Технологии сжатия цифрового видео

Представление виде информации в ЭВМ

Ви́део (от лат. Video - дословно «вижу») - под этим термином понимают широкий спектр технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального и аудиовизуального материала. Когда в быту говорят «видео» – то обычно имеют в виду видеоматериал, телесигнал или кинофильм, записанный на физическом носителе (видеокассете, видеодиске и т. п.).

Обычные телевизионные видеоданные представляют собой поток аналоговых сигналов. Компьютерная обработка видеоинформации состоит в преобразовании их в цифровой формат с последующим хранением этих данных на жестком или компакт-диске или другом устройстве хранения информации. Оцифровка видеосигнала, как и оцифровка звука, включает две стадии: дискретизация данных аналогового видеопотока, т. е. снятие отсчетов с определенной частотой, и преобразование каждого такого отсчета в цифровой эквивалент или квантование.

При хранении оцифрованных данных в несжатом формате изображение размером 400x300 пикселов с глубиной цвета 24 бита на пиксел, обновляемое с частотой 25 Гц, потребует скорости передачи информации более 5,5 Мб/с. А хранение данных для показа 5-минутного ролика в указанном формате потребует информационное пространство, превышающее 1,6 Гб. Естественно, что при работе с такими данными невозможно обойтись без сжатия, однако и в этом случае потребуется время, определенные вычислительные мощности на распаковку данных. Достичь оптимального сжатия можно путем совершенствования аппаратных или программных средств, а может быть, совместно тех и других.

В качестве аппаратных средств используются специальные видеопроцессоры, которые поддерживают высокоскоростную компрессию и декомпрессию данных, не загружая центральный процессор компьютера. Второй подход состоит в использовании специализированных методов программного сжатия и распаковки предварительно сжатых видеоданных.

Аналоговый видеосигнал включает в себя несколько различных компонентов, объединенных в единое целое. Такой составной видеосигнал малопригоден для оцифровки. Предварительно его следует разделить на так называемые базовые компоненты. Обычно компоненты представляют собой три различных сигнала, соответствующие определенной модели представления цветового пространства. Если в статической графике используется RGB[1]-цветовое представление, то в цифровом видео чаще используется модель YUV[2]. Видеопоследовательности отображаются в виде серии кадров или фреймов, каждый из которых, no-существу, является графическим изображением и включает в себя определенное число пикселов. Такой видеофрейм может быть сжат с помощью одного из алгоритмов сжатия изображений, с потерями или без потерь.

Форматы цифровой записи

Оборудование цифровых форматов видеозаписи позволяет получать материалы высокого качества и обладает стабильностью функционирования, большой надежностью и эффективностью. Еще одно немаловажное преимущество цифровой видеозаписи - это возможность многократной перезаписи без потери качества изображения.

Video CD

Стандарт записи видео в формате MPEG-1 на обычный Compact Disk (диаметр 120 мм, толщина 1.2 мм, одна информационная сторона).

Один диск обычно позволяет хранить до 74 минут видео, качество соизмеримо с VHS стандартом. Для воспроизведения достаточно односкоростного CD-ROM.

DVD

Формат DVD-диска принят 8 декабря 1995 года. Первоначально аббревиатура DVD расшифровывалась, как Digital Video Disc (цифровой видеодиск), несколько позже появилась расшифровка аббревиатуры DVD, как Digital Versatile Disc (универсальный цифровой диск).

Особенности dvd-видео

- Около 2 часов высококачественного цифрового видео (более 8 на двухстороннем, двухслойном диске).

- Поддержка для широкоэкранных фильмов и телефильмов на стандартных или широкоэкранных телевизорах (4:3 и 16:9 коэффициенты сжатия).

- До 8 звуковых дорожек на разных языках, до 8 каналов каждая.

- До 32 дорожек субтитров/караоке.

- "Бесшовное видео"

- До 9 углов камеры (различные точки зрения могут быть выбраны в течение воспроизведения).

- Меню и простые интерактивные возможности (для игр, quizzes, и т.д.).

- Многоязычный текст идентификации для имени заголовка, имени альбома, имени песни, и т.д.

- "Мгновенная" перемотка и быстрая перемотка вперед, включая поиск по заголовку, главе, дорожке, и коду времени.

- Долговечность (никакого износа от использования, только от физического повреждения).

- Не восприимчив к магнитным полям. Устойчив к нагреву.

- Небольшой размер.

- Noncomedogenic.

Качество DVD-видео

Качество DVD значительно лучше видеозаписи и даже лучше, чем laserdisc. DVD-Video упаковывается с цифровой мастер-ленты на студии в формат MPEG-2. Это сжатие с потерями удаляет избыточную информацию (например, области изображения, которые не изменяются) так, что это трудно заметно для человеческого глаза.

DivX

Формат Divx (Digital video express) был разработан компанией Circuit City как альтернатива DVD. В результате получилась своеобразная система, в чем-то напоминающая прокат. В основе концепции лежала идея о том, что кодированный видеоформат может предотвратить нелегальное копирование оригинала. Покупая фильм в формате DivX за 4,5 долл., можно было смотреть его в течение двух суток, продлить лицензию для повторного просмотра за 2,5 долл. или приобрести годичную лицензию дополнительно за 15-25 долл.

Идея проката фильмов на дисках в формате DivX была поддержана некоторыми большими голливудскими компаниями. В список компаний, входят такие, как Disney, Dreamworks SKG, Paramount и Universal. Для просмотра фильмов в формате DivX был нужен специальный проигрыватель, который также может воспроизводить и обычные DVD-диски. В проигрывателе DivX также присутствовал модем, играющий важную роль во всей этой системе. С его помощью происходило соединение со специальной системой для составления счетов, а также обновления информации в модуле памяти проигрывателя. После оплаты дальнейшего использования диска, сигнал об этом поступал с сервера на проигрыватель и диск можно было просматривать после двухдневного срока. Необходимо было хотя бы раз в месяц делать запрос на сервер, в противном случае система блокировалась.

Система не прижилась, фирма-разработчик понесла убытки, а название перекочевало в новую технологию. Позднее форматом DivX стали называть несколько усовершенствованный формат MPEG4 (которым он по существу и является).

DV (miniDV)

DV - это бытовой формат цифровой компонентной видеозаписи с обработкой по стандарту 4:2:0 (PAL) и 4:1:1 (NTSC) на 1/4-дюймовую (6.35 мм) ленту с напылением металла. Этот формат разработан консорциумом DV, объединившим основных производителей бытовой аппаратуры. Каждый кадр располагается на 12-ти наклонных дорожках шириной 10 мкм. На наклонные дорожки записывается видео / аудиоданные, субкод, служебные данные (ITI - Insert and Track Information). Продольных дорожек нет. Применяется алгоритм внутрикадрового сжатия, использующий метод DCT. Коэффициент компрессии - 5:1. Обеспечивается разрешение по горизонтали - 500 твл. В DV предусмотрена специальная схема исправления и маскирования ошибок. Кассеты, записанные в формате DV, могут воспроизводиться на некоторых моделях аппаратов форматов DVCPRO и DVCAM. Для передачи данных в оборудовании этого формата предусмотрен универсальный последовательный интерфейс IEEE-1394, позволяющий переносить цифровые файлы напрямую на жесткий диск компьютера.

SVCD, ASF, RM

Стандарт Super VideoCD (SVCD) установлен Китайским Национальным Комитетом Стандартизации совместно с Philis, Sony, Matsushita и JVC. Он базирован на технологии сжатия MPEG-2 с переменным потоком (VBR). SVCD может обеспечить в два раза более четкое видео, чем предыдущий формат VideoCD, разрешение 480x576 более чем в четыре раза превышает ограничения MPEG-1.

SVCD обратно совместим с VCD 1.1, 2.0 и Interactive VCD 3.0. Более того, тогда как VCD требует встраивания текста в видео, SVCD использует отдельный поток данных для интеграции субтитров (вернее до 4-х таких потоков). Так как это не текст, а графические изображения, в субтитрах могут использоваться символы любых языков и шрифтов, а также графические изображения. При этом субтитры не имеют артефактов сжатия алгоритмом MPEG.

ASF - формат Windows Media. Основан на MPEG-4, оптимизирован для передачи видео с низким и средним битрейтом в интернет. Воспроизводится только на компьютере с Windows Media Player.

RM - RealVideo. Предназначен для низкоскоростной передачи видео в интернет в реальном времени. Небольшое разрешение, низкое качество. Воспроизводится только на компьютере. Требует специального программного декодера.

Digital Betacam

Digital Betacam - этот цифровой формат видеозаписи был разработан фирмой Sony. Для записи используется та же полудюймовая лента, что и в аппаратах Betacam SP. Имеются продольные дорожки управления, режиссерская и временного кода. Все видео- и аудиосигналы записываются сегментным наклонно-строчным способом. Каждое телевизионное поле записывается на 6-ти наклонных дорожках. Соседние дорожки записываются с азимутальным разворотом рабочих зазоров видеоголовок на +/- 15 градусов. Записываемый цифровой поток составляет 125.58 Мбит/с. Digital Betacam обеспечивает запись 10-битного компонентного цифрового сигнала с соотношением частот дискретизации 4:2:2 для сигналов яркости и цветности. Поддерживаются 4 канала звукового сопровождения, частота дискретизации аудиосигнала 48 кГц при 20-битном квантовании. Миникассеты Digital Betacam обеспечивают 40 минут цифровой записи, а большие - более 2-х часов.

В системе Digital Betacam используется очень эффективный способ обработки информации - BRR (уменьшение скорости потока данных). Благодаря этому одно и тоже количество видеоинформации может быть представлено меньшим объемом данных, чем раньше. Способ компрессии сигнала внутриполевой (intraframe) с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT), коэффициент компрессии сигнала - 2:1. Имеется мощная система коррекции и маскирования ошибок.

Betacam SX

Betacam SX - видеоформат фирмы Sony, который обеспечивает запись 8-битных компонентных цифровых видеосигналов с соотношением частот дискретизации 4:2:2 для сигналов яркости и цветности. Поддерживает 4 канала цифрового звука (16 бит/48 кГц). Схема сжатия, используемая в Betacam SX, основана на алгоритме 4:2:2 P@ML стандарта MPEG2 с коэффициентом компрессии 10:1. Поток видеоданных составляет 18 Мбит/с. Запись производится на полудюймовую (12.65 мм) металлопорошковую ленту. Максимальное время записи - 184 минуты на кассету типа L и 60 минут на кассету типа S.

Формат Betacam SX обеспечивает вещательное качество изображения от съемки до компоновки программ. Оборудование этого формата позволяет монтировать материал прямо на месте и передавать его с высокой скоростью без потери качества. При переносе видеоматериалов между аппаратами формата Betacam SX используется последовательный цифровой интерфейс SDDI (последовательный цифровой интерфейс передачи данных), обеспечивающий четырехкратную скорость передачи, с аппаратурой цифровых форматов используется интерфейс SDI (последовательный цифровой интерфейс). Оборудование Betacam SX совместимо с аналоговой аппаратурой форматов Betacam, Betacam SP.

HDV

Стандарт HD ( High Definition - Высокое разрешение ) - это новый улучшенный стандарт видео. Существует много форматов, но основных стандартов установлено два: 1080i и 720p . Оба эти стандарта значительно превосходят стандарт SD в цвете и разрешающей способности (резкость изображения и детали). Почти всё HD оборудование изначально рассчитано на 'широкоформатное' изображение 16:9.

Стандарт HD в любом проявлении намного лучше 'традиционных' систем. Появившийся стандарт HDV (High Definition Video - Видео высокого разрешения) - это попытка дать возможность записи видео высокого разрешения, при скорости передачи 25 Мбит/с на существующие устройства MiniDV , используя сжатие MPEG2. Многие производители уже являются приверженцами стандартов HDV . Стоит отметить, что любая домашняя запись, сделанная в HDV, будет превосходить общепринятые на сегодняшний день SD DV записи, обладающие, к сожалению, ограниченными способностями.

ProHD

DVCProHD - формат записи на магнитную ленту фирмы Panasonic, являющийся дальнейшим развитием DVCPro. В связи с необходимостью записи более высокого цифрового потока, скорость ленты увеличена в четыре раза. Как и для всех версий формата DVCpro, компрессия DVCproHD основана на алгоритме DV. Несжатые HD-сигналы распределяются по четырем устройствам сжатия DV, работающим параллельно, которые все вместе сжимают сигнал с коэффициентом 1:6.7. Результирующий поток данных составляет 100 Мбит/с.

D-VHS

Полностью цифровой формат D-VHS (Digital VHS) позволяет вести запись цифрового видео максимально возможного качества (поток видеоданных до 14,1 Мбит/с), длительностью до 8 часов в режиме STD (Standard), или 21 час, на скорости в три раза меньшей (LS3) - с качеством DVD-видео ( 4,7 Мбит/с). Данные записываются в том виде, в котором они поступают на вход видеомагнитофона, без восстановления сжатых данных.

Привлекательность формата заключается в его востребованности, ведь до сих пор не существовало перезаписываемого бытового цифрового видеоносителя достаточной емкости с качеством не только равным, но даже превосходящем DVD.

Для оценки потенциальных возможностей D-VHS достаточно сказать, что если скорость цифрового потока (битрейт) в DVD-формате достигает только 10 мегабит/сек. (обычно она не превышает 4–6 мегабит/сек.), и емкость диска составляет максимум 18 гигабайт (2 стороны/2 слоя), то в D-VHS ее максимальное значение составляет 28,2 мегабит/сек. при емкости кассеты до 44 гигабайт. Формат D-VHS дает возможность записывать даже HDTV-программы (т.е. ТВ повышенной четкости). Понятно, DVD со своим максимально достижимым разрешением в 540 ТВ-линий значительно уступает 1080 линиям в HDTV.

Поэтому если HD-телевидение станет широко распространенным, то запись такой программы на D-VHS-магнитофон обеспечит несравненно лучшее качество, чем DVD-плейер. Более того, такой битрейт и емкость видеокассеты позволяет в LS-режиме хранить до 14 часов видео с качеством, не уступающим обычному DVD, а с качеством, сравнимым с VHS - до 21 часа.

MicroMV

MicroMV - первый, разработанный фирмой Sony, формат записи для любительских видеокамер, использующий стандарт сжатия MPEG2. MPEG является открытым промышленным стандартом видео- и компьютерной индустрии и используется как новый формат, естественный преемник DV, поскольку обеспечивает высокое качество изображения и звука, а также открывает новые возможности дизайна видеокамер, благодаря компактному размеру носителя. Размер новой кассеты составляет 30 процентов от размера кассеты miniDV. Кассета оснащена модулем памяти. Скорость передачи данных нового формата составляет 12 Мбит/с, что в два раза ниже, чем в формате miniDV.

Digital8

С появлением цифровых видеокамер формата miniDV оказалось, что видеолюбители, стремящиеся к повышению качества изображения, должны отказаться от старых, накопленных годами архивов, записанных на кассетах Hi8. Компания Sony пошла навстречу требованиям рынка и выпустила промежуточный вариант цифровой видеозаписи на кассетах формата Hi8 (возможно, хотя и не рекомендуется использовать кассеты Video8). Правда пришлось поступиться временем записи (на кассете Hi8 можно записать видео в стандарте D8 на треть меньше по времени). Оправдывается это значительным улучшением качества изображения (оно приближается к вещательному) и различными преимуществами, такими как цифровые эффекты, цифровой порт по стандарту IEEE 1394 и др. Режим LP в этих камерах не предусмотрен. Естественно, что камера D8 может использоваться для просмотра старых кассет Hi8 и Video8. При этом, стоимость такой камеры несколько дешевле чем камер miniDV.

S(X)VCD

Формат SVCD расшифровывается как Super Video CD. На таком компакт-диске можно разместить вдвое больше информации чем на обычном Video CD. До сих пор эти диски наиболее широко распространены в Китае.

Стандарт SVCD был разработан в Китае в конце 1998 года и в настоящее время проходит процедуру регистрации как международный. Проигрыватели и диски SVCD сейчас довольно активно продаются в Китае, Гонк-Конге, Тайване, Малайзии, Сингапуре и Индии. Для воспроизведения таких дисков используются специальные SVCD проигрыватели, поддерживающие также VCD 3.0, VCD 2.0, CD-DA и иногда MP3 форматы. Некоторые проигрыватели DVD также могут воспроизводить SuperVCD, даже если об этом не сказано в инструкции, другие требуют лишь модификации внутренней программы (замены или пере-программирования одной микросхемы - некоторые модели JVC, Philips, Pioneer, Samsung). И конечно такие диски могут воспроизводиться на компьютере с 2х скоростным или более быстрым дисководом CD-ROM и аппаратным или программным (Pentium-II 350 МГц или лучше) декодером MPEG2.

Формат XVCD уступает SVCD по таким показателям, как поток данных и разрешение.

Методы сжатия

Цифровые технологии обеспечивают неоспоримые преимущества по сравнению с аналоговыми. Преобразованный в цифровую форму сигнал может сохранять всю информацию, заложенную в аналоговой форме. Современные технологии передачи, записи и хранения цифровых данных практически не подвергают сигнал искажениям.

Одно из неоспоримых преимуществ цифровых технологий - возможность применения к оцифрованному сигналу мощного математического аппарата сжатия видео и аудио информации. В отличие от "аналога", "цифра" в любой момент может быть воспроизведена со 100%-ной повторяемостью. Соответственно, для оцифрованного сигнала открываются удобные возможности последующей обработки, анализа и моделирования.

Основные методы сжатия видео сводятся к компрессии данных внутри отдельного кадра и оптимизации в передаче изменений между кадрами. Даже при рассмотрении статичного изображения видно, что в нем много однотипной и дублирующейся информации. Например, интенсивность фона чаще всего имеет постоянное значение; многие отдельные участки изображения, занимающие значительные размеры кадра, тоже имеют одинаковый уровень цифрового сигнала. Естественно, передавать всю эту информацию без компрессии не имеет смысла. С применением специализированных методов сжатия видео, плавно меняющегося по кадрам, возможно еще больше снизить результирующую плотность передачи информации по сети.

В отличие от универсальных архиваторов (вроде WinRar или WinZip), сжатие видео может происходить с некоторыми потерями, величина которых зависит от выбранного кодека. Современные алгоритмы сжатия прибегают к всестороннему логическому анализу видеоролика с целью извлечь повторяющиеся куски между кадрами и уменьшить размер конечного файла. При воспроизведении сжатая информация «раскрывается», и уже после этого демонстрируется пользователю. Раскрытие изображений, сжатых некоторыми кодеками, может потребовать большого времени от маломощного компьютера.

Технологии сжатия цифрового видео

Существует множество технологий сжатия цифрового видео. Некоторые из рассматриваемых компрессоров используют не одну технологию сжатия, а некоторую их совокупность. Например, и Indeo 3.2, и Cinepak используют векторную квантизацию. Международные стандарты MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261 и H.263 используют комбинированную технологию БДКП и компенсацию движения. Некоторые современные алгоритмы используют технологию ДВП (Discrete Wavelet Transform, или DWT). Другие технологии включают Фрактальное сжатие изображений (Fractal Image Compression).

Сжатие без потерь качества

Сжатие изображений может осуществляться без потерь качества лишь в том случае, если в процессе сжатия не было потерь данных. В результате полученное после декомпрессии изображение будет в точности (побитно) совпадать с оригиналом. Примером такого сжатия может служить формат GIF для статической графики и GIF89a для видео.

Сжатие с потерями качества

Сжатие может происходить с потерями качества, если в процессе сжатия информация была потеряна. Однако с точки зрения человеческого восприятия сжатием с потерями следует считать лишь такое сжатие, при котором возможно на глаз отличить результат сжатия от оригинала. Таким образом, несмотря на то что два изображения - оригинал и результат сжатия с использованием того или иного компрессора - побитно могут не совпадать, тем не менее разница между ними может быть совсем незаметной. Примером может служить алгоритм JPEG для сжатия статической графики и алгоритм M-JPEG для сжатия видео.

Сжатие без потерь с точки зрения восприятия

Формально являясь сжатием с потерями качества, схема сжатия может в то же время казаться сжатием без потерь с точки зрения восприятия ее человеком. Большинство технологий сжатия с формальной потерей качества имеют так называемый Фактор Качества Сжатия (ФКС), характеризующий именно воспринимаемую сторону качества и варьирующийся в пределах от 0 до 100. При факторе качества сжатия равном 100 воспринимаемые характеристики качества сжатого видео неотличимы от оригинала.

Сжатие с естественной потерей качества

JPEG и MPEG и другие технологии сжатия с потерей качества иногда сжимают, без потерь переступая за грань сжатия с точки зрения восприятия видеоинформации. Тем не менее сжатые видео и статические изображения вполне приемлемы для адекватного восприятия их человеком. Иными словами, в данном случае наблюдается так называемая естественная деградация изображения, при которой теряются некоторые мелкие детали сцены. Похожее может происходить и в естественных условиях, например при дожде или тумане. Изображение в таких условиях, как правило, различимо, однако детализация его уменьшается.

Сжатие с неестественными потерями качества

Низкое качество сжатия, в значительной степени искажающее изображение и вносящее в него искусственные (не существующие в оригинале) детали сцены, называется неестественным сжатием с потерей качества. Примером тому может служить некоторая «блочность» в сильно сжатом MPEG-е и в других компрессорах, использующих технологию БДКП. Неестественность заключается в первую очередь в нарушении самых важных с точки зрения восприятия человеком характеристик изображения - контуров. Опыт показывает, что именно контуры позволяют воспринимающему аппарату человека правильно идентифицировать тот или иной визуальный объект.

Все широко используемые видеокомпрессоры используют технологии сжатия с потерями качества. При достаточно высоких коэффициентах сжатия все они будут сжимать с неестественной потерей качества.

Таким образом, выбирая тот или иной компрессор для сжатия цифрового видео, необходимо достичь сжатия, по крайней мере с естественными потерями качества.

Поиск по сайту: