Цифровое видео

Цифровое видео

  В 1995 г. в мире видео произошла революция. Как это нередко бывает, ее совершила немногочисленная, но весьма влиятельная группа ведущих мировых производителей электроники. В ее состав вошли такие гранды, как Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC. Они согласовали между собой и утвердили стандарт цифровой видеозаписи на магнитную ленту, получивший название DVC (Digital Video Cassette) или сокращенно DV (Digital Video). Эпоха массового цифрового видео началась. Сегодня цифровыми технологиями записи пользуются не только профессиональные видеоинженеры, перед которыми открылись широчайшие возможности обработки и монтажа сюжетов. Бытовые видеокамеры с цифровой записью становятся все доступнее. С их помощью даже оператор-любитель может подготовить видеосюжет, близкий по качеству профессиональному. Как это возможно. Давайте попробуем разобраться.

  Изначально для записи видеосигналов применялся аналоговый метод, основанный на стандартах обычного телевидения. В этом случае на магнитной ленте фиксировались аналоговые (непрерывные) сигналы, содержащие компоненты изображения, звук и импульсы синхронизации. На первых порах все эти составляющие объединялись в один композитный сигнал, который и подавался на видеовход телевизора. Именно такое представление видеосигнала предусмотрено в разработанном компанией JVC стандарте VHS - формате аналогового видео, получившем очень широкое распространение. Но качество изображения при композитной записи зачастую далеко от совершенства, поскольку каждая из составляющих создает помехи остальным. Просматривая видеосюжеты, воспроизводимые из композитных сигналов, можно заметить неточную передачу цветов в изображении, шум и другие недостатки.

  Композитное видео постепенно стало уступать дорогу компонентному, в котором все составляющие изображения, звук и служебная информация представлены в виде независимых сигналов. На этом принципе записи основаны более совершенные аналоговые форматы, применяемые как в бытовой технике, так и в профессиональных видеостудиях: S-VHS, Hi8 и Betacam. Однако аналоговая видеозапись имеет ряд весьма существенных недостатков. Избавиться от них даже при переходе к компонентному представлению сигналов не удается.

  Во-первых, при магнитной записи неизбежно возникают шумы. Их источниками являются электронные схемы, записывающие головки и другие компоненты видеотехники. Эти шумы, суммарный уровень которых может достигать 30 dB, при записи фиксируются на пленке вместе с видеоинформацией, а при воспроизведении наблюдаются на экране как посторонние элементы изображения (точки, полосы) или приводят к общему ухудшению четкости картинки и насыщенности цветов.

  Во-вторых, при дублировании видеокассеты шумы, возникающие при записи, накладываются на уже зафиксированные на пленке, что приводит к дальнейшему ухудшению качества изображения. Поэтому копирование аналоговых видеоматериалов всегда дает дубль, уступающий по качеству оригиналу. Недостатки, присущие аналоговому способу записи и воспроизведения видео, в конце концов привели к разработке формата цифровой записи видео. В отличие от аналогового, форма и "зашумленность" цифрового сигнала мало влияют на информацию, содержащуюся в нем. Поэтому цифровая техника позволяет копировать видеоматериалы без потери качества, а также улучшить четкость и яркость цветов воспроизводимой картинки, не прибегая к разработке более сложных и дорогих электронных и магнитных узлов.

  Цифровая технология записи и обработки видео, в первую очередь, предполагает преобразование видеосигнала в последовательность чисел. Этот процесс состоит из двух этапов: оцифровки (непрерывный сигнал преобразуется в последовательность числовых данных) и кодирования (первичная цифровая информация преобразуется в форму, удобную для дальнейшего хранения, обработки и воспроизведения). Итак, что же необходимо сделать, чтобы сюжет, который мы собираемся увековечить, превратился в массив данных на магнитной ленте. Вот наиболее важные этапы этого большого и нелегкого пути.

  Для дополнительной экономии объема данных за счет качества цвета иногда прибегают к оцифровке по схеме 4:1:1. В этом случае при сканировании матрицы точек в первой из них считываются значения всех трех составляющих, во второй, третьей и четвертой - только яркости, а в пятой точке - снова значения яркости и обоих цветовых компонентов. В итоге объем информации о яркости в четыре раза больше, чем о каждом из цветов. Естественно, при этом качество цветопередачи в оцифрованной картинке будет ниже. Поэтому схема 4:1:1 используется в более простых бытовых видеосистемах.

  Следующий шаг в оцифровке сигнала после его дискретизации - квантование. Для уменьшения потерь информации из-за округления (так называемых шумов квантования) количество уровней квантования стремятся повысить, а его шаг - уменьшить. Однако в этом случае неизбежно увеличивается разрядность числа, которым описывается каждый отсчет. Так, при оцифровке сигнала с 16 уровнями квантования для описания каждой точки придется использовать 4-разрядное двоичное число, а с 256 уровнями (в этом случае шум квантования составит менее 1% от значения сигнала) - 8-разрядное. В качестве оптимума в большинстве стандартов цифровой видеозаписи осуществляется квантование каждой из составляющих видеосигнала с 256 уровнями. Здесь информация о каждом отсчете занимает один байт.

  Для хранения информации в цифровых видеокамерах используется магнитная лента или жесткий диск компьютера. Технологии магнитной записи отработаны давно, созданы миниатюрные записывающие головки и носители, вместе обеспечивающие фантастическую плотность записи. Но... Цветное цифровое видео - это, прежде всего, огромные объемы информации, которые нужно передавать с высокой скоростью. И эти потоки захлестывают даже самые современные накопители.

  Давайте подсчитаем, сколько данных придется передавать при записи/воспроизведении изображения с разрешением 720 x 576 точек (согласно стандарту PAL) при схеме оцифровки 4:2:2. Если каждую составляющую кодировать 8 битами данных (что соответствует 256 уровням квантования) с частотой обновления 30 кадров в секунду, поток видеоданных будет равен 24,9 MBps. При использовании схемы оцифровки 4:1:1 итоговый поток равен 149,25 Mbps, или 18,6 MBps.

  Но даже такая скорость передачи информации, к сожалению, пока лежит за пределами возможностей большинства жестких дисков: хотя пропускная способность распространенного интерфейса Ultra DMA составляет 33 MBps, общее быстродействие винчестера определяется внутренней скоростью передачи, равной, примерно, 8-11 MBps. Но и это еще не все: поток видеоданных способен в считанные минуты заполнить любой существующий дисковый накопитель. Ведь скорость передачи данных в 18,6 MBps означает, что одна секунда видео занимает, ни много ни мало, 18,6 MB. Для хранения же полуторачасового фильма понадобится примерно... 125 GB! Но как же в таком случае сохранить цифровую видеозаписьx На помощь приходят технологии сжатия (компрессии) данных. С их помощью удается преобразовать информацию в более компактную форму еще до записи. В видеокамерах применяется несколько алгоритмов сжатия данных, общей чертой которых является то, что все они работают в реальном времени, т. е. обработка текущего кадра происходит одновременно с записью предыдущего и оцифровкой последующего - как на конвейере. В цифровые видеокамеры для этой цели встраивают высокопроизводительные сигнальные процессоры, а компьютеры, на которых воспроизводится и обрабатывается видео, оснащаются аппаратными декодерами - специализированными микропроцессорами.

  Все алгоритмы компрессии подразделяются на два вида: методы сжатия без потерь информации и с потерями. Первые из них позволяют сжимать данные таким образом, чтобы впоследствии их можно было восстановить с абсолютной точностью. При сжатии с потерями выполняется поиск данных, мало влияющих на общее содержание сжимаемой информации, и их удаление из общего потока. Понятно, что при декомпрессии данных, сжатых с потерями, исходная информация никогда не будет в точности восстановлена, но алгоритм сжатия рассчитан на то, что ее искажения не будут замечены.

  Методы сжатия с потерями обладают одним существенным преимуществом, которое и дало им право на жизнь: они гораздо эффективнее. Коэффициент сжатия - отношение объема исходной информации к объему сжатой - при использовании алгоритмов компрессии с потерями всегда выше, чем при сжатии без потерь. Исследования показали, что максимально возможный коэффициент сжатия видеоданных без потерь равен, примерно, 4:1, а с потерями -200:1 и выше. Поэтому при цифровой видеозаписи алгоритмы компрессии с потерями применяются очень широко.

  Говоря о специфических методах сжатия видеоинформации, необходимо упомянуть еще о различии методов внутрикадровой и потоковой компрессии. Первые из них дают возможность уменьшить объем данных в каждом отдельном кадре и в большинстве случаев представляют собой алгоритмы, весьма распространенные в компьютерной графике. Методы потокового сжатия видеоданных основаны на том предположении, что в большинстве случаев соседние кадры сюжета различаются очень незначительно. Поэтому вполне возможно сохранять только определенные "ключевые" кадры, а все стоящие между ними достраивать методом интерполяции или же записывать только их отличия от ключевых. На этом принципе основаны алгоритмы потокового сжатия видеоинформации MPEG и MPEG-2, которые позволяют достигнуть значения коэффициента сжатия 200:1 при сохранении приемлемого качества изображения.
Источник: shems.h1.ru