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. Некоторые современные профессиональные камеры могут снимать с частотой до 120 кадров в секунду. Специальные камеры для сверхбыстрой съёмки снимают с частотой до 1000 кадров в секунду и выше, что необходимо, например, для детального изучения траектории полёта пули или структуры взрыва.

Стандарт разложения

Развёртка (разложение) видеосигнала может быть прогрессивной (англ. progressive), т. е. построчной или чересстрочной (англ. interlace).

При прогрессивной развёртке все горизонтальные линии (строки) изображения отображаются поочередно одна за другой.

При чересстрочной развёртке чётные и нечётные строки кадра образуют полукадры и показываются попеременно. Использование чересстрочной развёртки позволяет повысить частоту мельканий кинескопа (монитора) в два раза, то есть до уровня, незаметного человеческому глазу. Чересстрочная развёртка используется в телевидении стандартной четкости.

Новые цифровые стандарты телевидения, например, HDTV используют прогрессивную развёртку.

Указание на способ развертки кадра в конкретной видеозаписи обычно содержится в ее описании, например:

Разрешение видеосигнала

Для аналогового телевизионного сигнала горизонтальная разрешающая способность аналоговой системы видеозаписи измеряется в вертикальных телевизионных линиях (твл). Вертикальная разрешающая способность в изображении заложена в стандарте разложения и определяется количеством строк.

Таблица 1. Телевидение стандартной четкости.
Телевизионный стандарт	Число строк	Частота кадров	Развертка	Распространение
NTSC			Чересстрочная	США, Япония
PAL			Чересстрочная	Европа
SECAM			Чересстрочная	Франция, Россия, Китай, Ближний Восток

Измеряется вертикальная разрешающая способность при помощи специальных телевизионных испытательных таблиц (Рис. 1).

Рис. 1. Испытательная таблица для аналогового телевизионного сигнала.

Разрешение цифрового видеосигнала, указывается как число точек изображения по горизонтали и число точек по вертикали кадра.

Таблица 2. Соответствие уровня качества аналогового и цифрового сигнала.
Аналоговый стандарт	Цифровой формат
NTSC	720´480´30i
PAL	720´576´25i
SECAM

Телевидение высокой четкости (англ. HDTV, High Definition Television), телевидение в высоком разрешении — набор стандартов телевизионного вещания высокого качества, основанные на современных стандартах разложения изображения, и использующие цифровые стандарты кодирования цвета и звука.

Таблица 3. Стандартные форматы высокой чёткости.
Формат	Разрешение	Соотн. сторон	Развертка	Частота кадров, Гц
720p	1280×720	16:9	Построчная	50, 60
1080i	1920×1080	16:9	Чересстрочная	25, 30
1080p	1920×1080	16:9	Построчная	24, 25, 30

Соотношение сторон экрана

Соотношение сторон экрана (англ. aspect ratio) — важнейший параметр видеоизображения, выражаемый в виде дроби «ширина: высота кадра».

Кинематограф, начиная с 1910 года, использовал соотношение сторон экрана 4:3 (1,33:1 или просто 1,33). Считалось, что зрителю удобнее смотреть фильм на экране такой формы. Появившееся позднее телевидение переняло это соотношение и почти все аналоговые телевизионные системы имели соотношение сторон экрана 4:3. Компьютерные мониторы также унаследовали телевизионный стандарт соотношения сторон.

Начиная с 1950-х годов представление о пропорциях зрительного поля человека в корне изменилось. Человек имеет два глаза, расположенных на одной горизонтальной линии – следовательно, поле зрения приближается к соотношению 2:1. Чтобы приблизить форму кадра к естественному полю зрения человека (и, следовательно, усилить восприятие фильма), был введён стандарт 16:9 (1,78:1 или 1,78).

Цифровое телевидение в основном 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).

Рис. 2. Соотношение сторон экрана.

Количество цветов и цветовое разрешение

Количество цветов и цветовое разрешение видеосигнала описывается применяемыми цветовыми моделями.

Для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SECAM – модель YDbDr, для NTSC – модель YIQ, а в компьютерной технике применяется в основном RGB. Несмотря на то, что используемые в телевидении модели отличаются от способа представления цвета в компьютерной технике, они являются достаточно близкими и возможно преобразование цветового пространства на основе несложных математических выражений.

Так, например, модель YUV имеет три составляющие цвета: Y – яркость, U и V – цветоразностные составляющие. Такой подход позволяет просматривать содержимое сигнала при помощи черно-белых телевизоров (за счет составляющей Y). Конверсия из YUV в RGB может быть выполнена по формулам:

R = Y + 1,13983*V;

G = Y – 0,39465*U – 0,58060*V;

B = Y + 2,03211*U.

Битрейт или ширина видеопотока

Битрейт (англ. bit rate) цифрового видеопотока — это количество передаваемых бит видеоинформации за секунду времени. Битрейт видео измеряется в бит/с (bps), или чаще в Мбит/с (Mbps).

Очевидно, что чем выше ширина видеопотока, тем лучше качество видео. Например, для формата Video CD ширина видеопотока составляет всего примерно 1 Мбит/с, а для DVD составляет около 5 Мбит/с. Формат цифрового телевидения HDTV использует ширину видеопотока около 10 Мбит/с.

Различают два вида управления шириной потока в видеокодеке – постоянный битрейт (англ. constant bit rate, CBR) и переменный битрейт (англ. variable bit rate, VBR).

Концепция VBR призвана максимально сохранить качество видео, уменьшая при этом суммарный объём передаваемого видеопотока. При этом на быстрых сценах движения, ширина видеопотока возрастает, а на медленных сценах, где картинка меняется медленно, ширина потока падает. Это очень удобно при использовании каналов с буферизацией данных и передачи сохранённого видеоматериала через компьютерные сети.

Видеокодеки

Если представить видеопоток как последовательность статичных изображений, сменяемых с частотой несколько десятков в секунду, то нетрудно оценить возможное значение битрейта.

Так, например, при уровне качества 1280×720×50p (минимальный уровень качества HDTV) и глубине цвета 24 бита битрейт должен составить:

Битрейт = 1280 × 720 × 24 бит × 50 Гц =
= 1280 × 720 × 3 байт × 50 Гц»
» 2,64 Мбайт × 50 Гц» 132 Мбайт/с

При таком значении ширины видеопотока уже можно не принимать во внимание битрейт аудиодорожки (например, в 256 Кбит/с, т.е. всего 0,25 Кбайт/с).

Очевидно, что основная задача цифрового кодирования видеопотока – уменьшение битрейта.

Видеокодек (англ. codec – coder/decoder) — программа (алгоритм) сжатия видеоданных и восстановления сжатых данных при воспроизведении видеопотока.

Принципы сжатия изображения кодеками

Задача сжатия видеопотока может быть разбита на две более простых задачи:

1) сжатие статического изображения каждого кадра;

2) сжатие информации в последовательности кадров.

Для решения первой задачи кодеки могут применять уже известный нам алгоритм JPEG, использующий сжатие графики с потерями качества на основе учета закономерностей восприятия статичного изображения человеческим глазом.

Для построения динамического изображения (видеоряда) используются различные типы кадров:

· I-кадры – ключевые (англ. keyframes) или «опорными», которые могут содержать только независимо сжатые макроблоки (например, JPEG);

· добавленные P-кадры – «разностные» кадры, которые могут содержать как независимо сжатые макроблоки, так и макроблоки со ссылкой на другой кадр (ключевой).

То есть в последовательности кадров лишь некоторые (ключевые кадры) содержат полное описание изображения, цепочка же кадров после ключевого описывает лишь изменения текущего изображения от ключевого кадра.

При сжатии цифрового видеопотока управление качеством сводится к заданию частоты размещения ключевых кадров и указания порога отличия макроблоков. Если отличие макроблока текущего кадра от макроблока ключевого кадра выше, чем задано в параметрах кодирования, то макроблок кодируется как независимый без ссылки на ключевой кадр.

То есть, качество видео тем выше, чем:

· выше частота расположения ключевых кадров;

· меньше порог различия макроблоков кадра по сравнению с макроблоком ближайшего ключевого кадра.

Более продвинутые форматы сжатия учитывают, кроме вышеупомянутой технологии, ещё и принципы движения массивов точек в изображении, сегментирование картинки на «квадратики» с различным качеством сжатия, применение последовательности кадров, кодированных по-разному и показанных в определённой последовательности. Самые новые кодеки учитывают психофизические свойства восприятия видео человеческим глазом и мозгом, что позволяет ещё сильнее уменьшать размер данных без «видимой потери качества».

Стандарты цифрового видео

MPEG-2

MPEG-2 – группа стандартов цифрового кодирования видео и аудио сигналов, организации транспортных потоков видео и аудио информации, передачи сопутствующей информации.

Аббревиатура стандарта MPEG указывает на то, что стандарты одобрены группой экспертов по подвижному изображению (IEC Motion Picture Experts Group, MPEG) Международной Организации по стандартизации (International Standard Organization, ISO).

Стандарт MPEG-2 получил распространение в цифровых видеодисках DVD, системах компрессии видеоизображений, цифровом телевидении DVB. В случае использования в цифровом телевидении MPEG-2 активно применяется как стандарт, определяющий структуру транспортных потоков и способы передачи данных. Стандарт содержит несколько подразделов, определяющих тип файла-контейнера, алгоритмы коррекции ошибок оборудования, структуру компрессированного изображения (элементарный поток MPEG-2). Стандарт MPEG-2 намеренно не определяет способы компрессии изображения и звука, он лишь указывает, как должно быть оформлено сжатое изображение (звук). Стандарт не определяет, каким образом должен быть реализован кодер или декодер MPEG-2, он определяет только структуру данных.

В практике обработки видеоданных реализация видео стандарта MPEG-2 встречается в виде DVD-видео.

Структура DVD-видео диска достаточно проста:

Каталог AUDIO_TS обычно оказывается пустым, поскольку предназначен для использования диска в режиме DVD-audio.

Каталог VIDEO_TS содержит всю необходимую для воспроизведения видео информацию и содержит файлы трех типов:

1. VOB (DVD-Video Object или Versioned Object Base) – это мультимедийный контейнерный формат файла, основанный на MPEG-2, и способный содержать в себе несколько потоков видео/аудио, субтитры, а также меню фильма;

2. IFO – это информационные файлы диска, они описывают содержимое VOB-файлов и поддерживают порядок их запуска;

3. BUP – файлы резервного копирования файла IFO (для подстраховки); каждому файлу IFO соответствует файл BUP такого же размера.

Рис. 3. Содержимое каталога VIDEO_TS DVD-диска.

MPEG-4

MPEG-4 — это международный стандарт, используемый преимущественно для сжатия цифрового аудио и видео, используеемый для вещания (потоковое видео), записи фильмов на компакт-диск, в видеотелефонии (видеотелефон) и широковещании, в которых активно используется сжатие цифровых видео и звука.

MPEG-4 включает в себя многие функции MPEG-1, MPEG-2 и других подобных стандартов, добавляя такие функции, как поддержка языка виртуальной разметки VRML для показа 3D объектов, объектно-ориентированные файлы, поддержка управления правами и разные типы интерактивного медиа.

MPEG-4 содержит стандарты, используемые различными кодеками, например:

· Advanced Simple Profile, используемый кодеками DivX, Xvid, Nero Digital и 3ivx, а также Quicktime 6;

· Advanced Video Coding, используемый такими кодеками, как x264, Nero Digital AVC, Quicktime 7 а также используемый в цифровых дисках следующего поколения, таких, как HD DVD и Blu-ray Disc.

В MPEG-4 содержатся патентованные технологии, которые требуют лицензирования в странах, признающих патенты на программное обеспечение. Патенты, покрывающие MPEG-4, принадлежат двум десяткам компаний.

Контейнеры мультимедийной информации

Контейнер AVI

Audio Video Interleave, AVI — медиаконтейнер, частично являющийся альтернативой стандартам MPEG, поскольку дает возможность применения кодеков с открытым кодом.

Формат файлов с расширением AVI может содержать видео и аудио данные, сжатые с использованием разных комбинаций кодеков и позволяет синхронно воспроизводить видео со звуком. AVI файл может содержать различные виды компрессированных данных (например, DivX-видео и WMA-аудио или Indeo-видео и PCM-аудио), в зависимости от того, какой кодек используется для кодирования/декодирования.

Контейнер Matroska

Matroska (Матрёшка) — проект, нацеленный на создание открытого, гибкого, кроссплатформенного (включая аппаратные платформы) формата мультимедийного контейнера, набора инструментов и библиотек для работы с данными в этом формате. Этот проект основан на EBML (Extensible Binary Meta Language – расширяемый двоичный метаязык) – двоичном аналоге языка XML.

Расширения файлов Matroska:

·.mkv – для видео (с субтитрами и звуком),

·.mka – для аудиофайлов,

·.mks — для субтитров.

Контейнер Matroska может содержать большое число потоков аудио, видео и субтитров, позволяя хранить в одном файле целый фильм.

Matroska является открытым проектом (open standard). Это означает, что для персонального использования она абсолютно бесплатна, а техническая спецификация формата битового потока доступна любому, даже компаниям, желающим встроить поддержку формата в свои продукты (для этого потребуется специальная лицензия).

Matroska является прямой открытой альтернативой контейнерам AVI, ASF, MOV, RealMedia, MP4, MPG.

Дата добавления: 2015-09-29