Лекционный материал "Видеоинформация"

Видеоинформация и ее особенности

Что такое видео?

• Видео – это сочетание графической и звуковой информации.
• Для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических картинок.
• Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные. В любительской киносъемке использовалась частота 16 кадров/сек., в профессиональной – 24.

Видео на пленке

• Традиционный кадр на кинопленке "докомпьютерной" эпохи выглядел так, как показано на рисунке.
• Основную его часть, разумеется, занимает видеоизображение, а справа сбоку отчетливо видны колебания на звуковой дорожке.
• Имеющаяся по обоим краям пленки периодическая система отверстий (перфорация) служит для механической протяжки ленты в киноаппарате с помощью специального механизма .

• Принцип формирования разностного кадра

Казалось бы, если проблемы кодирования статической графики и звука решены, то сохранить видеоизображение уже не составит труда. Но это только на первый взгляд. При использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

В фильме существует много ситуаций, связанных со сменой действия, когда первый кадр новой сцены настолько отличается от предыдущего, что его проще сделать ключевым, чем разностным. Может показаться, что в компьютерном фильме будет столько ключевых кадров, сколько новых ракурсов камеры. Тем не менее, их гораздо больше. Регулярное расположение подобных кадров в потоке позволяет пользователю оперативно начинать просмотр с любого места фильма: "если пользователь решил начать просмотр фильма с середины, вряд ли он захочет ждать, пока программа распаковки вычислит все разности с самого начала". Кроме того, указанная профилактическая мера позволяет эффективно восстановить изображение при любых сбоях или при "потере темпа" и пропуске отдельных кадров на медленных компьютерных системах. В современных методах сохранения движущихся видеоизображений используются и другие типы кадров.

Сжатие видеоданных

• Компьютерная видеоинформация имеет огромные информационные объемы и, как никакая другая информация, нуждается в сжатии.
• Главной идеей является преобразование компьютерного видео таким образом, чтобы восприятие зрителей практически не пострадало, а степень сжатия заметно возросла.
• Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG . Методы, применяемые в MPEG опираются на достаточно сложную математику.
• Общие приемы, за счет которых достигается сжатие: прежде всего, обрабатываемый сигнал из RGB-представления с равноправными компонентами преобразуется в яркость и две «координаты» цветности. Как показывают эксперименты, цветовые компоненты менее важны для восприятия и их можно «проредить» вдвое. Кроме того, производится специальные математические преобразования (DCT – дискретно-косинусное преобразование), несколько загрубляющее изображение в мелких деталях. Опять-таки из экспериментов следует, что на субъективном восприятии изображение это практически не сказывается. Наконец, специальными методами ликвидируется сильная избыточность информации, связанная со слабыми отличиями между соседними кадрами. Полученные в результате всех описанных процедур данные дополнительно сжимаются общепринятыми методами, подобно тому, как это делается при архивации файлов с другими видами информации.

Сжатие видеоданных

• Распаковка видеоданных, как ни в каких иных случаях, очень критична ко времени выполнения. При слишком сильном сжатии фильма «медленный» процессор не будет успевать распаковывать данные, зато при недостаточном – данные не будут успевать считываться с требуемой скоростью. В связи с этим после окончания запаковки данных программа-упаковщик еще раз просматривает фильм на предмет отсутствия нескольких подряд идущих кадров большого размера и, если необходимо, производит коррекцию.

• При сжатии и распаковке видеофильма компьютеру приходится проделывать огромный объем вычислительной работы. По соотношению времени между этими двумя процессами различают симметричное и несимметричное сжатие. Естественно, время распаковки не может быть большим, ибо даже не очень мощный компьютер должен успевать распаковывать кадры фильма в реальном времени. А вот время запаковки может быть как таким же небольшим (тогда говорят о симметричном способе), так и весьма значительным (несимметричный способ). Существуют настолько сложные способы сжатия, что даже на профессиональных высокопроизводительных компьютерах они тратят на запаковку фильма много часов или даже дни. Зато достигнутый эффект сжатия будет существенно выше.

Синхронизация потоков

• При производстве и редактировании цифрового видео необходимо иметь возможность осуществлять индивидуальную адресацию каждого кадра изображения. Это всегда требуется и при синхронизации нескольких параллельных потоков данных, по крайней мере, для звуковой дорожки и изображения.
• В кинофильмах на пленке не представляло труда физически разметить пленку, да и сами кадры были визуально видны. Но на магнитной видеокассете решение проблемы перестает быть очевидным. Поэтому Общество инженеров-разработчиков движущихся изображений и телевидения (STMPE – Society of Motion Picture and Television Engineers) предложила простую и удобную для практики систему идентификации и маркировки каждого кадра по времени его отображения. Согласно системе STMPE, каждый кадр идентифицируется временем его появления – час, минута, секунда, а кадры, возникающие в течении данной секунды, получают последовательные номера. Таким образом, адрес кадра получил формат HH:MM:SS:FF, где HH – час, MM – минута, SS – секунда, FF – номер кадра.

Синхронизация потоков

• К сожалению, ситуация осложняется тем, что существует несколько телевизионных систем с различным числом кадров в секунду. Для кинофильмов это 24, а для европейского телевидения – 25 кадров. Но еще хуже дело обстоит с американским стандартом NTSC-видео, где количество кадров приблизительно равно 30. Если промаркировать кадры стандартным равномерным образом, то произойдет рассинхронизация между метками SMPTE и реальным временем на 1%. Поэтому для изображений в NTSC стандарт SMPTE предусматривает специальную процедуру маркировки кадров, суть которой состоит в следующем. По мере необходимости, приблизительно раз в минуту, система пропускает два адреса кадра, т.е. код «перепрыгивает» вперед на два номера. Но такой пропуск тоже не обеспечивает нужную кратность, и это компенсируется дополнительным правилом: в минуты 00, 10, 20, 30, 40, и 50 пропуск кадров не выполняется. Описанная система «искусственного» устранения различий становится легко понятной, если вспомнить, что в году также не ровно 365 дней, и это компенсируется високосностью каждого четвертого года, причем годы с номерами, заканчивающиеся двумя нулями (1800, 1900 и т.п.) високосными не являются.

Видеомонтаж

• Для плавного перехода от одного эпизода к другому потребуется уже два магнитофона на входе и микшерный пульт или монтажный столик. С ростом требований к итоговому материалу количество оборудования растет.
• В описываемые времена всем оборудованием непосредственно управлял человек, выбирая нужные ему эпизоды.
• Подобный видеомонтаж назвали линейным. Основными недостатками этого вида видеомонтажа являются высокая трудоемкость, большое количество видеоаппаратуры и потеря качества в процессе перезаписи.
• Переход к компьютерному видео добавил множество новых возможностей и породил гораздо более эффективный вариант монтажа – нелинейный. При такой обработке материал с пленки оцифровывается (если он аналоговый) и переносится на жесткий диск компьютера. Потом с полученными файлами можно производить любые манипуляции в любом порядке. При этом компьютер берет на себя функции всех монтажных устройств. Достоинством нелинейного монтажа служит быстрый доступ к любому участку записи, большие возможности для редактирования и более высокое качество результирующего материала, поскольку цифровое копирование нисколько не искажает информацию .

Видеомонтаж

• До 90-х годов основными методами представления видео были кино- и магнитная лента, т.е. нецифровые носители. Но даже тогда фильм не сразу «снимался начисто», а «собирался» из фрагментов в единое целое на монтажных студиях, где множество отснятого материала просматривалось, отбиралось и объединялось в нужном порядке. Процесс, при котором проводится удаление лишних кадров, выстраивание эпизодов и создание переходов между ними, наложение титров, спецэффектов, звука, называется видеомонтажом.
• Наиболее простая схема монтажа подразумевает использование, по крайней мере, двух устройств – камеры или видеомагнитофона с исходным материалом и рекордера – видеомагнитофона с чистой кассетой. Посредством различных манипуляций материал переписывается в нужной последовательности с плеера на рекордер, с ленты на ленту. Записываемый видеопоток может проходить через устройство наложения спецэффектов или титров, которое осуществляет необходимые преобразования изображения.

Видеомонтаж

• Программные средства выполнения видеомонтажа включают в себя средства получения видеоизображений от внешних источников и из хранимых файлов, организации последовательности показа с помощью временной шкалы, возможность указывать свойства фрагментов и применяемые к ним видеоэффекты (появление, изменение кадров и т.д.), возможность задавать способы замены одного фрагмента другим, добавлять текстовые надписи и звуковую дорожку и другие средства. Большие возможности систем нелинейного монтажа привели к тому, что постепенно большая часть обработки видеосигнала стала выполняться с помощью цифровых средств.

ФОРМАТЫ ВИДЕО ДАННЫХ

• Вам предложена информация о трех форматах видео и анимации.
• Продолжите эту классификацию, опишите еще по два формата видео и анимации.
• ВИДЕО ФОРМАТЫ
• Формат AVI (Audio Video Interleaved) – формат записи аудио- видео- информации, разработанный корпорацией Microsoft для операционной системы Windows(расширение имени файла .AVI). При записи в данном формате используются несколько различных способов сжатия (компрессии) видеоизображения. Первоначально для работы с видео использовались возможности Video for Windows фирмы Microsoft. На смену данному формату пришли два новых формата ASF (Advanced Streaming Format) и AAF (Advanced Authoring Format).
• Формат Quick Time Movie (расширение имени файла .QT, .MOV) – формат для записи видео, разработанный фирмой Apple для компьютеров Mac в рамках технологии Quick Time.
• Формат MPEG (расширение имени файла .MPG, .MPEG) – формат для работы с видео, разработанный группой экспертов по движущимся изображениям, имеет собственный алгоритм декомпрессии, активно используется для записи цифрового видео.
• ФОРМАТЫ АНИМАЦИИ
• Формат AVI (расширение имени файла .AVI) – формат записи аудио- видео- информации, разработанный корпорацией Microsoft для операционной системы Windows, применяется для записи компьютерной анимации.
• Формат MPG (расширение имени файла .MPG) – формат записи видео- информации с цветовым разрешением от 8 до 24 бит. Для воспроизведения может понадобиться поддержка аппаратной декомпрессии из-за большого объема обработки.
• Формат GIF (расширение имени файла .GIF) – графических файлов. Содержит серию кодов и интервалы их последовательного отображения (доли секунды). Применяется в Internet для анимации небольших изображений.