Цифровое видео для начинающих

Рис. 2.4. Пример прорисовки кадра на экране ПК с частотой кадров (Frame Rate) 50 раз в секунду (частоте регенерации монитора 100 Гц)

Подобный метод формирования изображения на экране получил название noninterlaced видео (прогресссивная развертка). В этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом формирования видеосигнала.

Глубина цвета (Color Resolution)

Этот показатель является комплексным и определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры обрабатывают цвет в RGB-фор-мате (красный-зеленый-синий), в то время как видео использует и другие методы. Как уже упоминалось, одна из наиболее распространенных моделей цветности для видеоформатов – YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).

Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы качества цветопередачи (глубины) цвета: 8 бит/пиксель (256 цветов), 16 бит/пиксель (65 535 цветов), 24 бит/пиксель (16,7 млн цветов) и 32 бит/пиксель (True Color – 16,7 млн цветов + альфа-канал). Посмотреть заданную на вашей видеокарте глубину цвета можно, щелкнув на рабочем столе правой кнопкой мыши и выполнив команду Свойства Параметры – рис. 2.5.

Рис. 2.5. Пример настройки монитора ПК на глубину цвета 32 бит

Экранное разрешение (Spatial Resolution)

Экранное разрешение монитора компьютера – это количество точек, из которых состоит изображение на экране. Сегодня мониторы с диагональю 17 дюймов обычно используются с разрешением в 1024 х 768 точек, поэтому можно предположить, что это и есть компьютерный видеостандарт.

Однако, к сожалению, прямой связи между разрешением цифрового видео и компьютерного дисплея нет. Напомним, что стандарт PAL, распространенный в Европе и России, имеет разрешение – 720 на 576 точек. Среди стандартных для компьютерной видеокарты разрешений экрана разрешение 720 х 576 не значится, поэтому на экране компьютера такой видеокадр будет окружен бордюром до ближайшего стандартного разрешения видеокарты в 800 х 600 или 1024 х 768 точек – рис. 2.6.

Рис. 2.6. Бордюр при размещении изображения 720 х 576 точек на экране монитора с разрешением 1024 х 768 точек

В случае выбора режима полноэкранного просмотра изображение будет масштабироваться так, как видеокарта и ее драйвер посчитают нужным, и разложение изображения по полям для вывода по TV-выходу видеокарта будет делать без всякой связи с оригинальным видеоизображением.

Из сказанного следует, что поскольку разрешение аналогового и компьютерного видеосигналов различается, то при преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда масштабировать изображение, а это приводит к некоторой потере качества видеоизображения.

Разрешающую способность видеокамеры обычно измеряют в ТВЛ (Телевизионных линиях). У большинства современных цифровых видеокамер значение этого параметра достигает 500 и более телевизионных линий (ТВЛ). Возникает вопрос:

почему у камеры только 500 линий, а в телевизионной картинке (по стандарту PAL) должно быть 625 линий? На самом деле это совершенно разные понятия – строки, на которые раскладывается телевизионное изображение (их действительно 625), и линии, характеризующие качество изображения. Для понимания того, что есть ТВЛ, посмотрите на телевизионную испытательную таблицу – рис. 2.7.

Рис. 2.7. Телевизионная испытательная таблица

Цифры, стоящие рядом с линиями, как раз характеризуют разрешающую способность. Например, если на изображении испытательной таблицы, снятой видеокамерой, можно различить линии рядом с цифрой 500, то разрешение такой видеокамеры не хуже 500 ТВЛ.

Качество изображения (Image Quality)

Наиболее важная характеристика цифрового видеосигнала – это качество видеоизображения.

Требования к качеству зависят от конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана с палитрой из 256-ти цветов (8 бит) при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других случаях требуется полноэкранное видео (768 на 576) с палитрой в 16,7 млн цветов (24 бит) и полной кадровой разверткой (25 или 30 кадров/с).

Очевидно, что чем выше частота кадров, глубина цвета и разрешение, тем качество цифрового изображения лучше – рис. 2.8.

На этой иллюстрации под битностью изображения следует понимать то, сколько оттенков цвета используется для хранения изображения. Разные графические форматы имеют для этого разные возможности (табл. 2.2.).

Рис. 2.8. Пример зависимости качества изображения от глубины цвета (слева режим 4:2:2 (7 бит/пиксель – 2 млн цветов), а справа режим 4:4:4 (8 бит/пиксель – 16 млн цветов)

Таблица 2.2. Возможности различных графических форматов для передачи качества изображения за счет глубины цвета

Вы, возможно, удивлены, почему в файлах с цветовой глубиной 32 бит такое же количество цветовых оттенков, как и при 24 бит. Дело в том, что остальные 8 бит используются для хранения альфа-канала, который будет определять прозрачность нашей картинки. Из этого следует, что для видеомонтажа можно использовать далеко не все графические форматы файлов.

Говоря о качестве изображения, следует заметить, что в бытовых видеомагнитофонах для простоты декодирования сигналов объем информации в них ограничивается, что ведет к уменьшению четкости изображения и снижению числа строк до 240. Такое решение используется в аналоговых форматах VHS и Video8. Более качественный результат получается при передаче двух композитных сигналов: яркости вместе с синхроимпульсами (Y) и модулированных цветовых сигналов (C). При этом обеспечивается разрешение в 400 линий. Такому решению соответствуют аналоговые форматы записи S-VHS и Hi8. Только при переходе к компонентному сигналу, в котором все три составляющих – Y, U и V – передаются отдельно, можно достичь наиболее высокого качества. Такой сигнал используется в профессиональной аппаратуре формата Betacam, что позволяет получить разрешение до 650 линий.

Сжатие видео

Большой объем видеофайлов – одна из серьезных проблем в видеомонтаже. Для наглядности приводим расчет: 640 х 480 х 3 х 25 = 23 040 000. То есть, если 640 – горизонтальное разрешение видеокадра, 480 – вертикальное разрешение, то имеем 307 200 точек на кадр. При трех байтах цвета на каждую точку (пиксель) получим 921 600 байт на кадр. И, наконец, при потоке 25 кадров в секунду имеем 23 040 000 байт в секунду. То есть 24-битное цветное видео, при экранном разрешении 640 х 480 и частоте 25 кадров/с, потребует передачи 23 Мбайт данных в секунду. Такой поток информации не только выходит за рамки пропускной способности шины компьютера, но и моментально съест любое дисковое пространство.

ПРИМЕЧАНИЕ

Для сравнения: 50-скоростной CD-ROM воспроизводит цифровой видеофильм со скоростью 50 х 150 Кбайт/с = 7,5 Мбайт/с.

Иногда для уменьшения этого огромного объема данных до разумного уровня достаточно оптимизировать один из трех вышеперечисленных параметров видеосигнала. Так, например, современные приложения (игры, компьютерные мультимедийные обучающие программы и некоторые деловые пакеты) зачастую не требуют полноэкранного видео. Такие программы обычно используют видео в окне, и для них не требуется оцифровывать целый (полноэкранный) кадр.

В частности, если мы изменим параметры видеосигнала и сделаем новый расчет для разрешения 320 на 240 и частоте 15 кадров/с, то получим новые цифры: 320 х х 240 х 3 х 15 = 3,4 Мбайт/с.

Как видите, уменьшив размер изображения, можно добиться весьма существенного уменьшения объема данных, передаваемых в единицу времени. Но 3 Мбайт занимает всего лишь одна секунда видео. Для двухчасового фильма потребуется 24 Гбайт дискового пространства, а это примерно 25 лазерных дисков. Отсюда вытекает необходимость сжатия видеоизображений. Только тогда один видеофильм можно будет записать на один лазерный диск 700 Мбайт.