ЧАСТЬ 2. Как снять видеофильм в школе

2.5.1. Цифровое видео

Все, что мы говорили до сих пор, касается, в основном, линейного монтажа. Его особенностью является то, что видеофильм монтируется путем последовательной перезаписи на мастер-кассету необходимых кусков в реальном масштабе времени (т.е. с последовательным доступом к видеоматериалу). Современное компьютерное оборудование позволяет выбрать другой путь - путь нелинейного монтажа (с произвольным доступом).

Важно сразу понять основные различия между телевидением и компьютерным видео. В течение многих лет на телевидении вырабатывались свои профессиональные стандарты высококачественного вещания. Характеристики же цифрового видео существенно отличаются от них.

Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод который, обладает одним существенным недостатком: при копировании дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Недостатки, присущие аналоговому видео, привели к разработке цифровых видеоформатов. В отличие от аналогового видео, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу, так как "цифра" менее чувствительна к воздействию шумов.

Как ни странно, практически все цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют пленку с последовательным доступом. Пленка в качестве источника данных все еще остается более предпочтительной, чем жесткий диск компьютера, поскольку вмещает значительно больший объем данных. Но зато для цифрового видеомонтажа использование компьютеров дает ряд существенных преимуществ: не только обеспечивает прямой доступ к любому видеофрагменту (что невозможно при работе с пленкой, поскольку к необходимым участкам можно добраться лишь последовательно просматривая видеоматериал), но и предполагает широкие возможности обработки изображения (редактирование, сжатие). Это достаточные причины для перехода видеопроизводства с традиционного оборудования на компьютерное.

Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых изображений и связанный с ними звук. Существует множество способов захвата (оцифровки, capture), хранения и воспроизведения видео на компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стихийно стали возникать самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к некоторой путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы благодаря усилиям Международной организации по стандартизации (ISO -- International Standards Organisation) выработаны единые стандарты на форматы видеоданных.

Цифровое видео характеризуется пятью основными параметрами: частота кадров (Frame Rate), разрешение (Spatial Resolution), глубина цвета (Color Resolution) и качество изображения (Image Quality), сжатие видео (Compression video).

Частота кадра (Frame Rate) - скорость смены кадров. Каждый видеокадр состоит из определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через одну, в результате чего из одного кадра получается два полукадра (или так называемых поля). Такой процесс называется interlaced (чересстрочная развертка). Между тем монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод прогрессивного сканирования (progressive scan), при котором строки кадра формируются последовательно сверху вниз в один полный кадр. В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

Глубина цвета (Color Resolution). Этот показатель определяет количество цветов, которые могут быть одновременно отображены на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-формате (красный - зеленый - синий), в то время как видео использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов -- YUV. Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глубины цвета: 8 бит/пиксел (256 цветов), 16 бит/пиксел (65535 цветов) и 24 бит/пиксел (16,7 млн. цветов). Для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксел (4:1:1 или 4:2:2, примерно 2 млн. цветов), и 8 бит/пиксел (4:4:4, примерно 16 млн. цветов). Отношение 4:2:2 следует понимать так, что для оцифровки сигнала яркости каждой точки изображения используют 4 бита (16 градация серого), а для каждого из цветоразностных сигналов по 2 бита (4 градации цвета). После оцифровки - но перед сжатием - в каждом кадре удаляется цветовая избыточность (в телевизионном жаргоне прореживание). В результате этой операции каждый кадр имеет цветоразностное (YUV) представление в формате 4:2:2. Такая обработка позволяет на 1/3 сократить количество обрабатываемых данных без видимого ухудшения качества изображения.

Разрешение (Spatial Resolution). Еще одна характеристика - разрешение, или, другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на экране. Так как мониторы PC и Macintosh обычно рассчитаны на базовое разрешение 640х480 точек (пикселей), многие считают, что такой формат является стандартным. К сожалению, это не так. Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео. Стандарт PAL (Phase Alternative), распространенный в Европе, имеет в компьютере разрешение 768 на 576 точек. Поскольку разрешение аналогового и компьютерного видео различается, при преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда масштабировать изображение, что приводит к некоторой потере качества.

Качество изображения (Image Quality). Наиболее важная характеристика. Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана с палитрой из 256-ти цветов (8 бит), при скорости воспроизведения 15 кадр/с (для CD-ROM или Internet). В других случаях требуется полноэкранное видео (768х576) с палитрой в 16,7 млн. цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой 25 кадр/с (полноэкранное видео для записи на ВМ).

Сжатие видео (Compression). Для экономии дискового пространства и уменьшения цифрового потока любое видео сжимается по определенным процедурам. Следует исходить из разумной достаточности при определении необходимой степени сжатия. При этом необходимо учитывать, как четыре характеристики (частота кадра, экранное разрешение, глубина цвета и качество изображения) влияют на объем и качество видео. Вы должны ясно себе представлять, какую цену придется заплатить за качество изображения. Чем больше глубина цвета, выше разрешение и лучше качество, тем большая производительность компьютера вам потребуется, не говоря уж о громадных объемах дискового пространства, необходимого под цифровое видео. Учитывая эти характеристики, нужно выбрать оптимальный коэффициент сжатия. В профессиональном видео действует простое правило - чем ниже коэффициент сжатия, тем лучше.

Иногда для уменьшения объема данных до разумного уровня достаточно оптимизировать один из вышеперечисленных параметров видеосигнала. Современные приложения (игры, компьютерные тренажеры, видеокиоски и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для них не требуется оцифровывать целый кадр. Очевидно, что сжатие видео нужно для уменьшения объема цифровых видео файлов, предназначенных для хранения, при этом желательно максимально сохранить качество оригинала. Различают сжатие обычное в режиме реального времени, с потерей качества или без потери, сжатие видеопотока или покадровое сжатие и т.д.

Сжатие обычное (в режиме реального времени). Многие системы, оцифровывая видео, одновременно сжимают его, иногда параллельно совершая и обратный процесс декомпрессии и воспроизведения. Для качественного выполнения этих операций требуются очень мощные специальные процессоры, поэтому большинство плат ввода/вывода видео для PC бытового класса не способны оперировать с полнометражным видео (без сжатия).

Недостаточная частота кадров является одной из основных проблем для видео на PC. При производительности ниже 24 кадров/с видео перестает быть плавным, что нарушает комфортность восприятия. К тому же, если появляются пропущенные кадры, вместе с ними могут быть пропущены необходимые данные по синхронизации звука и изображения.

Сжатие с потерей и без потери качества. Как мы уже говорили, чем выше коэффициент сжатия, тем больше страдает качество видео. Все методы сжатия приводят к некоторой потере качества, даже если это не заметно на глаз.

Сжатие видеопотока и покадровое сжатие. Покадровый метод подразумевает сжатие и хранение каждого видеокадра как отдельного изображения. Сжатие видеопотока основано на следующей идее: не смотря на то, что изображение все время претерпевает изменения, задний план в большинстве видеосцен остается постоянным - отличный повод для соответствующей обработки и сжатия изображения. Создается исходный кадр, а каждый следующий сравнивается с предыдущим и последующим изображениями, и фиксируется лишь разница между ними. Этот метод позволяет существенно повысить коэффициент сжатия, сохранив при этом практически исходное качество. Однако в этом случае могут возникнуть трудности с покадровым монтажом видеоматериала, закодированного подобным образом.

Коэффициент сжатия. Коэффициент сжатия - это цифровое выражение соотношения между объемом сжатого и исходного видеоматериала. Например, коэффициент 20:1 означает, что если принять объем полученного после компрессии ролика за единицу, то исходный оригинал занимал объем в 20 раз больший.

Обычно, чем выше коэффициент сжатия, тем хуже качество видео. Но многое зависит от используемого алгоритма. Для MPEG сейчас стандартом считается соотношение 200:1, при этом сохраняется неплохое качество видео. Различные варианты Motion- JPEG работают с коэффициентами от 5:1 до 100:1, хотя даже при уровне в 20:1 уже трудно добиться нормального качества изображения. Кроме того, качество видео зависит не только от алгоритма сжатия (MPEG или Motion-JPEG), но и от параметров цифровой видеоплаты, конфигурации компьютера и даже от программного обеспечения.

Возможность контроля параметров цифрового видео особенно важна, если производительность вашей системы и пропускная способность шины ограничены (как это обычно и бывает). Хорошая система оцифровки и сжатия видео должна позволять задавать наиболее важные параметры для аппаратной и программной части видеосистемы. В некоторых применениях решающее значение имеет скорость воспроизведения видео (частота кадр/с), но при этом приходится отказаться от полноэкранного изображения. В других случаях вполне достаточно уровня в 15 кадр/с и даже 12 или 5 кадр/с, но качество этих кадров должно быть идеальным.

Оборудование и программное обеспечение для оцифровки и сжатия видео должны иметь возможности управления этими операциями, чтобы удовлетворить вашим требованиям. Внимательно отнеситесь к этой рекомендации, так как не все системы имеют достаточные средства по контролю параметров видео.

Как выбрать метод сжатия? Методы сжатия данных используют математические алгоритмы для устранения, группировки и/или усреднения схожих данных, присутствующих в видеосигнале. Выбор конкретного алгоритма зависит от вашей конечной цели. Существует большое разнообразие алгоритмов сжатия, включая PLV, Compact Video, Indeo, RTV и AVC, но только Motion-JPEG, MPEG признан международным стандартом для сжатия видео.

Большое количество различных аппаратных и программных решений для оцифровки и монтажа видео, делает непростым правильный выбор. Главное правило - придерживайтесь общепринятых стандартов. Это не гарантирует лучшее решение, но обеспечит вам уверенность.

 © 2009  N.V.Smirnov, I.B.Smirnova. Далее >>>