Видеоинформация

Электронные издания могут содержать не только текстовую информацию и графику, но и видеокомпоненты.

Видеоинформация представляется в форме видеоклипов (видеороликов), т.е. наборов последовательно выводимых друг за другом взаимосвязанных изображений-кадров (видеокадров). Если скорость появления видеокадров превышает частоту слияния мельканий (порядка 25 кадров), то у пользователя создается впечатление непрерывного движения объектов (full-motion video - полнокадровое видео). Этот принцип был реализован в кино и в настоящее время остается основным при оцифровке видеоизображения. Видеоизображения могут воспроизводиться как в отдельном окне программы просмотра на части экрана, так и в размерах экрана (full-screen video - полноэкранное видео).

Объем одной секунды видеоролика с частотой 30 кадр/с при разрешении 640 × 480 пикселов, представленных 8-разрядным кодом (256 цветов), составляет 9 Мбайт. При использовании 24-разрядной цветовой палитры (16 млн. цветов) и разрешении 1280 × 1024 эта цифра увеличится до 114 Мбайт, в связи с чем особую актуальность приобретают вопросы хранения и передачи информации.

Проблема хранения данных большого объема упростилась с появлением дисководов CD-ROM и жестких дисков большой емкости. Но их емкости и скорости передачи данных (1-3 Мбайт/с) все еще недостаточны для использования указанных накопителей для хранения и обработки видеоинформации обычными традиционными методами.

Необходимо сократить объем хранимых и передаваемых данных. Уменьшив разрешающую способность до 320х240 пикселов, количество воспроизводимых цветов до 256, частоту смены кадров до 15, можно понизить требуемую скорость передачи данных до 1 Мбайт/с. Но при этом снижается качество изображения, хотя и не решается проблема хранения и обработки видеоинформации полностью.

Поэтому до сего времени ведутся интенсивные работы по созданию видеоформатов, хорошо сжимающих водеоизображения и позволяющих воспроизводить видеоинформацию в реальном времени без снижения качества изображений.

Методы, алгоритмы и устройства сжатия видеоданных объединяются под общим названием - CODEC (Cоmpressor-DECompressor). Задача видеокодека заключается в максимально возможном сжатии видеоизображения и его последующем восстановлении (декомпрессии) с высокой скоростью и минимальными искажениями информации. Как правило, методы сжатия видеоинформации основаны на поиске избыточной информации и удалении ее с целью уменьшения объема. При этом могут использоваться различные алгоритмы сжатия. Некоторые основаны на внутрикадровом сжатии, т.е. сжимается информация по каждому отдельному кадру; другие базируются на межкадровом сжатии, при котором фиксируется динамика изменения информации по кадрам. В этом случае последующие кадры формируются на основе информации об изменении предыдущего кадра.

Чтобы видеоданные успевали выводиться на экран, необходимо обеспечить их быстрое декодирование (восстановление). Многие известные фирмы разработали свои собственные видеостандарты и файловые форматы для них. Каждый стандарт обладает определенным быстродействием и качеством.

Например, фирмой Apple был предложен стандарт QuickTime, реализованный на компьютерах фирмы Apple. Существуют программы, которые позволяют использовать его на IBM-совместимых компьютерах (в среде Windows).

Видеоинформация формата QuickTime хранится в файлах с расширением *. mov. Для начала необходимо установить программный пакет QuickTime, в состав которого входят специальные программы и драйверы для собственного проигрывателя QuickTime. Эти программные продукты позволяют проигрывателю в Windows (Media Player) воспроизводить видеоинформацию этого стандарта. В формате QuickTime кроме видеоинформации может храниться аудиоинформация звукового сопровождения видеоданных. При частоте дискретизации 22,05 кГц, разрядности 8 бит, в режиме «моно» одна секунда аудиоинформации занимает примерно 20-30 Кбайт. Одна секунда видеоизображения с таким же звуком занимает 150-200 Кбайт (236 × 168 - 320 × 240, 15 кадров в секунду).

В системах Windows 3.xx и выше распространен видеостандарт AVI (Audio Video Interleaved). Файлы этого стандарта имеют расширение *.avi. Доступ к ним осуществляется через программу Media Player. В AVI-файле применяется межкадровое сжатие. Оно содержит один ключевой кадр, относительно которого формируются остальные кадры видеоизображения.

Современные драйверы и программы позволяют воспроизводить оба формата и преобразовывать файлы одного формата в другой.

Утверждается, что AVI-файлы могут воспроизводиться с частотой 24 кадр/с. Но в большинстве случаев они записываются с частотой 15-18, а иногда и 10 кадр/с, чтобы уменьшить занимаемый объем. AVI-файл длительностью 1 с занимает от нескольких десятков до нескольких сотен килобайт (обычно 50-300 Кбайт). Достоинство AVI состоит в том, что для проигрывания файлов этого стандарта не требуется никакого дополнительного аппаратного обеспечения, кроме мощного высокопроизводительного компьютера. Поэтому обычно для создания AVI-файлов целесообразно использовать специальную микропроцессорную плату.

В 1992 г. группа экспертов по движущимся изображениям (Moving Pictures Experts Group) разработала новый стандарт видеокомпрессии - MPEG. Международная организация стандартизации (ISO) приняла его как стандарт компрессии MPEG-1 (ISO 11172). Немного позже компании Philips и Sony выпустили универсальный стандарт видеокомпакт-диска - Video-CD. Он совместим почти со всеми устройствами, которые способны читать CD и воспроизводить видеоизображения. К таким устройствам относятся IBM PC и Apple Mac.

Многие киностудии стали тиражировать фильмы в формате Videо-CD (на дисках CD-I и Video-CD), который обеспечивает запись не только высококачественной видеоинформации, но и звука, что расширяет его возможности. Иногда на первой дорожке диска Video-CD помещаются специальные программы и драйверы, которые необходимы для его просмотра на проигрывателях CD-I. Благодаря высокой степени сжатия данных на одном диске формата Video-CD продолжительность полноэкранного фильма может достигать 72 мин.

Видеоизображение может уступать по качеству изображению на высококачественных видеомагнитофонах. Это объясняется тем, что скорость считывания данных на CD-I и Video-CD составляет 1,115 Мбит/с, что соответствует односкоростным дисководам CD-ROM.

Для передачи телепрограмм по каналам связи используется формат MPEG-1. Он обладает разрешением 352 × 288 точек для стандарта PAL; 352 × 240 точек для стандарта NTSC и кино. Частота кадров: 25 (PAL), 29,97 (NTSC), 23,976 (кино). Скорость передачи данных 384 Кбит/с - 5 Мбит/с.

Видеоинформацию в формате MPEG-1 можно просматривать без специальной платы - декодера, с помощью программных проигрывателей на мощных компьютерах с процессорами Pentium (Pentium-133, Pentium-166 и выше) и высокопроизводительными видеоадаптерами.

Сравнительно недавно был создан новый, более совершенный стандарт для высококачественного видео - МРЕG-2. Данный стандарт предусматривает сжатие видеоданных при потоке цифровой информации от 3 до 10 Мбит/с и обеспечивает разрешение 704 × 576 пикселов. MPEG-2 в основном используется для трансляции телепрограмм через спутники связи. На основе этого стандарта принят международный стандарт цифрового вещания (DVB).

Закончилась разработка нового стандарта хранения информации на компакт-дисках высокой плотности. В данной разработке участвуют многие фирмы, среди которых такие известные, как Toshiba, Philips и Sony. Диск назван DVD - Digital Video Disk. Стандарт DVD полностью совместим с предыдущими стандартами дисков CD (Audio-CD, Video-CD, Photo-CD и т.д). Устройства DVD в соответствии с принятым стандартом позволяют просматривать видеоинформацию синхронно с объемным пятиканальным звуком Surround Sound.

В связи с внедрением формата DVD был разработан новый коротковолновый лазер и решены проблемы фокусировки его луча на поверхности диска. Емкость нового диска увеличилась более чем в 5 раз за счет высокой плотности дорожек и длинного сектора. Но разработчики DVD решили создать двухслойный диск. Применялись два лазера (один для полупрозрачного верхнего слоя, другой - для нижнего), что позволило удвоить емкость. Использовав еще и вторую сторону диска, разработчики добились общей емкости DVD-диска 19 Гбайт. Сейчас область применения формата и дисков DVD расширяется. Производители периферийного оборудования предлагают разнообразные устройства для работы в формате DVD: дисководы DVD-RAM и DVD-R, платы для записи DVD-видео и DVD-звука, системы объемного звучания и т. п.

Обработка видеоинформации включает несколько этапов: оцифровку, создание видеороликов или видеоклипов и их последующее воспроизведение.

Оцифровка видеоролика, в отличие от его воспроизведения, осуществляется не в реальном масштабе времени, но тем не менее и здесь многое зависит от используемых технологий и поддерживающих их программных средств.

В простейшем случае процедуру оцифровки видеоинформации реализует видеокамера, подключенная к компьютеру. Видеокамера включается в режим воспроизведения. Для проведения оцифровки используется одна из программ оцифровки видеоданных, например Pro MultiMedia. С ее помощью создается файл формата AVI на жестком диске. Под этот файл задаются соответствующее имя и предполагаемый объем файла. После запуска программы одновременно с запуском воспроизведения видеоизображений в видеокамере начинается процесс оцифровки видеоданных. Для уменьшения объема видеофайла этой же программой его можно перевести в формат МPEG, что сокращает его объем (например, с 4 Гбайт до 300 Мбайт). Последующее проигрывание видеоролика может осуществляться стандартным приложением Windows - Media Player.

В более сложных случаях используется монтаж видеоклипа в соответствии с разработанным сценарием. Он предусматривает работу с отдельными кадрами или их последовательностями. Сегодня может использоваться линейный и нелинейный монтаж.

При линейном монтаже видеоинформации исходный материал находится на видеокассете. Для того чтобы получать доступ к определенному месту ленты, необходимо все время перематывать пленку в поисках необходимого кадра. Для этих целей предназначена специальная «монтажная» аппаратура.

В настоящее время при создании электронных изданий широкое распространение получили технологии выполнения видеомонтажа и редактирования оцифрованного видеоматериала внутри компьютера. Такая технология получила название нелинейного монтажа, поскольку обеспечила операторам прямое обращение к необходимым кадрам или фрагментам видеоролика, записанным на жесткий диск компьютера. Открылась возможность избежать утомительного процесса постоянной (линейной) перемотки видеоленты вперед-назад при просмотре и поиске этих фрагментов.

В случае нелинейного монтажа весь материал предварительно оцифровывается и размещается в дисковой памяти (на винчестере), что обеспечивает произвольный мгновенный доступ к необходимому кадру.

Стандартная цифровая система, подобная аналоговому монтажному комплексу, построена по однопотоковой архитектуре. Это означает, что при расчетах используется только одна копия исходного видеоролика (AVI-файл).

В случае более сложных процедур работы с видеоматериалом возникает необходимость сформировать и задействовать вторую копию цифрового видео (или ее части). Таким образом, для создания любого микшерного перехода или эффекта между двумя видеоклипами в оперативной памяти компьютера необходимо одновременно содержать кадры как заканчивающегося, так и начинающегося клипов, последовательно загружая их с жесткого диска, декодируя (декомпрессируя) и производя расчет новых кадров результирующего клипа. Затем осуществляются обратная компрессия (сжатие) данных и запись на диск. Этот процесс называют рендеринг (rendering).

Системы нелинейного монтажа реального времени используют двухпотоковую плату компрессии/декомпрессии видеоинформации и дополнительную плату собственно цифровых эффектов. Набор микросхем для выполнения в реальном времени заданных эффектов микширования может быть установлен и прямо на плате компрессии (например, в Pinnacle Systems RealTime - более 130 двухмерных эффектов выполняется в реальном времени). Однако и при этом может быть использована дополнительная плата, расширяющая набор аппаратно выполняемых эффектов (например, Pinnacle Systems RealTime NITRO - RealTime + Genie).

Оперируя с двумя потоками, подобные цифровые системы могут выполнять и другие необходимые функции, присущие классическим монтажно-микшерским аналоговым комплексам, например титрование (titling) или различные виды рuр-проекций (проекции с использованием эффектов прозрачности и т.д.).

Обработка видеоинформации требует высокого быстродействия используемых вычислительных структур. Практически подобные вычисления требуют выполнения миллиардов специализированных операций над пикселами изображений. Очевидно, что скорость их выполнения существенно зависит от быстродействия процессора.

Стандартные PC являются универсальными машинами, т.е. оказываются сравнительно медленными с точки зрения решения данной задачи. Например, Pentium 150Mhz может выполнять только около 50 млн. операций в секунду, распределяя их между различными задачами. В результате при просчете даже сравнительно простых эффектов и переходов требуется в десятки и сотни раз больше времени, чем собственное время их проигрывания. Поэтому используются различные аппаратные и программные средства ускорения обработки видеоизображений. Например, вводятся современные платы нелинейного монтажа (miroVideo DC30plus для PC или VlabMotion для Amiga) для операций компрессии и декомпрессии видеоинформации. Эти микросхемы ускоряют рендеринг, но не приводят к его выполнению в реальном времени.

Оцифрованные фрагменты видеоизображений перед записью на диск подвергаются компрессии и представляются в формате MPEG. Сохранение информации может сопровождаться ее потерей.

Если после завершения монтажа необходимо записать на видеоленту готовый видеофрагмент, то необходима упомянутая выше карта ввода-вывода видеоинформации. Сегодня существует большое многообразие таких карт.

К устройствам для работы с видеосигналами на компьютерах IBM PC можно отнести устройства для ввода и захвата видеопо-следовательностей (capture-play), фрейм-грабберы, ТV-тюнеры, преобразователи сигналов VGA-TV и MPEG-плейеры. Следует отметить, что их функциональные возможности выходят далеко за рамки сферы электронных изданий.

Видеоинформация может воспроизводиться программами типа Media Player одновременно со звуком. В этом случае для монтажа, как правило, используются программы, обеспечивающие комплексную обработку информации - видео- и аудиоданных. К таким программным средствам относят Adobe Premiere, Ulead Media Studio Pro и другие.

Дата добавления: 2014-01-06