Тема 3 Методы сжатия видеоданных

Оцифровываемый видеопоток сохраняется на жестком диске компьютера, при этом от выбранного устройства оцифровки видео зависит формат представления видеоданных в ПК. В любом случае, программа оцифровки (захвата видео) сохраняет информацию о том, откуда и в какой последовательности взяты фрагменты видео- и аудиозаписей, где и какие эффекты используются и другая служебная информация. Сам обрабатываемый материал сохраняется в файле, формат которого задается на этапе захвата, и от этого выбора зависит результирующее качество и возможности обработки.

Как правило, файл с видеоданными имеет расширение ".avi". Файлы этого формата содержат аудио- и видеоданные (AVI – Audio Video Interleave, чередование аудио и видео), причем эти данные могут быть сжаты: закодированы при помощи того или иного алгоритма, с различной степенью компрессии. Проблема огромных объемов, занимаемых видеоданными, потребовала решения еще в 1990-е гг. Тогда появился известный формат сжатия статичных изображений (JPEG) и алгоритм компрессии видео (MPEG). Сущность кодирования MPEG состоит в том, что картинка не просто сжимается по алгоритму JPEG кадр за кадром, а вместо сохранения каждого кадра записывается только первый (ключевой), а далее только отличие последующего кадра от предыдущего.

Разумеется, при смене сцены необходимо снова записать ключевой кадр полностью. Именно поэтому при одинаковом качестве изображения фильм, не отличающийся динамикой действия, будет значительно компактнее фильма с быстрыми сюжетными изменениями.

Существует несколько версий MPEG, идеологически они схожи, но соотношение качества изображения и объема файла отличается.

Первое поколение алгоритмов формата MPEG было использовано для записи данных на диски Video CD. MPEG-1 обеспечивает не очень эффективное сжатие, и, поскольку емкость компакт-диска составляет всего 600–700 Мбайт, качество фильмов на Video CD не сильно отличается от VHS.

MPEG-2 – это алгоритм, стандартный для DVD. Данный формат обеспечивает баланс качества изображения и объема данных. Средний фильм занимает около 4–5 Гбайт и помещается на DVD вместе с многоканальными звуковыми дорожками на одном или двух языках, субтитрами, заставкой и дополнительными материалами. Большой объем носителя позволил минимизировать потери качества, и при этом использовать более высокие разрешения, чем 240 или даже 400 линий.

Последняя версия алгоритмов MPEG – MPEG-4 – до недавнего времени оставалась исключительно компьютерным форматом. MPEG-4 позволяет записать фильм на обычный компакт-диск, при качестве изображения, сравнимом с DVD. При всей своей привлекательности алгоритм MPEG-4 не вытеснил полностью алгоритм MPEG-2, поскольку выигрыш в объеме достигается за счет большей сложности алгоритма, что требует более производительных устройств как при кодировании, так и при воспроизведении.

Применять MPEG-алгоритмы на этапе захвата видео можно только в том случае, если не предполагается последующего редактирования материала. Из-за используемого принципа сжатия (записывается не каждый кадр) при монтаже MPEG-видео результат оказывается гораздо хуже, чем у исходного материала. Поэтому наиболее подходящий для монтажа формат – DV, вне зависимости от того, был источник цифровым или аналоговым.

При оцифровке видеоданных важным понятием является термин "поток данных" (bitrate, битрейт).

Поток данных – это количество информации в сжатом виде, приходящееся на единицу времени для какой-либо записи. Существует два способа сжатия информации: с постоянным потоком данных (CBR, constant bitrate) и с переменным потоком данных (VBR, variable bitrate). В первом случае каждый блок данных сжатого файла (который имеет определённую длительность при воспроизведении) имеет постоянный размер – соответственно, поток данных не меняется на протяжении всего файла. В случае переменного потока данных каждый блок по выбору кодера может иметь больший или меньший размер. Поскольку реальные сигналы имеют постоянно изменяющуюся сложность, метод кодирования с переменным потоком данных существенно эффективнее. Когда поток данных переменный, то его оценка усредняется, причем усреднение проводится по всей записи.

Величина битрейта (потока данных) измеряется в битах в секунду или байтах в секунду. Потоки данных при работе с видео достаточно велики, поэтому чаще встречаются килобиты и мегабиты.

В таб. 7.6.1 приведены усредненные значения величины битрейта для наиболее известных форматов видео данных.

Таблица 7.6.1.

После этапа "захвата" видеоданных, т.е. их передачи в ПК, следует этап монтажа видео. Данный этап предоставляет пользователю широкие возможности по обработке видеоданных. Наиболее простая и распространенная задача, решаемая на этапе монтажа, состоит в компоновке видеоданных, т.е. весь отснятый видеоматериал фрагментируется, при этом из видеоряда исключаются неудачные, по мнению пользователя, фрагменты или сцены и т.д. К задачам видеомонтажа относятся: исключение избыточности в видеосюжетах, состыковка отдельных сюжетов и создание переходов между ними, добавление спецэффектов и титров и др.

На этом этапе компьютер оказывается практически незаменимым устройством для редактирования видеоданных, поскольку достаточно представить, насколько сложно выполнить точную выборку фрагментов, записать их с нужным звуковым сопровождением, используя только видеомагнитофон или видеокамеру. К тому же каждое переписывание кассеты с видеоданными сопровождается снижением качества.