3.5. Представление анимационной, видео- и звуковой информации

При работе с цифровым видеосигналом возникает необходимость обработки, передачи и хранения очень больших объемов информации. На современных носителях, таких, как компакт-диск (CD-ROM, 650 Мбайт) или жесткий диск (порядка тысячи мегабайт), сохранить полноценный по времени видеоролик, записанный в поэлементном формате, не удается.

Развитие технологий перевода видеоинформации в цифровой формат и их дальнейшее применение в цифровом ТВ поставили проблему сжатия видеоданных в ряд наиболее важных. Ее положительное решение оказалось возможным лишь на базе разработки эффективных методов и алгоритмов сжатия видеоданных.

Следует отметить, что традиционные алгоритмы сжатия данных без потерь здесь практически неприменимы, поскольку дают для реальной видеоинформации слишком незначительный выигрыш. Например, алгоритмы, основанные на компрессии за счет кодирования длинами серий и адресно-позиционного кодирования (RLE, LZ, LZW и т. п.), не дают должного эффекта.

Для покадрового сжатия видеоданных можно использовать алгоритмы компрессии статической графики - сжатие с потерями (JPEG). При этом восстановленное изображение кадра, как правило, не совпадает с оригиналом. Однако реализация таких алгоритмов достаточно сложна и процессы декодирования требуют значительных затрат времени. Видеоинформация накладывает специфические ограничения на скорость декодирования данных: декодер (аппаратно-программное средство, осуществляющее декомпрессию данных) должен успевать разархивировать изображение за 1/25 с, пока на экране отображается предыдущий кадр. Данное ограничение не дает возможности реализовать алгоритмы с большей степенью сжатия.

Реальным решением проблемы стало сжатие всего видеоряда, включающего последовательность видеокадров.

Стандартным методом цифрового кодирования на компьютере является PCM (Pulse Code Modulation). Наиболее популярным форматом, используемым для хранения несжатых аудиоданных, является Microsoft PCM (WAV). Для видеороликов стандартным для компьютера считается Microsoft Audio/Video Interleaved (AVI). Сжатие аудио- или видеоданных как процесс подразумевает конвертацию соответственно несжатого WAV- или AVI- файла в другой формат с использованием алгоритма сжатия (поэтому программы для компрессии/декомпрессии данных называют конверторами). При этом может быть использован любой формат (даже WAV и AVI), если он поддерживает этот алгоритм.

Важную роль в решении проблемы сжатия видеоданных сыграли результаты, полученные группой комитета по стандартизации MPEG (Motion Pictures Experts Group).

Разработанный этой группой метод сжатия и соответствующие форматы семейства MPEG унаследовали многое в своей структуре от JPEG. Однако противоположность графическим форматам MPEG использовал кодирование отличий последующих кадров от некоторых опорных изображений кадров. В 1990 г. был создан формат MPEG-1, который ориентировался на сжатие видео- и аудиоинформации.

В дальнейшем были созданы форматы MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7, MPEG-J.

Сегодня MPEG - единый формат представления данных спецификации United States Grand Alliance HDTV, группы European Digital Video Broadcasting и Digital Versital Disc (DVD).

Считается, что MHEG - будущий международный стандарт для интерактивного TV, так как он работает на любых платформах и его документация свободно распространяема.

Наряду с указанными стандартными форматами имеется конечное множество форматов кодирования видео- и аудиоинформации, предложенных фирмами, производящими различные программные приложения. К ним можно отнести: формат RealAudio, разработанный фирмой RealNetworks, для хранения сжатых голосовых аудиоданных (речи); формат аудиоданных SoundVQ, разработанный компанией Yamaha; формат Windows Media Technology 4.0, представленный фирмой Microsoft, поддерживает потоковую передачу данных в Internet и имеет продвинутую систему сжатия аудио- и видеоданных; формат QuickTime фирмы Apple был разработан для использования в мультимедийных приложениях на компьютерах Macintosh и т.п.