Кодирование и запись видео

одирование видеоизображений основано на разложении видеоряда в виде последовательности отдельных изображений (кадров). На этом, в частности, основано телевидение (25 кадров в секунду для Европы и 30 кадров с секунду для Японии и США) и кинотехника (24 кадра в секунду). То есть кодирование видеоряда заключается в ко­дировании каждого из составляющих его кадров как отдельного изображения, с по­следующей записью последовательности кадров.

Цифровая запись видеоизображений име­ет две особенности.

• Кодирование данных и их запись рассматриваются порознь и определяются разными стандартами.

• Запись видеоизображений обычно сопровождается записью звука, то есть речь идёт о синхронной записи как минимум двух потоков данных.

Одним из наиболее известных форматов записи (не кодирования) видео является формат AVI, введённый в действие компа­нией Microsoft для компьютеров, работа­ющих под управлением операционной системы Windows. Согласно стандарту AVI, в начале записи размещается заголовок, описывающий всю структуру записи. Он позволяет узнать, из каких блоков звука и видео состоит за­пись, как они чередуются между собой и какой метод кодирования использован при записи каждого из блоков. Формат AVI не определяет способ кодиро­вания звука и видео, а только указывает на него, поэтому его ещё называют метаформатом или форматом-контейнером.

Формат кодирования данных в записан­ных блоках может быть любым, но в нача­ле записи AVI обязательно есть сведения о том, какой именно формат использован. Соответственно, для декодирования запи­си при её воспроизведении следует исполь­зовать не любой метод, а только тот, кото­рый соответствует избранному формату кодирования.

КОДЕК

Для воспроизведения видеозаписей и зву­козаписей, записанных в каком-либо метаформате, например AVI, необходимо иметь специальную программу, которая называ­ется кодеком. Слово кодек происходит от сочетания двух слов: кодер-декодер. То есть кодек — это программа, предназначенная для кодирования последовательности кад­ров в виде наборов чисел перед их записью или для декодирования числовой последо­вательности перед воспроизведением записи. Когда мы приобретаем видеофильм, за­писанный на компакт-диске, к нему, как правило, прикладывается программа-ко­дек. При первом воспроизведении фильма кодек устанавливается на компьютере. При последующих воспроизведениях уста­новка кодека уже не происходит, пока нам в руки не попадёт фильм, закодированный другим кодеком. В этом случае будет уста­новлен новый кодек. Постепенно на ком­пьютере собирается коллекция кодеков на все случаи жизни.

ФОРМАТ MPEG

Существует множество различных форма­тов кодирования видеоизображений при их записи. Изобилие форматов связано с тем, что одновременно с преобразованием записи в числовую форму решается вопрос о сжатии полученной последовательности, а сжимать её можно по-разному.

Одним из наиболее распространённых является метод, получивший название MPEG. В основе стандарта MPEG лежит идея о том, что соседние кадры видеоряда, как правило, имеют сравнительно небольшие отличия друг от друга и, записав полнос­тью один кадр, мы можем при записи следующего кадра записывать не всё изоб­ражение, а только его отличия от преды­дущего кадра. В общей последовательно­сти видеоряда выявляются так называемые опорные кадры и промежуточные кадры, которые кодируются по-разному. Опорные кадры обычно являются начальными кад­рами новых сцен. Промежуточные кадры соответствуют одной сцене и имеют много общего с опорным кадром сцены.

Формат MPEG был разработан для записи видеоданных, хранимых на персональных компьютерах и переносимых на лазерных компакт-дисках. В те времена, когда начи­налась разработка формата, компьютеры не отличались производительностью, по­этому для записи видеоданных были вве­дены искусственные ограничения:

• размер кадров: 352 х 288 точек;

• частота кадров: 30 кадров в секунду.

Несколько позже был введён более совер­шенный формат MPEG 2, позволяющий кодировать видеозаписи с разрешением отдельных кадров до 720 х 576 точек. Этот формат нашёл очень широкое применение и используется:

• для записи видеофильмов на цифро­вых видеодисках (DVD-ROM);

• для передачи телевизионных про­грамм по каналам спутниковой связи (спутниковое телевидение);

• для передачи телевизионных про­грамм в цифровом формате через эфир или по кабельным сетям (цифровое телевидение).

Формат MPEG 2 обеспечивает степень сжа­тия исходного видеоряда примерно в 40-50 раз, что позволяет разместить двухча­совой видеофильм (200 Гбайт) на одном диске DVD-ROM (4,7 Гбайт). Но для того, чтобы разместить его на компакт-диске CD-ROM (650 Мбайт), нужна ещё более вы­сокая степень сжатия. При определённой потере качества её позволяет получить формат сжатия MPEG 4. От формата MPEG 2 формат MPEG 4 от­личается более изощрённой математикой, используемой при кодировании. В частно­сти, математические процедуры позволя­ют различать элементы сцены, обладаю­щие различной активностью, и кодировать их по-разному. Потом, при воспроизведе­нии фильма, сцена для каждого кадра фор­мируется из разных объектов.