Кодирование видеоинформации

Чтобы хранить и обрабатывать видео на компьютере, необходимо закодировать его особым образом. При этом кодирование звукового сопровождения видеоинформации ничем не отличается от кодирования звука, описанного в предыдущей теме. Изображение в видео состоит из отдельных кадров, которые меняются с определенной частотой. Кадр кодируется как обычное растровое изображение, то есть разбивается на множество пикселей. Закодировав отдельные кадры и собрав их вместе, можно описать все видео.

Видеоданные характеризуются частотой кадров и экранным разрешением. Скорость воспроизведения видеосигнала составляет 30 или 25 кадров в секунду, в зависимости от телевизионного стандарта. Наиболее известными из таких стандартов являются: SECAM, принятый в России и Франции, PAL, используемый в Европе, и NTSC, распространенный в Северной Америке и Японии. Разрешение для стандарта NTSC составляет 768 на 484 точек, а для PAL и SECAM – 768 на 576 точек. Не все пиксели используются для хранения видеоинформации. Так, при стандартном разрешении 768 на 576 пикселей, на экране телевизора отображается всего 704 на 540 пикселей. Поэтому для хранения видеоинформации в компьютере или цифровой видеокамере, размер кадра может отличаться от телевизионного. Например, в формате Digital Video или, как его еще называют DV, размер кадра составляет 720 на 576 пикселей. Такое же разрешение имеет кадр стандарта DVD Video. Размер кадра формата Video-CD составляет 352 на 288 пикселей.

В основе кодирования цветного видео лежит известная модель RGB. В телевидении же используется другая модель представления цвета изображения, а именно модель YUV. В такой модели цвет кодируется с помощью яркости Y и двух цветоразностных компонент U и V, определяющих цветность. Цветоразностная компонента образуется путем вычитания из яркостной компоненты красного и зеленого цвета. Обычно используется один байт для каждой компоненты цвета, то есть всего для обозначения цвета используется три байта информации. При этом яркость и сигналы цветности имеют равное число независимых значений. Такая модель имеет обозначение 4:4:4.

Опытным путем было установлено, что человеческий глаз менее чувствителен к цветовым изменениям, чем к яркостным. Без видимой потери качества изображения можно уменьшить количество цветовых оттенков в два раза. Такая модель обозначается как 4:2:2 и принята в телевидении. Для бытового видео допускается еще большее уменьшении размерности цветовых составляющих, до 4:2:0.

Если представить каждый кадр изображения как отдельный рисунок указанного выше размера, то видеоизображение будет занимать очень большой объем, например, одна секунда записи в системе PAL будет занимать 25 Мбайт, а одна минута – уже 1,5 Гбайт. Поэтому на практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации.

Если использовать сжатие без потерь, то самые эффективные алгоритмы позволяют уменьшить поток информации не более чем в два раза. Для более существенного снижения объемов видеоинформации используют сжатие с потерями.

Среди алгоритмов с потерями одним из наиболее известных является MotionJPEG или MJPEG. Приставка Motion говорит, что алгоритм JPEG используется для сжатия не одного, а нескольких кадров. При кодировании видео принято, что качеству VHS соответствует кодирование MJPEG с потоком около 2 Мбит/с, S-VHS – 4 Мбит/с.

Свое развитие алгоритм MJPEG получил в алгоритме DV, который обеспечивает лучшее качество при таком же потоке данных. Это объясняется тем, что алгоритм DV использует более гибкую схему компрессии, основанную на адаптивном подборе коэффициента сжатия для различных кадров видео и различных частей одного кадра. Для малоинформативных частей кадра, например, краев изображения, сжатие увеличивается, а для блоков с большим количеством мелких деталей уменьшается.

Еще одним методом сжатия видеосигнала является MPEG. Поскольку видеосигнал транслируется в реальном времени, то нет возможности обработать все кадры одновременно. В алгоритме MPEG запоминается несколько кадров. Основной принцип состоит в предположении того, что соседние кадры мало отличаются друг от друга. Поэтому можно сохранить один кадр, который называют исходным, а затем сохраняются только изменения от исходного кадра, называемые предсказуемыми кадрами. Считается, что за 10-15 кадров картинка изменится настолько, что необходим новый исходный кадр. В результате при использовании MPEG можно добиться уменьшения объема информации более чем в двести раз, хотя это и приводит к некоторой потере качества. В настоящее время используются алгоритм сжатия MPEG-1, разработанный для хранения видео на компакт-дисках с качеством VHS, MPEG-2, используемый в цифровом, спутниковом телевидении и DVD, а также алгоритм MPEG-4, разработанный для передачи информации по компьютерным сетям и широко используемый в цифровых видеокамерах и для домашнего хранения видеофильмов.

Вопросы и упражнения.

Контрольные вопросы «Кодирование информации»

1. Что такое кодирование информации?

2. Приведите примеры, когда одни и те же сведения закодированы в различных формах.

3. Приведите примеры различных языков.

4. Какие технические изобретения послужили причиной для создания специальных языков?

5. Почему большое распространение получил двухсимвольный алфавит?

Контрольные вопросы «Кодирование звуков»

1. Какое минимальное количество байт достаточно для получения высококачественной записи звука? Сколько уровней громкости это количество позволяет описать?

2. Какая используется частота дискретизации для качественного кодирования звука? Сколько при этой частоте места на диске займет одна минута закодированного звука?

3. Какие стандарты используются в компьютерной музыке?

4. Какие применяются методы синтеза звуков?

5. Какие методы сжатия информации используются для уменьшения объема, занимаемого аудиоданными?

6. Что такое битрейт? В каких единицах он измеряется?

7. Какой битрейт необходим для качественной записи музыки (речи)?

8. В каких форматах хранятся звуковые данные?

9. Какие устройства в компьютере используются для воспроизведения и записи звука?

10. Какие программы для работы со звуком вы знаете?

Контрольные вопросы «Кодирование видеоинформации»

1. Какими параметрами характеризуются видеоданные?

2. Какая модель лежит в основе кодирования цветного видео?

3. Какие применяются алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации?

4. Какое оборудование необходимо для ввода и обработки видео на компьютере?

5. Каким требованиям должен отвечать компьютер для работы с видео?

6. Какое программное обеспечение используется для редактирования видео на компьютере?

7. Как, используя программу Проигрыватель Windows Media, автоматически (вручную) запустить фильм на компьютере?

8. Какие параметры программы Windows Movie Maker можно настроить перед началом работы?

9. Как настроить устройство для записи, используя программу Windows Movie Maker?

10. Как записать (воспроизвести) фильм с использованием программы Windows Movie Maker?

11. Как вставить в фильм статическое изображение?

12. Как поменять последовательность (начало и окончание) воспроизведения видеоклипов?

13. Как поменять последовательность фрагментов в видеоклипе, удалить из клипа ненужные фрагменты?

14. Как наложить на записанный видеоклип звуковые комментарии?

15. Как сохранить созданный в программе Windows Movie Maker фильм и какие характеристики фильма можно изменить при сохранении?

16. Как, используя программу Windows Movie Maker, отправить созданный фильм по электронной почте?

17. Как, используя программу Windows Movie Maker, разместить созданный фильм в Интернете?

Поиск по сайту: