 |
|
Конвертирование и сжатие видеоинформации. Форматы цифрового видео MPEG, DV, WMV, HDV. Телевидение высокой четкости. Основные форматы видеозаписи цифровых камер.
Видеоданные по своей природе занимают чрезвычайно большой объем. Так в формате DV поток видео составляет примерно 25 Мбит/сек, а часовая запись занимает 12-14 ГБ памяти. В настоящее время необходимо передавать постоянно растущие объемы видео по различным сетям, поэтому задача создания оптимального по соотношению качество/объем способа кодирования видео продолжает оставаться актуальной. Цифровое сжатие видео заключается в удалении избыточной информации, из потока видеоданных после преобразовании аналогового изображения в цифровое(последовательность единиц и нулей). В результате общий объем данных уменьшается в десятки раз. При воспроизведении сжатое видео декодируется при помощи специального устройства или программы. Для преобразования видео и аудио данных в сжатый формат и последующего воспроизведения используются специальные программы – кодеки.
Конвертирование видео или аудио – это изменение их формата представления или преобразование из одного формата в другой.
Специалисты в этой области уже много лет разрабатывают стандарты и методы эффективного сжатия видео. В настоящее время существует несколько технологий сжатия изображений.
В 1988 году была создана Группа экспертов по движущимся изображениям (англ. Motion Pictures Experts Group, MPEG). Ее основной задачей стала разработка стандартов сжатия видео- и аудиоинформации. Принятые группой стандарты MPEG-1 и MPEG-2 получили чрезвычайно широкое распространение и стали основными способами преобразования изображения и звука в потоки сжатых цифровых данных. Стандарты MPEG особенно популярны в области сжатия видео, и используются во множестве приложений - от предназначенных для персональных компьютеров до интерактивного телевидения и спутниковых каналов связи.
В 1992-93 году этим комитетом был разработан формат MPEG-1, ориентированный на разрешение видеокадра, известное под названием SIF (англ. Source Input Format, формат источника сигнала), - 352х240 пикселей при 30 кадрах в секунду. Это лишь четверть стандартного широковещательного телевизионного разрешения, известного под названием CCIR 601 (720х480 пикселей). Приведенные цифры относятся к стандарту NTSC. Система MPEG совместима также с европейским стандартом видеосигнала PAL.
Стандарт MPEG-1 состоит из трех частей - видео, аудио и системной. Системная часть стандарта объединяет потоки видео- и аудиоданных, синхронизируя их по времени.
Высокая эффективность сжатия достигается за счёт хранения не всех кадров видео – большинство из них получается преобразованием на основе довольно сложного алгоритма. Все кадры подразделяются на следующие категории (рис. 3.1):
Рис. 3.1 Последовательность I, P, B кадров в GOP
- I (Intra) кадры – опорные, сохраняемые в виде обыкновенных картинок;
- P (Predicted) кадры – «предсказанные», вычисляемые на основе предыдущих I или P кадров;
- B (Bidirectional) кадры – «двунаправленные» вычисляемые на основе одного или двух I или P кадров, находящихся до и после вычисляемого.
Для удобства кодирования видеоданных весь видеопоток разбивается на группы, называемые GOP (англ. Group of Pictures), каждая из которых состоит из кадров I, P, B (рис. 3.1). Чем чаще идут I-кадры, тем выше качество изображения и больше размер видеофайла. Обычно I-кадры появляются 1-2 раза в секунду, Р-кадры встречаются гораздо чаще: по стандарту это каждый третий кадр.
В алгоритме кодирования для предсказания движения каждый кадр разбивается на блоки 8х8 пикселей, вычисляются и кодируются как векторы движения блоков, так и изменение самого блока. Блоки хорошо видны при быстром движении в кадре: картинка просто «рассыпается» на множество квадратиков.
Первоначально стандарт MPEG-1 планировалось использовать в видеоконференциях для нужд бизнеса, но вскоре он стал применяться в спутниковом телевидении и первых видеодисках (VCD). Для записи одного фильма обычно требовалось 2 диска CD-R. Сжатое цифровое видео имело качество, сопоставимое с качеством бытового видеомагнитофона, но компакт-диски обладали рядом преимуществ.
Максимальная скорость пересылки данных, обеспечиваемая стандартом MPEG-1, составляет 150 кбит/с. Эта скорость, нормальная для стандартных дисководов CD-ROM, не позволяет получить изображения, сравнимого по качеству с телевизионным радиовещательным стандартом. По этой причине как дополнение к формату MPEG-1 в 1994 году появился формат MPEG-2, в котором по сравнению с MPEG-1 изменились алгоритмы оцифровки сигнала и степень сжатия, а битрейт увеличился до 9 Мбит/с.Главным отличием формата MPEG-2, которое кардинально улучшило качество кодирования по сравнению с MPEG-1, стал алгоритм удаления избыточной видеоинформации (было установлено, что более 95% видеоданных избыточны). Усложнился алгоритм разбиения на блоки, и изображение быстрого движения почти перестало «рассыпаться» на квадратики. Появились алгоритмы разбиения картинки на слои и отдельного кодирования каждого слоя.
Формат MPEG-2 изначально ориентировался на работу с видео разрешения CCIR 601 (704х480 пикселей в формате NTSC, 704х576 пикселей в формате PAL) и, как следствие, - на использование более высоких скоростей передачи информации. Формат MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развёртке. После изобретения цифрового многоцелевого диска (англ. DIGITAL VERSATILE DISK) этот формат стал основным форматом сжатия видеоданных в DVD системах. Поэтому MPEG-2 сейчас ассоциируется в первую очередь с DVD-видео дисками. На DVD-видео диске хранится во много раз больше информации, чем на CD. Видео существенно большего качества и разрешения, шесть каналов звука также повышенного качества.
Стандарт DVD накладывает ограничения на MPEG-2 видео:
- допустимые разрешения:
720 × 480, 704 × 480, 352 × 480, 352 × 240 пикселей (NTSC);
720 × 576, 704 × 576, 352 × 576, 352 × 288 пикселей (PAL);
- допустимые соотношения ширины и высоты (англ. Aspect ratio): 4:3 и 16:9;
- допустимое число кадров в секунду:
29.97 к/с (NTSC) и 25 к/с (PAL).
Параллельно с разработкой стандарта MPEG-2 создавался стандарт MPEG-3, ориентированный на использование в системах телевидения высокой четкости (HDTV, англ. High Definition Television) с разрешением 1920х1080 при 30 кадрах в секунду. Необходимая скорость передачи данных от 20 до 40 Мбит/сек. Однако было установлено, что в системах телевидения высокой четкости после небольшого усовершенствования можно использовать стандарт MPEG-2. Стандарт MPEG-3 в настоящее время не применяется. Иногда MPEG-3 путают с распространённым способом кодирования аудио – mp3. На самом деле mp3 – это сокращённое обозначение формата аудио MPEG Layer3.
Новым шагом в развитии алгоритмов сжатия изображения стал стандарт MPEG-4 для мультимедиа приложений: версия 1 (октябрь 1998) и версия 2 (декабрь 1999). В начале его разработки в 1993 г. ставилась задача достичь приемлемого качества изображения при как можно меньшей скорости передачи информации, но фактически этот стандарт шагнул далеко вперёд. Для него были разработаны принципиально новые алгоритмы сжатия.
MPEG-4 стал не просто стандартом сжатия, хранения и передачи видео или аудио информации. Стандарт MPEG-4 - это новый способ представления информации, это объектно-ориентированное представление мультимедиа данных. Стандарт оперирует объектами, организует из них иерархии, классы и прочее, выстраивает сцены и управляет их передачей. Объектами могут служить как обычные аудио или видео потоки, так и синтезированные аудио и графические данные (речь, текст, эффекты, звуки). Для их описания используется специальный язык.
На настоящий момент существует несколько версий стандарта:
ISO 14496-1 описывает устройство файлов с видео формата MPEG-4, включая анимацию и интерактивность (похоже на DVD меню);
ISO 14496-2 определяет формат видео №1, усовершенствованный простой профайл (англ. Advanced Simple Profile - ASP), которому соответствуют кодеки Xvid, DivX;
ISO 14496-3 определяет формат аудио, усовершенствованное кодирование аудио (англ. Advanced Audio Coding - AAC)
ISO 14496-10 определяет формат видео №2, усовершенствованное кодирование видео (англ. Advanced Video Coding - AVC), известный как H.264.