Представление видео в ЭВМ

Видео (от лат. video – смотрю, вижу) – под этим термином понимают широкий спектр технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального и аудиовизуального материала.

Видео, как правило, представляет собой быстро сменяющуюся последовательность неподвижных изображений, на которых отражены последовательные состояния объекта. Чем быстрее кадры меняются, тем более плавным воспринимается изменение объекта. При частоте смены кадров примерно от 10 за секунду движение уже воспринимается однородным. Частота кадров в секунду – fps, или Гц. В традиционном плёночном кинематографе используется частота 24 кадра в секунду. Системы телевидения PAL и SECAM используют 25 кадров в секунду, а система NTSC использует 29,97 кадров в секунду. Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. Некоторые профессиональные видеокамеры могут снимать с частотой до 120 кадров в секунду. Специальные камеры способны снимать до нескольких тысяч или даже миллионов кадров в секунду, что необходимо, например, для детального изучения траектории полёта пули или структуры взрыва.

Любой цифровой видеосигнал характеризуется разрешением (англ. resolution), горизонтальным и вертикальным, которое, как и обычное изображение, измеряется в пикселях. Каждый пиксел характеризуется также глубиной цвета по некоторой цветовой модели. Таким образом, можно приблизительно оценить битрейт видео, если знать размер изображения и глубину цвета. Например, для записи несжатого видео в формате NTSC:

720 × 480 × 16 бит × 30 кадров = 165888000 бит/с = 20736000 байт/с ≈ 20 Мбайт/с ≈ 1,2 Гбайт/мин.

Очевидно, что такие объемы данных требуют огромные объемы носителей для записи видео. Поэтому, как и в случае звука, широко используются методы сжатия видео, как без потери качества, так и с потерей.

Некоторые подходы к сжатию видео:

– кодирование цвета, заключается в том, что в ряде случаев отдельное изображение использует только часть полного доступного в данной цветовой модели спектра. Тогда можно переключиться на индексированную палитру, которая позволит передать почти тот же цветовой диапазон, но при этом займет значительно меньше места;

– избыточность изображения – сжатие отдельных кадров обычными алгоритмами сжатия изображений;

– компенсация движения, или межкадровая разность – рассматривает тот факт, что в последовательности кадров, составляющих видео, как правило, присутствует очень много практически не изменившихся элементов. Алгоритм сравнивает несколько подряд идущих кадров и записывает векторы, соответствующие изменениям, а сами кадры, кроме одного, ключевого, удаляет. При воспроизведении видео на основе этого ключевого кадра воссоздаются удаленные кадры;

– и др.

Наиболее популярными на сегодняшний день являются форматы сжатия семейства MPEG или их вариации. Они используют все основные подходы к сжатию видео, что позволяет достичь коэффициентов сжатия до нескольких сотен.

MPEG – сокращение от Moving Picture Expert Group, это название экспертной группы ISO, действующей в направлении разработки стандартов кодирования и сжатия видео- и аудио- данных. Известны следующие стандарты:

– MPEG-1, предназначен для синхронизированных видеоизображения разрешением 352×240 и звукового сопровождения на CD при скорости считывания около 1.5 Мбит/с. На сегодняшний день устарел;

– MPEG-2, предназначен для обработки видеоизображения соизмеримого по качеству с телевизионным при пропускной способности системы передачи данных в пределах от 3 до 50 Мбит/с. Стандарт изначально разрабатывался для передачи телевизионного изображения в цифровом виде. На технологии, основанные на MPEG-2, переходят многие телеканалы, сигнал, сжатый в соответствии с этим стандартом, транслируется через телевизионные спутники;

– MPEG-3 (не путать с MP3), предназначался для использования в системах телевидения высокой четкости HDTV со скоростью потока данных 20-40 Мбит/с, но в итоге стал частью стандарта MPEG-2;

– MPEG-4, задает принципы работы с цифровым представлением медиа-данных для интерактивного мультимедиа, графических приложений и цифрового телевидения. Наибольшее развитие получил третий аспект;

– MPEG-7 (Multimedia Content Description Interface – интерфейс описания мультимедийного содержимого) предназначен для описания мультимедийных данных, определяет универсальные механизмы описания аудио и видео информации, представленной в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных;

– MPEG-21, долговременный проект, получивший название «"Система мультимедийных средств». Предполагается, что формат, помимо сжатия и интерактивных возможностей, будет обеспечивать поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

Алгоритмы сжатия звука и видео реализуются в виде специальных программ, так называемых кодеков. Кодек – сокращение от «компрессор» и «декомпрессор», это любая технология для сжатия и восстановления данных. Кодеки могут быть реализованы также на уровне аппаратной части или как комбинация аппаратно-программных подходов. Кодеки реализуют тот или иной алгоритм или их совокупность к сжатию видео или звука. Обычно кодеки интегрируются в операционную систему и таким образом добавляют возможность корректно открывать файлы соответствующих форматов из любых приложений.