Тема 7.6. 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 (более подробно алгоритмы сжатия видеоданных MPEG рассмотрены в ???). 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.